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刘磊,刘大彪*,张沁苇,胡建辉,阮靖,何玉明.螺旋卷绕型纤维基人工肌肉的致动特性研究[J].实验力学,2021,36(3):325~333
螺旋卷绕型纤维基人工肌肉的致动特性研究
Study on actuation performance of twisted and coiled fiber-based artificial muscles
投稿时间:2020-08-06  修订日期:2020-09-27
DOI:10.7520/1001-4888-20-162
中文关键词:  人工肌肉  聚合物纤维  致动特性  螺旋结构
英文关键词:artificial muscle  polymer fiber  actuation characteristics  helical structure
基金项目:国家自然科学基金(11972168, 11702103, 11972013)资助;武汉市应用基础前沿项目(2020010601012174)
作者单位
刘磊 华中科技大学 航空航天学院 湖北武汉 430074 
刘大彪* 1.华中科技大学 航空航天学院 湖北武汉 430074 2.工程结构分析与安全评定湖北省重点实验室 湖北武汉 430074 
张沁苇 华中科技大学 航空航天学院 湖北武汉 430074 
胡建辉 华中科技大学 航空航天学院 湖北武汉 430074 
阮靖 华中科技大学 航空航天学院 湖北武汉 430074 
何玉明 1.华中科技大学 航空航天学院 湖北武汉 430074 2.工程结构分析与安全评定湖北省重点实验室 湖北武汉 430074 
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中文摘要:
      螺旋卷绕型纤维基人工肌肉是模仿天然肌肉的新型致动器,在柔性驱动领域具有广阔的应用前景。通过将尼龙6纤维和铜丝复合卷绕,制备了电阻丝附着型纤维基人工肌肉;搭建了表征人工肌肉致动特性的实验平台,对人工肌肉的致动特性进行研究,发现致动效率与输入功率、螺旋直径有关。对螺旋卷绕型纤维基人工肌肉的致动特性进行理论分析,预测了致动应变随温度的变化规律,与实验结果吻合;并讨论了手性、纤维偏转角等参数对人工肌肉致动性能的影响。本研究提供了高性能纤维基人工肌肉的制备和测试方法,可为其先进结构设计及性能调控提供参考。
英文摘要:
      The twisted and coiled fiber-based artificial muscle is one kind of novel actuator for mimicking natural skeletal muscle, which has promising applications in the field of flexible actuation. In this paper, the twisted and coiled fiber-based artificial muscles are produced by winding copper wire onto a Nylon 6 filament and twisting followed by coiling threads to form helical springs. An experimental platform has been developed for characterizing the actuation performance of the artificial muscles. It is found that the actuation efficiency is strongly related to the input power and the helical diameter of the artificial muscles. A theoretical analysis on the actuation performance of the twisted and coiled fiber-based artificial muscles has also been carried out. The relationship between the actuation strain and the temperature predicted by the theoretical model is in good agreement with the experimental results. The influences of the chirality and the bias angle of fiber on the actuation performance of the artificial muscles are analyzed in detail. This study provides a useful method for the preparation and actuation testing of the fiber-based artificial muscles, and gives a theoretical guidance for the improvement of their structure design and actuation performance.
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