一种基于3D打印的气动驱动机器人多指灵巧手制造工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种基于3D打印的气动驱动式机器人多指灵巧手制造工艺，包含但不限于以下步骤：(1)采用3D打印技术得到气动驱动式机器人多指灵巧手物件；(2)对所述3D打印物件进行液体表面处理，所述3D打印物件能溶解或部分溶解于液体中，所述液体能和水互溶。本发明专利技术通过上述方式，本发明专利技术去除了3D打印件的孔隙，提高了3D打印物件气密性，使得3D打印技术可以用于制造气动驱动式机器人多指灵巧手，方便了机器人手的设计工作，可以制造单方向、多方向或复合型复杂机械人多指灵巧手，特别适合于智能柔性机器人开发工作。

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印的气动驱动机器人多指灵巧手制造工艺
本专利技术属于机器人多指灵巧手制造
，具体涉及一种基于3D打印的气动驱动方式的机器人多指灵巧手(RobotMulti-fingeredDexterousHand)制造工艺。
技术介绍
3D打印又称为增材制造，是近30年来兴起并快速发展的一类基于逐层材料累加原理的先进制造方法。根据美国材料与试验协会F42委员会(ASTMCommitteeF42)的定义，3D打印总共包含7项子技术：材料挤出(MaterialExtrusion)、材料喷射(MaterialJetting)、粘合剂喷射(BinderJetting)、容器式光聚合(VatPhotopolymerization)、层叠制造(SheetLamination)、粉末床融合(PowderBedFusion)、定向能量沉积(DirectedEnergyFusion)。其中，材料挤出、容器式光聚合和粉末床融合技术应用最为广泛。尤其是材料挤出式3D打印，由于其较低的设备成本、较广的材料选择和较好的成型件性能等优势，近几年来获得了广泛的应用。3D打印是一种以数字模型文件为基础，通过逐层材料堆积的方式来构造实际物体的技术。材料挤出式技术基于材料在流动态(如熔融态、溶液等)下，受压力作用下挤出、逐层堆积并固化(如玻璃态转变、结晶、溶剂挥发等)，从而构建3D物体。在材料挤出式3D打印中应用较为广泛的一项技术称为熔融堆积成型(fuseddepositionmodeling)或熔融线材制造(fusedfilamentfabrication)，其基本原理是：将热塑性高分子的线材利用齿轮传送到一个高温的热端将高分子熔融，热端沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料局部熔合，这一过程会不断逐层重复，从而构建三维物体。每一个层片都是在前一层上堆积而成，前一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助的支撑结构，对后续层提供定位和支撑，以保证成形过程的顺利实现。机器人末端执行器(End-effector)，是机器人用来直接执行各种操作和任务的器件。传统的工业机器人末端执行器在执行抓取目标物体的操作时，主要通过施加较大压力从而产生较大摩擦力来实现，不适合用于脆、嫩或有生命体的对象。随着机器人技术的进一步发展，以人手为原型，模拟人手功能和结构，设计具有多关节、多手指的多自由度机器人末端执行器，称之为机器人多指灵巧手。多指灵巧手主要采取以下三种驱动方式：(1)电机驱动方式；(2)气动驱动方式；(3)新型智能材料驱动方式，(见参考文献1：王志恒，基于FPA的新型气动机器人多指灵巧手研究[D].杭州：浙江大学，2011.)，其中气动驱动方式的原理是：连通多指灵巧手的封闭气室，形成内部正压或负压，内外压差促使物件发生相应弯曲或伸展变形，见图1，该模型有一个主干，在主干的一侧分布一定数量的分支；各分支内为空腔，相互连通形成一个气室，并预留一个管道与外界连通。日本东芝公司(Toshiba)开发研制了三自由度气动人工肌肉FMA(FlexibleMicroactuator)，(见参考文献2：SuzumoriK,IikuraS,TANAKAH.Flexiblemicroactuatorforminiaturerobots[A].ProceedingsofIEEEInternationalConferenceonMicroElectroMechanicalSystems[C].Nara,IEEEPress,1991:204–209.)，其主要由天然橡胶管构成，胶管内分步3个气室，调整3个气室的气压可以形成不同方向上的弯曲。尽管FMA可以做到毫米级产品，但是细小结构中分布气室，并嵌入尼龙纤维，使得加工工艺异常复杂、技术难度高，成本昂贵。美国专利US5568957中，公开了一种模仿人手形状的多指灵巧手构件，其五个手指的内芯由封闭管道连通，外围包裹着另一个气室。通过调整两个气室的气压，完成抓取和释放动作。但该专利没有提及构件的加工工艺。美国专利US9464642B2中，采用两种柔性材料拼合成具有特定气室的构件，提供了丰富的实际应用展示，同时该技术采用了3D打印技术制造型壳，然后在型壳中固化硅胶等柔性材料。但是该专利将多指灵巧手的构件分拆成型，增加了工艺的复杂性；且物件需在型壳中固化成型，不能一次成型复杂模型，使得结构设计受限。气动驱动式多指灵巧手物件内部有一个或几个封闭空间，通过连通不同气压条件，物件出现对应的形变状态。软弹性材料用作加工气动驱动式多指灵巧手物件的优点突出，一方面气室可以充分形变，实现机器人多指灵巧手的抓取或释放动作，另一方面柔软弹性质感极大的方面抓取脆、嫩或有生命体的对象。3D打印技术可以快速、直接精准的将三维设计转化为实物模型，方便了机器人手的设计工作，特别适合智能机器人的开发工作。材料挤出式3D打印、容器式光聚合3D打印、粉末床融合3D打印都可以加工软弹性材料，材料挤出式的优点是打印物件力学强度高，使用方便，可以同时使用两种材料。图2展示的是双喷嘴材料挤出式3D打印设备，软弹性材料和硬质材料一体成型，既满足弹性形变，又在特定区域提供强度，为气动驱动式多指灵巧手的设计方案提供更多选择空间。常见的材料挤出式3D打印机可以使用的打印线材硬度不小于邵氏硬度50D的软弹性线材。通过配方调整和设备改进，可打印邵氏硬度在40D左右的线材。软弹性材料通过双螺杆和单螺杆设备加工，获得线径均一的软弹性线材。多指灵巧手物件可以根据实际需求选用不同硬度的线材产品。三维设计软件用于设计多指灵巧手物件，选取合适硬度的软弹性线材和3D打印机，调整摆放方式、支撑结构、填充度和打印速度等打印参数，获得打印质量尚佳的物件。然而，由于材料挤出式3D打印机是通过将线材熔融，并从喷嘴挤出，然后一层层地堆积熔融物料，最终形成物件。在成型过程中，熔融物料在部分区域冷却较快，或堆积不均匀，造成相关区域粘合不充分，出现大量孔隙。尽管绝大多数孔隙不被看到，但是物件的气密性差，难以形成足够的内外压差。所以3D打印物件能否用做气动驱动式多指灵巧手物件，打印物件的气密性是问题的关键。
技术实现思路
本专利技术针对
技术介绍
中存在的3D打印物件气密性差的技术问题而提供一种基于3D打印的气动驱动方式的机器人多指灵巧手的快速制造工艺。本专利技术提供的制造工艺可以为3D打印物件气密性差的技术问题提供良好的解决方案。本专利技术制造工艺的技术原理在于：采用材料挤出式3D打印技术，利用两个挤出头分别提供软弹性材料和硬质材料，最终制成有气室的构件；随后通过表面处理工艺，提高气室的密封性能，让其可以承受一定的气压，使得构件能够在压缩空气驱动下完成收缩或舒张等动作。本专利技术提供了一种基于3D打印技术的气动驱动机器人多指灵巧手制造工艺，其包含但不限于以下步骤：(1)采用3D打印技术得到气动驱动式机器人多指灵巧手物件；(2)对所述3D打印物件进行液体表面处理，所述3D打印物件能溶解或部分溶解于液体中，所述液体能和水互溶。优选地，本专利技术所述液体选自水、甲本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于3D打印的气动驱动机器人多指灵巧手制造工艺，包含但不限于以下步骤：(1)采用3D打印技术得到气动驱动式机器人多指灵巧手物件；(2)对所述3D打印物件进行液体表面处理，所述3D打印物件能溶解或部分溶解于液体中，所述液体能和水互溶。

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印的气动驱动机器人多指灵巧手制造工艺，包含但不限于以下步骤：(1)采用3D打印技术得到气动驱动式机器人多指灵巧手物件；(2)对所述3D打印物件进行液体表面处理，所述3D打印物件能溶解或部分溶解于液体中，所述液体能和水互溶。2.根据权利要求1所述的基于3D打印的气动驱动机器人多指灵巧手制造工艺，其特征在于：所述液体选自水、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正戊醇、苯甲醇、丁醇、四氢呋喃、丙酮、丁酮、甲乙酮、环已酮、二氯甲烷、氯仿、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺中一种或多种。3.根据权利要求1所述的基于3D打印的气动驱动机器人多指灵巧手制造工艺，其特征在于：所述液体包含有二甲基乙酰胺，且二甲基乙酰胺的质量分数大于等于50％。4.根据权利要求3所述的基于3D打印的气动驱动机器人多指灵巧手制造工艺，其特征在于：所述液体，按质量分数计，由如下组分及含量组成：二甲基乙酰胺50％-85％、乙酸乙酯10％-30％、丁酮5％-20％。5.根据权利要求1-4任一项所述的基于3D打印的气动驱动机器人多指灵巧手制造工艺，其特征在于：使用液体表面处理的方法选择液体涂抹、液体雾化、液体浸泡、溶液涂覆中的一种。6.根据权利要求1所述的基于3D打印的气动驱动机器人多指灵巧手制造工艺，其特征在于：步骤(1)中所述3D打印技术选自材料挤出式3D打印、容器式光聚合3D打印、粉末床融合3D打印中的一种，优选材料挤出式3D打印；步骤(1)中所述3D打印物件，其构成材料包括软弹性体材料和硬质材料，所述的软弹性材料选自苯乙烯类热塑性弹性体、聚氨酯类热塑性弹性体、聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：苗振兴，罗小帆，
申请(专利权)人：苏州聚复高分子材料有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32