一种PVC凝胶驱动的柔性机械抓手及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种PVC凝胶驱动的柔性机械抓手及其制备方法，柔性外框内设置有多层PVC驱动器，柔性外框的顶部设置有柔性传感器，多层PVC驱动器由多个单层PVC驱动器堆叠构成，通过单层PVC驱动器的层数和施加电压实现物体抓取。本发明专利技术同时具有抓取功能以及传感功能，基于PVC凝胶驱动，驱动形式简单。

A PVC gel driven flexible mechanical gripper and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种PVC凝胶驱动的柔性机械抓手及其制备方法
本专利技术属于机械手
，具体涉及一种PVC凝胶驱动的柔性机械抓手及其制备方法。
技术介绍
根据驱动机制不同，软体机器人主要驱动类型主要有以下几种：电驱动、磁驱动、化学驱动、热驱动、光驱动和气驱动。(1)磁驱动：通过复杂的磁场设计和磁力变化控制小型结构的运动和变形。(2)热驱动：采用形状记忆合金、形状记忆聚合物或者基于热膨胀驱动的材料制造网络结构，通过加热产生温度变化来调控材料的相态或者膨胀力，实现驱动变形效果。(3)丝驱动：通过丝线的拉伸操控软体机械机构的弯曲运动。(4)气驱动：通过设计多个气室，调整气压促使柔性的橡胶材料发生大尺度的变形。通过控制不同气室的变形历程，可实现复杂的运动效果。(5)电驱动：利用电活性功能材料在电压作用下发生变形来驱动机器人，实现运动和复杂操作功能。(6)光驱动：利用特定波长光来激励光响应材料或者生物细胞产生变形效果，从而实现机器人的运动功能。在这些驱动形式中，磁驱动需要事先设计复杂的磁场和磁力变化；流体或者气动驱动类型需要使用的泵和压缩机来产生压缩流体，便携性较差，且其响应时间较慢，中高频特性较差；热驱动方式，主要使用形状记忆材料或水凝胶材料，一般都存在着效率较低、响应缓慢的问题。与此同时，光驱动、化学驱动等方式也存在着性能较差、适用范围窄等问题。相对而言，电驱动的激励方式最为便利且具有普适性。对于软体机器人来讲，电驱动技术主要采用的是电活性聚合物(简称EAP)，它具有能量密度高、质量轻、易于成形以及经受大变形而不易疲劳等优点。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种PVC凝胶驱动的柔性机械抓手及其制备方法，具有驱动方式简单、全柔性的特点。本专利技术采用以下技术方案：一种PVC凝胶驱动的柔性机械抓手，包括柔性外框，柔性外框内设置有多层PVC驱动器，柔性外框的顶部设置有柔性传感器，多层PVC驱动器由多个单层PVC驱动器堆叠构成，通过单层PVC驱动器的层数和施加电压实现物体抓取。具体的，单层PVC驱动器包括阳极电极、PVC凝胶薄膜和阴极电极，PVC凝胶薄膜设置在阳极电极和阴极电极之间。进一步的，阳极电极为阳极网孔电极，使用刚性结构或柔性结构材料制备而成，网格目数为60～80目；阴极电极为阴极平面电极，使用刚性材料或柔性导电聚合物制备而成，厚度为0.02～0.08mm。进一步的，PVC凝胶薄膜为片状结构，厚度为100～500μm。具体的，多层PVC驱动器的层数为5～50层，施加电压为200～800V。具体的，柔性外框采用柔性材料经浇铸或3D打印制成。具体的，柔性电阻传感器为立体中空的网格结构，使用碳纳米管和硅橡胶的混合物利用直写3D打印技术打印制成。本专利技术的另一个技术方案是，一种PVC凝胶驱动的柔性机械抓手制备的方法，通过铸膜或者直写3D打印方式将聚合物溶液制备为PVC凝胶薄膜；以PVC凝胶薄膜作为芯层，将阳极网孔电极、PVC凝胶薄膜和阴极平面电极以三明治结构进行叠层，得到单层PVC驱动器；对单层PVC驱动器进行堆叠，得到多层PVC驱动器；利用直写3D打印技术，使用碳纳米管和硅橡胶的混合物直写打印立体中空的网格结构作为柔性电阻传感器；将多层PVC驱动器放置在柔性外框中，将多层PVC驱动器的引线与外部高压放大模块连接，并将柔性电阻传感器嵌入柔性外框的顶部，得到PVC凝胶驱动的柔性机械抓手。具体的，聚合物溶液的制备具体为：将PVC颗粒与塑化剂己二酸二丁酯以1：(2～12)的质量比混合得到混合物，然后添加四氢呋喃进行稀释得到聚合物溶液，混合物与四氢呋喃的质量比为1：(3～12)，PVC颗粒的聚合度为1000～4000。具体的，柔性电阻传感器中，碳纳米管的直径为2～100nm，硅橡胶包括184或ecoflex；混合物中碳纳米管的质量分数为2％～10％。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种PVC凝胶驱动的柔性机械抓手，柔性外框初始状态具有一定的弯曲角度，多个PVC驱动器放置在柔性外框中，通过电连接线与高压输出模块相连；在电压激励下智能材料PVC凝胶由于电致变形产生收缩变形，因此，通过控制器可产生驱动电压使抓手产生开合运动抓取物体；并在抓手顶部设置柔性电阻传感器对抓取的物体进行信号输出；该柔性抓手同时具有抓取功能以及传感功能，基于PVC凝胶驱动，驱动形式简单。进一步的，单层PVC凝胶驱动器设置成三明治结构，可以最大限度的利用PVC凝胶的变形形变。进一步的，阳极使用网格电极，使PVC凝胶在电场作用下向网格内蠕动变形从而改变位移量。阴极使用较薄的平面电极，可以尽量减小整体驱动器的厚度。进一步的，PVC凝胶的厚度会直接影响驱动器的输出性能，厚度较大时输出性能会降低。进一步的，随着PVC驱动器层数的增加，驱动器的输出位移和输出力都会随之增加。同时在200-800v的电压下能有效地驱动PVC驱动器。电压过低时驱动性能不明显，电压过高时容易使PVC凝胶击穿。进一步的，柔性外框在危包证本身结构比较柔软的前提下，同时能够为叠层驱动器提供一定的预紧力，使驱动器更为紧凑。进一步的，柔性电阻传感器工作稳定，不易受外界环境影响。一种凝胶驱动的柔性机械抓手的制备方法，通过浇筑成型以及3D打印成型方法制备，制备工艺简单容易实现。进一步的，使用不同的材料配比配置溶液可以得到不同弹性模量和介电常数的PVC凝胶，并通过实验得出使驱动器输出性能最佳的PVC凝胶配方。进一步的，将碳纳米管与硅橡胶混合得出性能稳定的导电混合物并制备成电阻传感器，该传感器性能稳定，制备方式简单。综上所述，本专利技术同时具有抓取功能以及传感功能，基于PVC凝胶驱动，驱动形式简单。基于PVC凝胶制备出的机械抓手，同时具有抓取和传感功能。下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。附图说明图1为PVC凝胶在电压下的变形原理示意图；图2为抓手柔性外框示意图；图3为柔性传感器结构示意图；图4为柔性抓手结构组成示意图；图5为抓手的弯曲角度与输出电压的关系图；图6为抓取具有不同表面硬度的物体时，电阻传感器的电阻变化图。其中：1.阳极网孔电极；2.PVC凝胶薄膜；3.阴极平面电极；4.单层PVC驱动器；5.多层PVC驱动器；6.柔性电阻传感器；7.柔性外框。具体实施方式在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种PVC凝胶驱动的柔性机械抓手，其特征在于，包括柔性外框(7)，柔性外框(7)内设置有多层PVC驱动器(5)，柔性外框(7)的顶部设置有柔性传感器(6)，多层PVC驱动器(5)由多个单层PVC驱动器(4)堆叠构成，通过单层PVC驱动器(4)的层数和施加电压实现物体抓取。/n

【技术特征摘要】
1.一种PVC凝胶驱动的柔性机械抓手，其特征在于，包括柔性外框(7)，柔性外框(7)内设置有多层PVC驱动器(5)，柔性外框(7)的顶部设置有柔性传感器(6)，多层PVC驱动器(5)由多个单层PVC驱动器(4)堆叠构成，通过单层PVC驱动器(4)的层数和施加电压实现物体抓取。


2.根据权利要求1所述的PVC凝胶驱动的柔性机械抓手，其特征在于，单层PVC驱动器(4)包括阳极电极、PVC凝胶薄膜(2)和阴极电极，PVC凝胶薄膜(2)设置在阳极电极和阴极电极之间。


3.根据权利要求2所述的PVC凝胶驱动的柔性机械抓手，其特征在于，阳极电极为阳极网孔电极(1)，使用刚性结构或柔性结构材料制备而成，网格目数为60～80目；阴极电极为阴极平面电极(3)，使用刚性材料或柔性导电聚合物制备而成，厚度为0.02～0.08mm。


4.根据权利要求2所述的PVC凝胶驱动的柔性机械抓手，其特征在于，PVC凝胶薄膜(2)为片状结构，厚度为100～500μm。


5.根据权利要求1所述的PVC凝胶驱动的柔性机械抓手，其特征在于，多层PVC驱动器(5)的层数为5～50层，施加电压为200～800V。


6.根据权利要求1所述的PVC凝胶驱动的柔性机械抓手，其特征在于，柔性外框(7)采用柔性材料经浇铸或3D打印制成。


7.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱子才，徐雪杰，罗斌，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61