一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法技术

本发明专利技术公开了一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法，包括以下步骤：S1、柔性弹性体的制备，利用橡胶弹性体溶液制备片状结构并固化；S2、预应力弹性体的制备，拉伸柔性弹性体并固化；S3、将柔性弹性体和预应力弹性体搭建组合，并连接为内部空心的单元体结构；S4、多功能预应力柔性气动机器人的制备，将多个单元体结构进行连接组合成预应力柔性气动机器人。通过向单元体结构内注入气体以膨胀体积，抵消机器人中存储的弹性能量，释放气压后实现快速形状恢复，使得机器人具备爬行、夹持、抓取等功能。该机器人具有制备成本低、制备简单和模块化加工的优点，能够显著提高其大变形运动后的致动效率，具有很强的实用价值和广阔的应用前景。

A new multifunctional prestressed flexible pneumatic robot and its processing method

【技术实现步骤摘要】
一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法
本专利技术涉及柔性机器人
，具体而言，涉及一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法。
技术介绍
传统的机器人均是使用诸如钢、铝等刚性材料制成的。现已被用于帮助人们完成一些难以处理的工作，例如，重物的拾取和放置。通过对这些机器人编程，可使它们重复的高精确的完成某些工作。但是，这些刚性机器人在进行作业的过程中，可能会因为一些故障或者误操作而对人造成伤害或者摔坏搬运的物体。由柔性材料制成的柔软机器人具有与生物相似的高顺应性和适应性。这些软性材料可响应于外部刺激而变形，并且由于其简单的机理，轻巧的结构而表现出巨大的优势。为了开发柔性机器人不同的功能，目前已经发展了几种柔性致动技术。例如，水凝胶是用水溶胀的交联聚合物，可以对多种刺激做出反应，包括浓度，温度和pH值。它们通过吸收或释放水分子来改变体积的原理进行致动。这种工作机制使其适合在水环境中使用。然而，由于它们的响应缓慢和输出的力较小，其实际应用受到限制。形状记忆合金和形状记忆聚合物会因温度变化而产生变形。它们可以保持变形的形状，直到增加热量以恢复其原始形状。但是，形状记忆合金和形状记忆聚合物机器人的低效率和慢响应速率限制了它们作为软机器人的性能。气动机器人是一种高度可扩展且适应性强的柔性机器人。它们通常包括一个气压驱动的柔性腔。一旦在该柔性腔内施加压力，机器人将会变形并一直保持变形后的形状。空气的广泛可用性使得这种机器人有望用于开发廉价而强大的柔性机器人。然而，为了保持气动机器人的致动效果，大多数情况下都需要持续向柔性腔内加压，不断消耗功率。而且，使用柔性气动夹具连续向柔性腔内施加所需的压力会导致泄漏或其他机械故障的发生。针对上述问题，有必要研究一种新型多功能预应力柔性气动机器人来解决这些问题。因此，本专利技术提出一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法。通过将弹性但不可拉伸的片材附着在预拉伸的弹性体上，而后将预拉伸的弹性体与未拉伸的弹性体进行多种组合，利用弹性体的拉伸来储存弹性能量并加工多功能预应力柔性气动机器人。这种机器人能够制造零功率柔性夹持器和管道爬行器。零功率夹持器能利用其预应力弹性体层中储存的弹性能量，以零功率承受高达自身重量数十倍的力。管道爬行器可以在管道内行走。同时，由于在气动控制期间抵消了预应力柔性气动机器人中存储的弹性能量，在释放气体压力后，可以实现快速地形状恢复，从而显著提高了大变形运动后柔性机器人的致动率。本专利技术通过将弹性但不可拉伸的片材(纸，纺织品或塑料)附着在预应力弹性体的加工方法，成功制备出不同形状的多功能预应力柔性气动机器人。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法，其成本低、加工高效并易于操作，能够制造零功率的预应力柔性气动管道爬行器和预应力柔性气动零功率夹持器，预应力柔性气动管道爬行器可以在管道内爬行，预应力柔性气动零功率夹持器能利用其储存的弹性能量，以零功率承受高达自身重量数十倍的力；此外，在气动响应过程中，可以实现快速地形状恢复，这种加工方法的制造成本低，操作简单，加工效率高且易于大规模加工生产。本专利技术的实施例是这样实现的：一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法，其特征在于，加工方法包括以下步骤：S1、柔性弹性体的制备：配置橡胶弹性体溶液，通过旋涂或模具成型的方式制备为片状结构，得到未固化的弹性体样品，而后用使用热板对其固化，获得柔性弹性体样品；S2、预应力弹性体的制备：使用用于拉伸的装置将柔性弹性体样品的两端进行拉伸，得到拉伸的弹性体样品，采用片材并在表面滴加少量未固化的橡胶弹性体溶液，而后将拉伸的弹性体样品附着在片材上，得到未固化的预应力弹性体样品，然后固化成型，再从片材上拆下获得预应力弹性体样品；S3、将弹性体样品和预应力弹性体样品搭建组合，并连接为内部空心的单元体结构，其中单元体结构设置有胶管，以向单元体结构内注入气体而膨胀体积；S4、多功能预应力柔性气动机器人的制备：将上述步骤制备的多个单元体结构进行连接组合，得到预应力柔性气动机器人。在本专利技术较佳的实施例中，上述S1中，采用匀胶机进行旋涂而得到薄片形的片状结构，通过调整匀胶机的转速和时间可调节片状结构的厚度。在本专利技术较佳的实施例中，上述S3中的柔性弹性体样品和预应力弹性体样品的组合连接，通过未固化的橡胶弹性体溶液胶接，或使用胶体/胶水黏贴连接。在本专利技术较佳的实施例中，上述S1中的橡胶弹性体溶液的原材料不限于硅橡胶、丁晴橡胶、氟橡胶和聚硫橡胶。在本专利技术较佳的实施例中，上述S2中片材包括具有弹性且不可拉伸的纸、纺织品或塑料，但不限于聚酯、纤维素混合纸。在本专利技术较佳的实施例中，上述S2中柔性弹性体拉伸时的拉伸率λ范围为1～3。在本专利技术较佳的实施例中，上述S1和S2中的固化温度范围为40℃～80℃，固化时间为2～6小时。在本专利技术较佳的实施例中，上述预应力柔性气动机器人按照S1-S4加工得到，先按照S1-S3加工出单元体结构，再按照S4将多个单元体结构连接组合，预应力柔性气动机器人通过连接组合，得到多种不同的结构。在本专利技术较佳的实施例中，上述预应力柔性气动机器人为预应力柔性气动管道爬行器，预应力柔性气动管道爬行器的单元体结构为爬行器单元体结构，预应力柔性气动管道爬行器通过爬行器单元体结构膨胀而在管道内移动，预应力柔性气动管道爬行器包括多个伸缩结构、多个支撑结构、连接件和底板，伸缩结构和支撑结构相互间隔且通过连接件和底板连接，伸缩结构为沿爬行方向的多个爬行器单元体结构，支撑结构为在垂直于爬行方向且可膨胀的多个爬行器单元体结构，支撑结构膨胀时，支撑结构的单元体结构支撑在管道内壁，伸缩结构膨胀时，伸缩结构在管道内壁伸缩爬行，爬行器单元体结构由柔性弹性体、预应力弹性体、单元体封口板和硅胶管组合制成。在本专利技术较佳的实施例中，上述预应力柔性气动机器人为预应力柔性气动零功率夹持器，预应力柔性气动零功率夹持器的单元体结构为夹持器单元体结构，预应力柔性气动管道爬行器通过不同夹持器单元体结构相互靠近而夹取物体，预应力柔性气动零功率夹持器包括柔性臂和固定件，至少两个柔性臂连接至固定件，柔性臂包括多个首尾连接的夹持器单元体结构，夹持器单元体结构由柔性弹性体、预应力弹性体、硅胶管和单元体封口板组合制成，柔性臂注入气体时膨胀，至少两个柔性臂释放气体时向中心处弯曲，以夹取物体。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过对柔性弹性体进行拉伸并附着在有弹性但不可拉伸的片材上，将弹性能量储存在预应力弹性体上并加工出预应力弹性体，而后将未拉伸的柔性弹性体和拉伸的预应力弹性体相结合，组装出不同的结构，进而制备出预应力柔性气动管道爬行器和预应力柔性气动零功率夹持器；总体而言，该多功能预应力柔性气动机器人具有制备成本低、制备过程可控、制备简单和模块化加工的优点，此方法得到的多功能预应力柔性气动机器人为柔性机器人系统的设计提供了一种新的方法，具有很强的实用价值和广阔的应用前景，值得在业内推广。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法，其特征在于，加工方法包括以下步骤：/nS1、柔性弹性体的制备：配置橡胶弹性体溶液，通过旋涂或模具成型的方式制备为片状结构，得到未固化的弹性体样品，而后用使用热板对其固化，获得柔性弹性体样品；/nS2、预应力弹性体的制备：使用用于拉伸的装置将柔性弹性体样品的两端进行拉伸，得到拉伸的弹性体样品，采用片材并在表面滴加少量未固化的橡胶弹性体溶液，而后将拉伸的弹性体样品附着在片材上，得到未固化的预应力弹性体样品，然后固化成型，再从片材上拆下获得预应力弹性体样品；/nS3、将弹性体样品和预应力弹性体样品搭建组合，并连接为内部空心的单元体结构，其中单元体结构设置有胶管，以向单元体结构内注入气体而膨胀体积；/nS4、多功能预应力柔性气动机器人的制备：将上述步骤制备的多个单元体结构进行连接组合，得到具有不同功能的预应力柔性气动机器人。/n

【技术特征摘要】
1.一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法，其特征在于，加工方法包括以下步骤：
S1、柔性弹性体的制备：配置橡胶弹性体溶液，通过旋涂或模具成型的方式制备为片状结构，得到未固化的弹性体样品，而后用使用热板对其固化，获得柔性弹性体样品；
S2、预应力弹性体的制备：使用用于拉伸的装置将柔性弹性体样品的两端进行拉伸，得到拉伸的弹性体样品，采用片材并在表面滴加少量未固化的橡胶弹性体溶液，而后将拉伸的弹性体样品附着在片材上，得到未固化的预应力弹性体样品，然后固化成型，再从片材上拆下获得预应力弹性体样品；
S3、将弹性体样品和预应力弹性体样品搭建组合，并连接为内部空心的单元体结构，其中单元体结构设置有胶管，以向单元体结构内注入气体而膨胀体积；
S4、多功能预应力柔性气动机器人的制备：将上述步骤制备的多个单元体结构进行连接组合，得到具有不同功能的预应力柔性气动机器人。


2.根据权利要求1所述的一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法，其特征在于，所述S1中，采用匀胶机进行旋涂而得到薄片形的片状结构，通过调整匀胶机的转速和时间可调节片状结构的厚度。


3.根据权利要求2所述的一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法，其特征在于，所述S3中的柔性弹性体样品和预应力弹性体样品的组合连接，通过未固化的橡胶弹性体溶液胶接，或使用胶体/胶水黏贴连接。


4.根据权利要求3所述的一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法，其特征在于，所述S1中的橡胶弹性体溶液的原材料不限于硅橡胶、丁晴橡胶、氟橡胶和聚硫橡胶。


5.根据权利要求2所述的一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法，其特征在于，所述S2中片材包括具有弹性且不可拉伸的纸、纺织品或塑料，但不限于聚酯、纤维素混合纸。


6.根据权利要求2所述的一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋淑兰，彭勇，钱林茂，夏莉，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51