一种变刚度软体驱动器的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种变刚度软体驱动器的制备方法，是以具备变刚度能力的聚己内酯和加热可发生体积膨胀的含乙醇硅胶为材料基础，通过模具成型，制备出可变刚度层和驱动层，通过硅胶粘合剂将变刚度层与驱动层上下粘结形成“变刚度

【技术实现步骤摘要】
一种变刚度软体驱动器的制备方法


[0001]本专利技术涉及驱动器制造领域，特别涉及一种变刚度软体驱动器的制备方法。

技术介绍

[0002]与具有复杂机械结构的传统驱动器相比，软体驱动器凭借着高顺应性和对复杂环境的适应性受到了极大的关注，可以通过简单的结构实现复杂的、智能的机械变形，已被用于爬行机器人，软体抓手，水下机器人，手术机器人等诸多领域。这使得软体驱动器成为设计和制造软体机器人、人工肌肉的理想材料。然而，由于组成材料的低刚度的特性，目前的软体机器人难以执行一些需要高负载的任务，这极大的限制了其广泛应用。为解决该问题，国内外研究学者进行了大量的研究，主要集中在在软体驱动器中加入变刚度的功能，目前主要的变刚度实现方式有颗粒堵塞材料；流体聚合物复合材料；电、磁流变材料；形状记忆材料；热塑性材料；液晶弹性体；弹性体复合材料；相变复合材料等。以上研究虽然取得了一定的效果，但仍存在着诸多不足之处：1、大多数变刚度软体驱动器使用气动驱动，而气动装置体积和质量过大；2、需要使用高电压驱动，对操作人员存在潜在危险；3、制备流程复杂，制备成本较高，不适合大规模应用。因此，如何制备变刚度范围大、成本低、制备简单、低电压、大形变的变刚度软体驱动器亟待进一步研究。
[0003]本专利技术从材料合成和结构角度出发，通过模具成型制备出一种电热驱动可变刚度的乙醇相变驱动的软体驱动器。聚己内酯作为变刚度材料，无水乙醇作为相变材料形式，创新的采用“变刚度层”和“驱动层”相互叠加互不干扰的“变刚度
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驱动”双层结构形式实现变刚度驱动设计。本专利技术所涉及的制备方法为变刚度软体驱动器负载、弯曲角度的的提升提供了有效的新思路和新方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术通过模具成型制备出一种电热驱动可变刚度的乙醇相变驱动的软体驱动器，以硅胶为基体，创新性的采用“变刚度层”和“驱动层”相互叠加互不干扰的形式实现变刚度驱动设计，将变刚度层粘连在驱动层上，实现独立的电热驱动。结合结构设计，实现软体驱动器的变刚度驱动。本专利技术寻求一种变刚度范围大、成本低、制备简单、低电压、形变大的变刚度软体驱动器制备方法，突破传统柔性驱动器刚度低，驱动电压高，驱动设备大的缺点，为医药科学、软体机器人、人工肌肉等领域内，软体驱动器的设计与开发提供一种行之有效的新方法。
[0005]一种变刚度软体驱动器的制备方法，本技术方案是以具备变刚度能力的聚己内酯作为变刚度层，加热可发生体积膨胀的含乙醇硅胶作为驱动层，通过“变刚度
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驱动”双层结构设计，使驱动器工作时向变刚度层一侧发生大角度弯曲，并在工作时通过调控变刚度层电源控制驱动器刚度，制备出了低电压控制、具有大弯曲角度和变刚度能力的变刚度软体驱动器；
[0006]所述驱动层以Ecoflex0050硅胶为驱动层基体，无水乙醇为驱动层相变材料，聚己
内酯为变刚度层，0.15mm直径银导线为电热丝，通过模具成型，无水乙醇在硅胶基体中均匀分布，“变刚度
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驱动”双层结构可在2V直流电源下独立控制，利用聚己内酯升温变刚度和乙醇升温蒸发使硅胶体积膨胀的原理，实现了驱动器的变刚度和弯曲驱动的能力，结合结构设计，成功实现了比如：“二指抓手”、“四指抓手”、“人工肌肉”的应用场景；
[0007]变刚度软体驱动器的制备步骤如下：
[0008]1)变刚度层的制备：
[0009]a)变刚度层的原始材料的组成：以聚己内酯为单体，银导线为电热丝，2V直流稳压电源为控制源；
[0010]b)配料：按照a)步骤中的配料比称取原始材料，在80℃水浴条件下，首先将银电阻丝放入模具中，并在聚己内酯加热至熔融状态后加入模具，随后待模具冷却之后，取出变刚度层，至此，成功制备出电热驱动的变刚度层；
[0011]2)驱动层的制备：
[0012]c)驱动层的原始材料的组成：以Ecoflex0050硅胶为基体，99％无水乙醇为相变材料，银导线为电热丝，2V直流稳压电源为控制源；
[0013]d)配料：在室温条件下，Ecoflex0050硅胶AB组分以1：1质量比混合，加入20％体积分数的无水乙醇后搅拌5min，随后加入带有银电阻丝的模具中，室温固化4h后取出，至此，成功制备出电热驱动的驱动层；
[0014]3)变刚度软体驱动器的制备：
[0015]e)将步骤1)和步骤2)中制备出的变刚度层和驱动层用硅胶粘合剂上下粘结成“变刚度
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驱动”双层结构，上下两层用独立的2V直流电源控制，至此完成了变刚度软体驱动器的制备。
[0016]本专利技术的有益效果：
[0017]1)本专利技术以聚己内酯为变刚度层，Ecoflex0050硅胶为基体，无水乙醇做相变材料，银电阻丝为电热线，2V的直流稳压电源为控制源，通过模具成型法制备出了一种电热驱动可变刚度的乙醇相变驱动的软体驱动器，该型驱动器为上下两层的分层形式，改变了传统软体驱动器低刚度工作的模式，且具有低电压驱动，变刚度范围大，弯曲角度大的特点。
[0018]2)本专利技术通过的“变刚度层”和“驱动层”相互叠加互不干扰的形式实现变刚度驱动设计，实现了低电压、大变刚度范围，利用聚己内酯升温变刚度和乙醇升温气化使硅胶体积膨胀的原理，实现了驱动器的变刚度和弯曲驱动的能力，将仿生设计转化为仿生制备，制备过程简单高效，成型之后，变刚度层与驱动层紧密的结合。变形过程可逆、可重复。
[0019]3)结合结构设计，利用制备的电热驱动可变刚度的乙醇相变驱动的软体驱动器成功实现了比如：“二指抓手”、“四指抓手”、“人工肌肉”的应用场景，本专利技术所制备的变刚度软体驱动器应用范围广泛、变刚度范围大、制备成本低、弯曲角度大、自重负重比高，既可以用于小型驱动器零部件的应用，也可以用于大型驱动器零部件的应用。
附图说明
[0020]图1是本专利技术“变刚度层”和“驱动层”的制备及组装成变刚度软体驱动器的示意图；
[0021]图2.是本专利技术室温和加热后驱动器的储能模量和抗拉强度变化图；
[0022]图3是本专利技术变刚度软体驱动器工作流程示意图及实物图；
[0023]图4是本专利技术“二指抓手”、“四指抓手”抓取物体过程图；
[0024]图5是本专利技术“人工肌肉”驱动骨骼模型过程图。
具体实施方式
[0025]一种变刚度软体驱动器的制备方法，制备步骤如下：
[0026]1)制备变刚度层
[0027]a)变刚度层的原始材料的组成：
[0028]聚己内酯颗粒2g，银导线；聚己内酯玻璃化转变温度为62℃；银导线长度30cm，直径0.15mm；
[0029]b)、配料：
[0030]按照a)中的配料比取原始材料；在80℃水浴条件下，首先将聚己内酯颗粒熔融形成高弹态聚己内酯G；随后将高弹态聚己内酯G置入带有银导线的模具中，在室温条件下冷却至玻璃态；
[0031]2)驱动层的制备
[0032]c)驱动层的原始材料的组成：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变刚度软体驱动器的制备方法，其特征在于：本技术方案是以具备变刚度能力的聚己内酯作为变刚度层，加热可发生体积膨胀的含乙醇硅胶作为驱动层，通过“变刚度
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驱动”双层结构设计，使驱动器工作时向变刚度层一侧发生大角度弯曲，并在工作时通过调控变刚度层电源控制驱动器刚度，制备出了低电压控制、具有大弯曲角度和变刚度能力的变刚度软体驱动器；所述驱动层以Ecoflex0050硅胶为驱动层基体，无水乙醇为驱动层相变材料，聚己内酯为变刚度层，0.15mm直径银导线为电热丝，通过模具成型，无水乙醇在硅胶基体中均匀分布，“变刚度
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驱动”双层结构可在2V直流电源下独立控制，利用聚己内酯升温变刚度和乙醇升温蒸发使硅胶体积膨胀的原理，实现了驱动器的变刚度和弯曲驱动的能力，结合结构设计，成功实现了比如：“二指抓手”、“四指抓手”、“人工肌肉”的应用场景。2.根据权利要求1所述的一种变刚度软体驱动器的制备方法，其特征在于：变刚度软体驱动器的制备步骤如下：1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁云虹，庹智伟，赵骞，马愫倩，林兆华，任雷，韩志武，任露泉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：