一种实现弯扭耦合变形的软体机械臂及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种实现弯扭耦合变形的软体机械臂，包括软体机械臂基体，软体机械臂基体上嵌入具有沿软体机械臂长度方向回转并偏置设定角度的柔性单元体构成的形状记忆合金层；形状记忆合金层在外部应力和温度作用下发生相态之间的转化，并在相变过程中发生变形产生焦耳热驱动软体机械臂产生呈螺旋状的弯扭耦合变形形状记忆合金层可以分为沿软体机械臂基体的方向的纵向分量和与该方向成一定夹角的倾斜分量，这两个分量分别可以实现软体机械臂的弯曲和扭转。械臂的弯曲和扭转。械臂的弯曲和扭转。

【技术实现步骤摘要】
一种实现弯扭耦合变形的软体机械臂及制作方法


[0001]本公开涉及机器人
，具体的涉及一种实现弯扭耦合变形的软体机械臂及制作方法。

技术介绍

[0002]软体机械臂凭借其优异的柔顺性、灵活性、安全性，在机器人领域具有广泛的应用前景。随着新材料、新工艺的不断发展和成熟，为软体机械臂的结构设计、生产制造和应用提供了新机遇。区别于传统的刚体机械臂，软体机械臂的研究涉及仿生学、机器人学等诸多交叉领域，其形态结构简单，设计灵活，易于制造，成本低廉，体积重量小，对某些复杂或极端的操作环境适应能力更强。此外，软体机械臂通常采用超弹性软材料作为基体，可实现传统机械臂难以具备的多自由度变形、连续变形等特性。
[0003]目前，应用到相关领域的现有软体机械臂已实现避障、抓捕等机械臂操作过程中的典型动作，其驱动器通常也由柔性材料构成，如硅酮、形状记忆聚合物、电活性聚合物和水凝胶等。这些驱动器可根据材料的特性，通过加压流体、加热、电场和化学反应来驱动驱动器。然而，在这类软体机械臂的设计中，基体材料和驱动材料大都是软材料，变形过程具有很强的非线性，难以提出比较精确的控制方法，另外，单一的弯曲动作难以满足复杂的避障和安全抓捕的需求。
[0004]形状记忆合金(shape memory alloy，简称SMA)，SMA作为一种典型的温控智能材料，其高功率密度、超弹性和形状记忆特性，天然地适用于超弹性的软材料基体(如PDMS)的驱动和控制；但是现有的SMA在应用过程中，存在变形形式单一的问题，只能弯曲或者只能扭矩，不能实现机械臂整体上不同的弯扭耦合变形能力；
[0005]而且现有的技术中只能通过多向控制才能发生相应的弯曲和扭矩，或者因弯曲而发生扭矩变化，而不是整体上实现弯扭变形；再者，控制过程中需要通过多级串联组成超冗余机械臂才能实现多自由度变形，相应的就会产生结构复杂、控制难度大、无法连续精准的控制的问题。

技术实现思路

[0006]针对现有的技术方案的不足，本专利技术旨在提供一种实现弯扭耦合变形的软体机械臂，可以同时输出弯曲和扭转两种变形效果。
[0007]为实现上述专利技术目的，本专利技术的一个或多个实施例提供了下述技术方案：
[0008]第一方面，本专利技术公开了一种实现弯扭耦合变形的软体机械臂，包括软体机械臂基体，软体机械臂基体上嵌入具有沿软体机械臂长度方向偏置一定角度的柔性单元体构成的形状记忆合金层；形状记忆合金层在外部应力和温度作用下发生相态之间的转化，并在相变过程中发生变形产生焦耳热驱动软体机械臂产生呈螺旋状的弯扭耦合变形。
[0009]作为进一步的技术方案，软体机械臂基体由超弹性的软材料基体构成梁结构，软体机械臂基体的横截面为矩形；
[0010]作为进一步的技术方案，柔性单元体由形状记忆合金编织构成丝状结构。
[0011]作为进一步的技术方案，沿软体机械臂基体的长度方向偏置设置的柔性单元体之间连通成一体化结构且沿软体机械臂基体长度方向上阵列排布。
[0012]作为进一步的技术方案，柔性单元体的直径根据柔性单元体的杨氏模量和软体机械臂基体的杨氏模量选择。
[0013]作为进一步的技术方案，形状记忆合金层包括输入端和输出端；输入端和输出端分别伸出软体机械臂基体之外连接电信号介入引脚，用以连接外部电源；形状记忆合金层在外部应力和温度作用下发生孪晶马氏体相、去孪晶马氏体相和奥氏体相三种相态之间的转化。
[0014]作为进一步的技术方案，软体机械臂基体的抗弯刚度由其杨氏模量和截面形状确定。
[0015]第二方面，本专利技术公开了一种实现弯扭耦合变形的软体机械臂的制作方法，具体步骤如下：
[0016]通过3D打印模具；
[0017]形状记忆合金层的柔性单元体由形状记忆合金按照特定形状编织在模具上；
[0018]将PDMS硅胶浇铸在模具型腔内形成软体机械臂基体；盖上模具盖板；
[0019]待一定时间后，打开盖板取出成型件。
[0020]作为进一步的技术方案，所述步骤一中的模具带有长方体结构的模具型腔，模具型腔的材料、形状、结构、尺寸与软体机械臂基体的材料、形状、结构、尺寸相同。
[0021]作为进一步的技术方案，浇铸过程要有避免气泡的有效措施，例如辅助式二次振捣。
[0022]第三方面，本专利技术公开了一种实现弯扭耦合变形的软体机械臂的制作方法，具体步骤如下：
[0023]将两张材料相同的采用PDMS硅胶薄膜按照预定尺寸切割成厚度不一、长度和宽度尺寸相同的梁结构，记为第一薄膜和第二薄膜，第一薄膜厚度尺寸大于第二薄膜的厚度尺寸；
[0024]通过PDMS液体将形状记忆合金层中的柔性单元体由形状记忆合金编织成特定的平面型结构后粘贴至第一薄膜上；
[0025]将第二薄膜粘贴至带有形状记忆合金层的第一薄膜的一面。
[0026]作为进一步的技术方案，形状记忆合金层与第一薄膜和第二薄膜应紧连接，避免产生相对滑动。
[0027]以上一个或多个技术方案的有益效果是：
[0028]1.通过编织形状记忆合金层，软体机械臂基体可同时实现弯曲和扭转耦合变形，整个软体机械臂呈螺旋形状，避免了弯扭耦合变形设计中的多模块的串并联，大大减少了机械臂结构的复杂度，解决了当前软体机械臂普遍存在的变形单一和控制精度低等问题。
[0029]2.软体机械臂基体组成均为弹性结构，结构简单，能够一体化成型，易于加工制造，并且输出变形范围广，动作执行效率高。
[0030]3.采用由一根形状记忆合金丝“一针到底”地编织后形成的形状记忆合金层，且形成偏置平面作为驱动模块，通过控制形状记忆合金丝接入的电流，即可驱动软体机械臂基
体变形发生弯扭耦合变形，可实现螺旋变形，驱动效果好且易于控制。
[0031]4.编织后的形状记忆合金层可以分为沿软体机械臂基体的方向的纵向分量和与该方向成一定夹角的倾斜分量，这两个分量分别可以实现软体机械臂的弯曲和扭转。
[0032]5.该软体机械臂的弯扭耦合变形的幅度和驱动效果，可通过对软体机械臂基体尺寸、形状记忆合金尺寸、形状记忆合金编织平面的结构参数进行精确控制。
附图说明
[0033]下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。
[0034]图1为软体机械臂的整体结构示意图；
[0035]图2为形状记忆合金层示意图；
[0036]图3为电信号输入引脚示意图；
[0037]图4为模具整体结构示意图；
[0038]图5为模具盖板结构示意图；
[0039]图6为模具底板结构示意图；
[0040]图7为模具底板俯视图；
[0041]图8为软体机械臂的结构示意图；
[0042]图9为图8所示软体机械臂的结构分解示意图；
[0043]图10为实施例二中的采用浇铸法制作软体机械臂的流程图；
[0044]图11为实施例三中的采用粘贴法制作软体机械臂的流程图；
[0045]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实现弯扭耦合变形的软体机械臂，其特征在于，包括软体机械臂基体，软体机械臂基体上嵌入具有沿软体机械臂长度方向回转并偏置设定角度的柔性单元体构成的形状记忆合金层；形状记忆合金层在外部应力和温度作用下发生相态之间的转化，并在相变过程中发生变形产生焦耳热驱动软体机械臂产生呈螺旋状的弯扭耦合变形。2.如权利要求1所述的一种实现弯扭耦合变形的软体机械臂，其特征在于，所述软体机械臂基体由超弹性的软材料基体构成梁结构，软体机械臂基体的横截面为矩形。3.如权利要求1所述的一种实现弯扭耦合变形的软体机械臂，其特征在于，所述柔性单元体由形状记忆合金编织构成丝状结构。4.如权利要求1所述的一种实现弯扭耦合变形的软体机械臂，其特征在于，沿所述软体机械臂基体的长度方向偏置设置的柔性单元体之间连通成一体化结构且沿软体机械臂基体长度方向上阵列排布。5.如权利要求1所述的一种实现弯扭耦合变形的软体机械臂，其特征在于，柔性单元体的直径根据柔性单元体的杨氏模量和软体机械臂基体的杨氏模量选择。6.如权利要求1所述的一种实现弯扭耦合变形的软体机械臂，其特征在于，所述形状记忆合金层包括输入端和输出端；输入端和输出端分别伸出软体机械臂基体之外连接电信号介入引脚，用以连接外部电源；形状记忆合金层在外...

【专利技术属性】
技术研发人员：任仲靖，谢可才，李承阳，闫鹏，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：