[发明专利]一种变刚度软体驱动器的制备方法

说明书

本发明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‑驱动”双层结构，制备出了具有变刚度能力的变刚度软体驱动器。实现了诸如“二指抓手”、“四指抓手”、“人工肌肉”的应用场景。本发明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，为设计和制备具有变刚度能力的软体驱动器提供了行之有效的新思路。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

本发明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-驱动”双层结构形式实现变刚度驱动设计。本发明所涉及的制备方法为变刚度软体驱动器负载、弯曲角度的提升提供了有效的新思路和新方法。

发明内容

本发明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。本发明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。

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-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-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；

变刚度软体驱动器的制备步骤如下：

1)变刚度层的制备：

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；