[发明专利]一种无约束轻量化柔性电热气动致动器及柔性夹爪

说明书

本发明公开了一种无约束轻量化柔性电热气动致动器及柔性夹爪。该致动器包括依次叠置的第一弹性层、储液层、第一限制层、加热层和第二限制层。第一弹性层与储液层相对侧面的边缘处密封连接。所述储液层中吸附有转换液；转换液的沸点为30℃～50℃。当转换液气化时，在第一弹性层与储液层之间形成膨胀气腔；第一限制层和第二限制层限制制动器的长度和宽度发生变化；膨胀气腔胀大使得致动器发生弯曲。本发明中使用多孔纳米纤维垫吸附沸点较低的转换液；通过将转换液加热至沸腾气化的方式，使得致动器内产生气体，发生膨胀弯曲；通过转换液的加热与冷却即可实现致动器的重复弯曲和伸直，实现了弯曲致动器的小型化和轻量化。

技术领域

本发明属于软体机器人技术领域，具体涉及一种应适用于在需柔性接触条件中轻量化、可便携、无外部栓连气泵的气动致动器及柔性夹爪。

背景技术

柔性致动器是软机器人的核心，近几年得到了迅速的发展。柔性致动器的驱动方式有很多种，其中目前最常见最成熟的驱动方式是气动驱动。气动式驱动通常是使用外部气泵，向软致动器提供高压气源。然而，在实践中，由于外部气泵的笨重和其相关机械部件的使用使得该软致动器的不具有轻量化、可携带性和可移植性等特点。而针对该问题，近些年也有利用外部热源或磁场等产生或输入气体进行气动驱动。但该种方式仍然没有解决气动驱动器的不易携带性等问题。因此本发明提出一种在可拉伸材料构成的密闭结构，可在其内部提供气源。其外部只需要连接一块小型电池供能，实现气动致动器的轻量化、可移植性功能。

发明内容

本发明的目的是提出一种实现轻量化、可携带性气动柔性驱动器系统的方法和结构，并提出一种该结构及其材料的制作流程。

第一方面，本发明提供一种无约束轻量化柔性电热气动致动器，其包括依次叠置的第一弹性层、储液层、第一限制层、加热层和第二限制层。第一弹性层与储液层相对侧面的边缘处密封连接。所述储液层中吸附有转换液；转换液的沸点为30℃～50℃。当转换液气化时，在第一弹性层与储液层之间形成膨胀气腔；第一限制层和第二限制层限制制动器的长度和宽度发生变化；膨胀气腔胀大使得致动器发生弯曲。

作为优选，该无约束轻量化柔性电热气动致动器还包括第二弹性层；第二弹性层设置在第二限制层远离加热层的一侧。

作为优选，第一弹性层和第二弹性层的材质均为硅胶。第一弹性层的杨氏模量小于第二弹性层的杨氏模量。

作为优选，所述的加热层采用电热丝。

作为优选，第一弹性层的两条长度边缘上均设置有限制条；两个限制条相互对称，且两个限制条的中部之间的间距小于两个限制条的端部之间的间距。

作为优选，所述储液层采用吸附有转换液的多孔纳米纤维垫。

作为优选，所述的多孔纳米纤维垫由聚丙烯腈和N,N-二甲基甲酰胺通过静电纺丝制成。

作为优选，所述的转换液优选Novec 7000溶液。

作为优选，储液层、第一限制层和第二限制层长宽尺寸相同，且小于第一弹性层和第二弹性层的长宽尺寸。第一弹性层与第二弹性层的相对侧面边缘处连接在一起。

该无约束轻量化柔性电热气动致动器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将聚丙烯腈溶液溶解在N,N-二甲基甲酰胺溶液中，形成聚合物溶液；将聚合物溶液加入点胶机中。点胶机输出聚合物丝，聚合物丝落在转动的滚筒收集器上；将滚筒收集器上形成筒状聚合物层取下并裁剪后滴入转换液，形成储液层。

步骤二、利用模具固化硅胶，并在固化过程中在两侧加入限制条，形成第一弹性层

步骤三、将第一弹性层、储液层、第一限制层、加热层、第二限制层依次粘接在一起。

步骤四、利用模具在第二限制层远离加热层一侧固化成型第二弹性层。