CN107116734A - 一种单气道高分子软体手指的制作工艺 - Google Patents

一种单气道高分子软体手指的制作工艺 Download PDF

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Abstract

一种单气道高分子软体手指的制作工艺，所述单气道高分子软体手指由PDMS与Ecoflex 00‑30两种橡胶复合而成，PDMS橡胶层与Ecoflex 00‑30层之间设有气腔，先将其中一种橡胶材料浇注到手指模具的型腔中固化形成下橡胶层，在固化成型的一种橡胶层上放置用于形成气腔的圆柱型模具，再向模具中浇注另一种橡胶材料并固化形成上橡胶层，最后取出圆柱型模具，得到单气道高分子软体手指。本发明提供一种多变环境中的顺应性较好、安全性较好的单气道高分子软体手指的制作工艺，采用两种橡胶复合而成。由于采用橡胶作为基础材料，其有着质量小且柔性强的特点，更适用于人机交互领域。

Description

一种单气道高分子软体手指的制作工艺
技术领域
本发明涉及软体手指的制作工艺，尤其是一种单气道高分子软体手指的制作工艺。
背景技术
随着科技的发展，机器人已经渗透到加工制造、医疗、航天和社会服务等领域，协助人类完成人力难以完成的任务，降低人类的劳动强度，改善人类的工作与生活条件。随着社会老龄化加剧、人民体质健康水平的下降，医疗、服务领域对自动化、智能化设备的需求增大，例如病患需要更加轻便而安全的手部、肢体康复器械，养老负担重的家庭需要能处理更多日常生活问题的智能化设备。可见，仿人、医疗、服务机器人拥有可观的市场需求，而由于该类机器人的工作环境与人的互动较频繁，所以对机器人的顺从性的要求高于对精度和承载能力的要求。
服务机器人中常见的有研究开发相对成熟的刚性机械手，多采用液压、电机、电气作为驱动器，虽然具有较高的精度和负载能力，但不可避免包括体积大、笨重、执行机构复杂、功率重量比低和接触操作性弱等在内的缺点，极大限制了其在社会服务、医疗康复等存在较多人机交互的领域的发展。目前，机械手大都是以刚性材料(如钢、铁、合金等)为材基的刚性机械手，多采用液压驱动，其特点是单位适用于大部分条件下的运输、抓取工作，制作工艺简单且操作性强，但其缺乏在多变环境中的顺应性，体积大，质量重。同时因其刚性结构具有伤人隐患，在人机交互领域弊端明显，危险系数较高，毫无疑问，人们很难接受服务机器人存在如此巨大的伤人隐患。
发明内容
为了克服已有刚性机械手人机交互式时的多变环境中的顺应性较差、安全性较差的不足，本发明提供一种多变环境中的顺应性较好、安全性较好的单气道高分子软体手指的制作工艺，采用两种橡胶复合而成。由于采用橡胶作为基础材料，其有着质量小且柔性强的特点，更适用于人机交互领域。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种单气道高分子软体手指的制作工艺，所述单气道高分子软体手指由聚二甲基硅氧烷PDMS与石化基聚酯Ecoflex 00-30两种橡胶复合而成，PDMS橡胶层与Ecoflex 00-30层之间设有气腔，先将其中一种橡胶材料浇注到手指模具的型腔中固化形成下橡胶层，在固化成型的一种橡胶层上放置用于形成气腔的圆柱型模具，再向模具中浇注另一种橡胶材料并固化形成上橡胶层，最后取出圆柱型模具，得到单气道高分子软体手指。
进一步，所述制作工艺包括以下步骤：
步骤一：在手指模具的型腔中喷洒脱模剂；
步骤二：配制PDMS，置于超声震荡池，并将PDMS预聚体混合物浇注于模具的型腔；
步骤三：将模具放入真空干燥箱中抽真空并保持真空状态以除去气泡，待PDMS表面不再产生气泡后将模具放入电热恒温鼓风干燥器中在设定温度下恒温固化；
步骤四：在步骤三固化的橡胶层上放入设定大小的圆柱型模具，再浇注Ecoflex00-30预聚体混合物于模具中；
步骤五：将模具再次放入真空干燥箱中抽真空以除去气泡，待Ecoflex00-30表面不再产生气泡后将模具放入，电热恒温鼓风干燥器中在设定温度下恒温固化，待固化完成后取出样品，并将样品中的圆柱型模具取出，已形成气道；得到单气道高分子软体手指。
优选的，所述步骤二中，PDMS中，预聚体(PDMS流体)与固化剂的质量比为10：1(预聚体与固化剂按照生产厂家给出的建议配比配置)；所述步骤三中，设定温度为60℃，固化时间为2小时或6小时；述步骤五中，设定温度为60℃，固化时间为20小时。
或者是：所述制作工艺包括以下步骤：
步骤一：在手指模具的型腔中喷洒脱模剂；
步骤二：配制Ecoflex 00-30，置于超声震荡池，并将PDMS预聚体混合物浇注于模具的型腔；
步骤三：将模具放入真空干燥箱中抽真空并保持真空状态以除去气泡，待PDMS表面不再产生气泡后将模具放入电热恒温鼓风干燥器中在设定温度下恒温固化；
步骤四：在步骤三固化的橡胶层上放入设定大小的圆柱型模具，再浇注PDMS预聚体混合物于模具中；
步骤五：将模具再次放入真空干燥箱中抽真空以除去气泡，待PDMS表面不再产生气泡后将模具放入，电热恒温鼓风干燥器中在设定温度下恒温固化，待固化完成后取出样品，并将样品中的圆柱型模具取出，已形成气道；得到单气道高分子软体手指。
所述步骤三中，设定温度为60℃，固化时间为30分钟；所述步骤四中，PDMS中，预聚体(PDMS流体)与固化剂的质量比为10：1(预聚体与固化剂按照生产厂家给出的建议配比配置)；所述步骤五中，设定温度为60℃，固化时间为20小时。
优选的，所述手指模具为聚四氟乙烯为基体的模具。
本发明从材料学角度设计并制备了一种以硅橡胶为基体的气动柔性机械手。该机械手由PDMS与Ecoflex 00-30两种橡胶复合而成。利用PDMS与Ecoflex 00-30在杨氏模量、断裂伸长率等力学性能上存在的差异特征以实现机械手的运动与控制。通过调整固化剂配比、固化时间及固化温度等参数来考察不同固化工艺对PDMS与Ecoflex00-30的力学性能及两者复合物的界面结合作用的影响，以取得力学性能与固化工艺的关系。通过合适的橡胶固化工艺，采用浇筑法得到软体手指。
气动柔性机械手则可以在一定程度上弥补刚性机械手的不足，其根据人手的结构特点和运动特性制成，用以实现类似于人手与环境交互的功能，还能完成一些在人手条件下难以完成的目标。气动柔性机械手采用气压驱动器作为动力机构，以气压大小控制气动柔性机械手的抓取和移动。气动柔性机械手具有柔顺性好、功率重量比高、结构小、可控性高等优点；采用柔性高分子材料制造的执行机构，具有自由度高、机构简单、接触操作性强等优点。因此，气动柔性机械手具有较高的顺从性，以此获得自我恢复能力和安全性，可见气动柔性机械手比一般钢结构机械手更适用于医疗、服务等存在较多人机交互的领域。
本发明的有益效果主要表现在：在一定程度上弥补刚性机械手的不足，其根据人手的结构特点和运动特性制成，用以实现类似于人手与环境交互的功能。将制作得到的软体手指应用到气动柔性机械手，气动柔性机械手采用气压驱动器作为动力机构，具有柔顺性好、功率重量比高、结构小等优点；采用柔性高分子材料制造的执行机构，具有自由度高、机构简单、接触操作性强等优点。因此，气动柔性机械手具有较高的顺从性，以此获得自我恢复能力和安全性，可见非常适用于医疗、服务等存在较多人机交互的领域。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。
一种单气道高分子软体手指的制作工艺，所述单气道高分子软体手指由聚二甲基硅氧烷PDMS与石化基聚酯Ecoflex 00-30两种橡胶复合而成，PDMS橡胶层与Ecoflex 00-30橡胶层之间设有气腔，先将其中一种橡胶材料浇注到手指模具的型腔中固化形成下橡胶层，在固化成型的一种橡胶层上放置用于形成气腔的圆柱型模具，再向模具中浇注另一种橡胶材料并固化形成上橡胶层，最后取出圆柱型模具，得到单气道高分子软体手指。
进一步，所述制作工艺包括以下步骤：
步骤一：在手指模具的型腔中喷洒脱模剂；
步骤二：配制PDMS，置于超声震荡池，并将PDMS预聚体混合物浇注于模具的型腔；
步骤三：将模具放入真空干燥箱中抽真空并保持真空状态以除去气泡，待PDMS表面不再产生气泡后将模具放入电热恒温鼓风干燥器中在设定温度下恒温固化；
步骤四：在步骤三固化的橡胶层上放入设定大小的圆柱型模具，再浇注Ecoflex00-30预聚体混合物于模具中；
步骤五：将模具再次放入真空干燥箱中抽真空以除去气泡，待Ecoflex00-30表面不再产生气泡后将模具放入，电热恒温鼓风干燥器中在设定温度下恒温固化，待固化完成后取出样品，并将样品中的圆柱型模具取出，已形成气道；得到单气道高分子软体手指。
优选的，所述步骤二中，PDMS中，预聚体(PDMS流体)与固化剂的质量比为10：1(预聚体与固化剂按照生产厂家给出的建议配比配置)；所述步骤三中，设定温度为60℃，固化时间为2小时或6小时；所述步骤五中，设定温度为60℃，固化时间为20小时。
或者是：所述制作工艺包括以下步骤：
步骤一：在手指模具的型腔中喷洒脱模剂；
步骤二：配制Ecoflex 00-30，置于超声震荡池，并将PDMS预聚体混合物浇注于模具的型腔；
步骤三：将模具放入真空干燥箱中抽真空并保持真空状态以除去气泡，待PDMS表面不再产生气泡后将模具放入电热恒温鼓风干燥器中在设定温度下恒温固化；
步骤四：在步骤三固化的橡胶层上放入设定大小的圆柱型模具，再浇注PDMS预聚体混合物于模具中；
步骤五：将模具再次放入真空干燥箱中抽真空以除去气泡，待PDMS表面不再产生气泡后将模具放入，电热恒温鼓风干燥器中在设定温度下恒温固化，待固化完成后取出样品，并将样品中的圆柱型模具取出，已形成气道；得到单气道高分子软体手指。
所述步骤三中，设定温度为60℃，固化时间为30分钟；所述步骤四中，PDMS中，预聚体(PDMS流体)与固化剂的质量比为10：1(预聚体与固化剂按照生产厂家给出的建议配比配置)；所述步骤五中，设定温度为60℃，固化时间为20小时。
优选的，所述手指模具为聚四氟乙烯为基体的模具。
实例1：一种单气道高分子软体手指的制作工艺，包括以下步骤：
步骤一：在聚四氟乙烯为基体的模具中，在模具中喷洒一定量的脱模剂，保证所得橡胶可以较容易且完整的脱离模具。
步骤二：配置Ecoflex 00-30预聚体混合物，置于超声震荡池5min后将其放入于模具中，浇筑质量为22g。
步骤三：将模具放入真空干燥箱中抽真空以除去气泡，待Ecoflex00-30表面不再产生气泡后将模具放入60℃电热恒温鼓风干燥器中恒温固化30分钟。
步骤四：取出模具，放入一定大小的圆柱型模具。配制15g预聚体与固化剂的质量比为10：1的PDMS，置于超声震荡池5min。将PDMS预聚体混合物于模具中。
步骤五：将模具放入真空干燥箱中抽真空并保持真空状态15min以除去气泡。待PDMS表面不再产生气泡后将模具放入60℃电热恒温鼓风干燥器中恒温固化20小时。待固化完成后取出样品，并将样品中的圆柱型模具取出，此时样品中已形成气道。
实例2：一种单气道高分子软体手指的制作工艺，包括以下步骤：
步骤一：在聚四氟乙烯为基体的模具中，在模具中喷洒一定量的脱模剂，保证所得橡胶可以较容易且完整的脱离模具；
步骤二：配制15g预聚体与固化剂的质量比为10：1的PDMS，置于超声震荡池5min。将PDMS预聚体混合物于模具中。
步骤三：将模具放入真空干燥箱中抽真空并保持真空状态15min以除去气泡。待PDMS表面不再产生气泡后将模具放入60℃电热恒温鼓风干燥器中恒温固化两小时。
步骤四：取出模具，放入一定大小的圆柱型模具。再浇筑Ecoflex00-30预聚体混合物于模具中，浇筑质量为22g。
步骤五：将模具再次放入真空干燥箱中抽真空以除去气泡，待Ecoflex00-30表面不再产生气泡后将模具放入60℃电热恒温鼓风干燥器中恒温固化20小时，待固化完成后取出样品，并将样品中的圆柱型模具取出，此时样品中已形成气道。
实例3：一种单气道高分子软体手指的制作工艺，包括以下步骤：
步骤一：在聚四氟乙烯为基体的模具中，在模具中喷洒一定量的脱模剂，保证所得橡胶可以较容易且完整的脱离模具
步骤二：配制15g预聚体与固化剂的质量比为10：1的PDMS，置于超声震荡池5min。将PDMS预聚体混合物于模具中。
步骤三：僵模具放入真空干燥箱中抽真空并保持真空状态15min以除去气泡。待PDMS表面不再产生气泡后将模具放入60℃电热恒温鼓风干燥器中恒温固化6小时。
步骤四：取出模具，放入一定大小的圆柱型模具。再浇筑Ecoflex00-30预聚体混合物于模具中，浇筑质量为22g。
步骤五：将模具再次放入真空干燥箱中抽真空以除去气泡，待Ecoflex00-30表面不再产生气泡后将模具放入60℃电热恒温鼓风干燥器中恒温固化20小时，待固化完成后取出样品，并将样品中的圆柱型模具取出，已形成气道。

Claims (6)

1.一种单气道高分子软体手指的制作工艺，其特征在于：所述单气道高分子软体手指由聚二甲基硅氧烷PDMS与石化基聚酯Ecoflex 00-30两种橡胶复合而成，PDMS橡胶层与Ecoflex 00-30橡胶层之间设有气腔，先将其中一种橡胶材料浇注到手指模具的型腔中固化形成下橡胶层，在固化成型的一种橡胶层上放置用于形成气腔的圆柱型模具，再向模具中浇注另一种橡胶材料并固化形成上橡胶层，最后取出圆柱型模具，得到单气道高分子软体手指。
2.如权利要求1所述的单气道高分子软体手指的制作工艺，其特征在于：所述制作工艺包括以下步骤：
步骤一：在手指模具的型腔中喷洒脱模剂；
步骤二：配制PDMS，置于超声震荡池，并将PDMS预聚体混合物浇注于模具的型腔；
步骤三：将模具放入真空干燥箱中抽真空并保持真空状态以除去气泡，待PDMS表面不再产生气泡后将模具放入电热恒温鼓风干燥器中在设定温度下恒温固化；
步骤四：在步骤三固化的橡胶层上放入设定大小的圆柱型模具，再浇注Ecoflex 00-30预聚体混合物于模具中；
步骤五：将模具再次放入真空干燥箱中抽真空以除去气泡，待Ecoflex00-30表面不再产生气泡后将模具放入，电热恒温鼓风干燥器中在设定温度下恒温固化，待固化完成后取出样品，并将样品中的圆柱型模具取出，已形成气道；得到单气道高分子软体手指。
3.如权利要求2所述的单气道高分子软体手指的制作工艺，其特征在于：所述步骤二中，PDMS中，预聚体与固化剂的质量比为10：1；所述步骤三中，设定温度为60℃，固化时间为2小时或6小时；所述步骤五中，设定温度为60℃，固化时间为20小时。
4.如权利要求1所述的单气道高分子软体手指的制作工艺，其特征在于：所述制作工艺包括以下步骤：
步骤一：在手指模具的型腔中喷洒脱模剂；
步骤二：配制Ecoflex 00-30，置于超声震荡池，并将PDMS预聚体混合物浇注于模具的型腔；
步骤三：将模具放入真空干燥箱中抽真空并保持真空状态以除去气泡，待PDMS表面不再产生气泡后将模具放入电热恒温鼓风干燥器中在设定温度下恒温固化；
步骤四：在步骤三固化的橡胶层上放入设定大小的圆柱型模具，再浇注PDMS预聚体混合物于模具中；
步骤五：将模具再次放入真空干燥箱中抽真空以除去气泡，待PDMS表面不再产生气泡后将模具放入，电热恒温鼓风干燥器中在设定温度下恒温固化，待固化完成后取出样品，并将样品中的圆柱型模具取出，已形成气道；得到单气道高分子软体手指。
5.如权利要求4所述的单气道高分子软体手指的制作工艺，其特征在于：所述步骤三中，设定温度为60℃，固化时间为30分钟；所述步骤四中，PDMS中，预聚体与固化剂的质量比为10：1；所述步骤五中，设定温度为60℃，固化时间为20小时。
6.如权利要求4所述的单气道高分子软体手指的制作工艺，其特征在于：所述手指模具为聚四氟乙烯为基体的模具。
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