CN107813300B - 一种可用于机器人的柔性智能模块的分层浇铸方法 - Google Patents

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Abstract

一种可用于机器人的柔性智能模块的分层浇铸方法，具体步骤为：将驱动骨架放置在模具中，并且将SMA丝拉伸；向模具中浇铸一定量的聚二甲基硅氧烷(PDMS)液体，在浇铸前将PDMS搅拌液放入真空箱抽取其中气泡，并将模具放入恒温箱内；在一定时间后，等待PDMS呈现固化态，但表面仍有一定粘性时，将PVC板放置在固化后的PDMS上，PVC板上有通气孔；浇铸PDMS直至灌满模具，抽取真空后放入恒温箱内；待其完全固化后，形成柔性智能模块。通过使用本发明制造的柔性智能模块，使得机器人能够进行多自由度的复杂运动，具有良好的运动能力和适应性，并且防水性能良好。

Description

一种可用于机器人的柔性智能模块的分层浇铸方法
技术领域
本发明属于机器人领域，具体涉及一种可用于机器人的柔性智能模块的分层浇铸方法。
背景技术
在自然界中，脊椎动物的运动依靠神经系统控制肌肉组织收缩、释放带动骨骼旋转，而无脊椎动物的运动是依靠肌肉组织或静水骨骼系统的变形得到。纵观机器人发展的历程，经典的机器人结构的设计灵感大多源自自然界中，尽管如此，依照自然界动物结构设计的刚性机器入远远不及与其模仿对象的运动能力和灵活性。一些研究者发现，造成这种现象产生的主要原因是驱动器及机器人机体材料与自然界中动物的差异。
在现有技术中，人们提出一种驱动方式采用绳索、弹簧等的柔性机器人，来实现更高逼真度的仿生运动及灵活性。但是，采用绳索、弹簧等方式，不能实现多自由度的复杂运动，没有良好的运动能力和适应性，并且防水性能不好。
柔性智能模块是一种多层嵌入式复合结构，其中，驱动层与恢复层平行布置在柔性层中，并与柔性层的表面保持平行。上述两个关系的平行度均会影响到模块弯曲动作：若驱动层与恢复层之间的平行度误差过大，会影响其位置的控制，同时还可能会导致模块弯曲过程变形。同样，柔性层与驱动层和恢复层之间的平行度也会导致模块弯曲变形。为了避免上述情况的发生，在柔性智能模块的制作中，采用了分层浇铸技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于机器人的柔性智能模块的分层浇铸方法，使得使用该方法制造的机器人柔性智能模块能驱动机器人进行多自由度的复杂运动，具有良好的运动能力和适应性，并且防水性能良好。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种可用于机器人的柔性智能模块的分层浇铸方法，具体步骤为：
1)将驱动骨架放置在模具中，并且将SMA丝拉伸；
2)向模具中浇铸一定量的聚二甲基硅氧烷(PDMS)液体，在浇铸前将PDMS搅拌液放入真空箱抽取其中气泡，并将模具放入恒温箱内；
3)在一定时间后，等待PDMS呈现固化态，但表面仍有一定粘性时，将PVC板放置在固化后的PDMS上，PVC板上有通气孔；
5)浇铸PDMS直至灌满模具，抽取真空后放入恒温箱内；
5)待其完全固化后，形成柔性智能模块；
所述模具是基于3D打印技术打印的模具，模具的有效长度要比驱动骨架中SMA丝长，柔性智能模块的初始状态为小角度弯曲态；
所述模具中有多个凸台，凸台1可垫高PCB板的，使得驱动骨架被完全包裹在柔性层中；由于SMA丝存在在预拉伸态，凸台2可防止PCB板被拉弯曲变形；凸台3可减小SMA丝模块表面之间的距离。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：采用本发明制造的机器人柔性智能模块，使得机器人能够进行多自由度的复杂运动，具有良好的运动能力和适应性，并且防水性能良好。
附图说明
图1是本发明的柔性智能模块的内部示意图。
图2是制造柔性智能模块的模具的示意图。
图3是制造柔性智能模块的分层浇铸过程的示意图。
图4是完全固化后的柔性智能模块的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，柔性智能模块的主要模块是作为驱动部分的驱动骨架：驱动骨架由若干根SMA丝固定在两个PCB板组成；PCB板上有定位SMA丝的定位孔，以及用于模块衔接或固定的固定孔；通过布置PCB板上定位孔之间的电路，可以实现SMA丝的串并联连接。考虑到在水下环境中的应用；采用了树脂型漆包线作为驱动骨架的连接导线。在驱动骨架的示意图中，其中L为丝的初始长度；SMA丝和树脂型漆包线通过焊锡连接和导通。经验表明，当SMA丝串联布置时，过短会导致SMA丝在运动过程中受到过大的阻碍，影响柔性智能模块的响应速度和弯曲变形。
柔性智能模块是一种多层嵌入式复合结构，其中，驱动层与恢复层平行布置在柔性层中，并与柔性层的表面保持平行。上述两个关系的平行度均会影响到模块弯曲动作：若驱动层与恢复层之间的平行度误差过大，会影响其位置的控制，同时还可能会导致模块弯曲过程变形。同样，柔性层与驱动层和恢复层之间的平行度也会导致模块弯曲变形。为了避免上述情况的发生，在柔性智能模块的制作中，采用了分层浇铸技术。图2为基于3D打印技术的模具。模具的有效长度要比驱动骨架中SMA丝长，因此，柔性智能模块的初始状态为小角度弯曲态。3D模具中有多个凸台，它们有着不同的功能：凸台1为了垫高PCB板，使得驱动骨架被完全包裹在柔性层中；由于SMA丝存在在预拉伸态，凸台2是为了防止PCB板被拉弯曲变形；凸台3是为了减小SMA丝模块表面之间的距离，加快冷却。
柔性智能模块的分层浇铸过程如图3所示，主要过程包含如下几个步骤。首先，将驱动骨架放置在模具中，由于SMA丝小于模具长度，在这个步奏中需要将SMA丝拉伸。其次，向模具中浇铸定量的PDMS液体，一般在浇铸前会将PDMS搅拌液放入真空箱抽取其中气泡，并将模具放入恒温箱内。在一定时间后，等待PDMS呈现固化态，但表面仍有一定粘性时，将PVC板放置在固化后的PDMS上；PVC板上有通气孔，用于抽取真空是更好地排除PDMS中的空气；浇铸PDMS直至灌满模具，抽取真空后放入恒温箱内。最后，完全固化后的柔性智能模块结如图4所示。
柔性智能模块的运动是平面内的弯曲变形。SMA丝的加热方式选用电加热方式，定义模块的弯曲角度为末端切线与水平线之间的夹角。模块的初始状态成弯曲态，其弯曲角度与SMA丝预紧长度、SMA丝与PVC板之问距离及PVC板刚度有关。在模块化结构的加热和冷却过程中，伴随着发生SMA丝、PDMS和空气之间的热传递和热对流过程。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。利用本发明所述技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种可用于机器人的柔性智能模块的分层浇铸方法，具体步骤为：
1)将驱动骨架放置在模具中，并且将SMA丝拉伸；
2)向模具中浇铸一定量的聚二甲基硅氧烷(PDMS)液体，在浇铸前将PDMS搅拌液放入真空箱抽取其中气泡，并将模具放入恒温箱内；
3)在一定时间后，等待PDMS呈现固化态，但表面仍有一定粘性时，将PVC板放置在固化后的PDMS上，PVC板上有通气孔；
4)浇铸PDMS直至灌满模具，抽取真空后放入恒温箱内；
5)待其完全固化后，形成柔性智能模块；
所述模具是基于3D打印技术打印的模具，模具的有效长度要比驱动骨架中SMA丝长，柔性智能模块的初始状态为小角度弯曲态；
所述模具中有多个凸台，凸台1可垫高PCB板的，使得驱动骨架被完全包裹在柔性层中；由于SMA丝存在预拉伸态，凸台2可防止PCB板被拉弯曲变形；凸台3可减小SMA丝模块表面之间的距离。
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