CN108247926A - 一种气压驱动软柔混合仿生机械手模具及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气压驱动软柔混合仿生机械手模具及制备方法，模具包括模具主体、端盖、通气塞、第一气腔成型底板、第一气腔成型杆、第二气腔成型底板、第二气腔通气杆、后粘结件模具、后粘结件模具压板，不可延伸层粘合模具和不可延伸层粘合模具压板，本技术方案采用Exoflex‑20硅胶溶液配合专用模具进行机械手指的制备，并对制备方法进行了探索与改进，得出了凯夫拉线效率最佳的缠绕间距，克服了具有复合半圆柱腔结构的第二气腔的不易成型的问题。

Description

一种气压驱动软柔混合仿生机械手模具及制备方法
技术领域
本发明属于软体机器人领域，尤其是一种气压驱动软柔混合仿生机械手模具及制备方法。
背景技术
随着对机器人抓取的精度和广泛适用度的要求日益升高，机器人所要操作的对象也从规则、结构化、刚性操作对象转向混乱或非结构化领域。传统机器人机械手夹爪所使用的刚性、低自由度末端执行机构通常惯量较大且成本较高，能执行的动作类型有限，安全系数低、环境适应性差、可靠性低、传动效率低下、噪声大，在非结构化和高度拥挤的环境中常会遇到困难，已经不能满足某些空间、结构受限，环境复杂、多变，操作对象结构多样化要求。
由软体基础材料构成的仿生软体机器人具有柔性表面和超冗余度，可以利用仿生静水骨骼结构或肌肉型静水骨骼结构实现较大范围内形状、尺寸精确改变，针对操作对象、工作环境、机体自由度以及机器能耗与成本方面有很大提高。尤其在侦察、探测、救援及医疗等领域都有广阔的应用前景。针对传统刚性机器人的不足以及新型柔性仿生机器人的发展需求，研究者提出将现有柔性机器人进一步发展并拓展到传统机械手所不能实现的精确柔性抓取领域。使机械手具有无限自由度和分布式连续变形能力，可以通过柔顺变形的方式与障碍物相容，这样可以大幅降低接触力，从而搬运柔软和易碎的物品。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种气压驱动软柔混合仿生机械手模具及制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种气压驱动软柔混合仿生机械手模具，包括模具主体、端盖、通气塞、第一气腔成型底板、第一气腔成型杆、第二气腔成型底板、第二气腔通气杆、后粘结件模具、后粘结件模具压板，不可延伸层粘合模具和不可延伸层粘合模具压板，模具主体为一端封闭一端开放的槽体结构，内部为弧形槽，槽体封闭一端设置有通气杆孔，槽体开放一端与端盖第一相连接，在槽体的上方设置第一气腔成型底板和第二气腔成型底板，所述第二气腔成型底板上等距设置半圆柱体，半圆柱体上设置贯气孔，弧形槽中部设置通气塞槽，通气塞设置于通气塞槽上，通气塞将弧形槽与第一气腔成型底板、第二气腔成型底板围成的内腔空间分为第一腔体和第二腔体，所述第一气腔成型杆穿过端盖伸入第一腔体内，第二气腔通气杆穿过通气杆孔伸入第二腔体内且贯穿第二气腔成型底板的各半圆柱体(通气杆穿过各贯气孔)。
在上述技术方案中，所述通气塞由扇形部、扇翼部和通气管构成，扇翼部设置于扇形部的两侧，在扇形部顶部设置通气孔，扇形部底部设置通气管，通气孔与通气管相连通。
在上述技术方案中，所述后粘结件模具用于在第二气腔的半圆柱体气腔上部形成粘结层。
在上述技术方案中，所述后粘结件模具压板设置于后粘结件模具上，用于压盖后粘结件模具进行密封。
在上述技术方案中，所述不可延伸层粘合模具用于在仿生机械手的底部形成不可延伸层。
在上述技术方案中，所述不可延伸层粘合模具压板设置于不可延伸层粘合模具上，用于压盖不可延伸层粘合模具进行密封。
在上述技术方案中，所述第二气腔成型底板上的半圆柱体的数量为6-8个，宽度为1.8-2mm，间距为1.8-2mm。
在上述技术方案中，所述第一气腔的截面半径为5-6mm，第一气腔的长度为35-40mm。
一种气压驱动软柔混合仿生机械手的制备方法，依次按照主体制作、第二气腔密封、不可延伸层粘合和凯夫拉线包裹四个步骤进行：
步骤一、主体制作
将模具主体和端盖连接形成模具槽，将通气塞放入模具主体的弧形槽内，将第一气腔成型杆伸入穿过端盖伸入弧形槽内，在模具槽(第二腔体)的上方盖上第二气腔成型底板，从模具主体的通气杆孔内插入第二气腔通气杆，使第二气腔通气杆穿过第二气腔成型底板的各半圆柱体；将配制好的硅胶溶液灌入模具槽内，在硅胶溶液完全填满模具槽后盖上第一气腔成型底板(如图6所示)；将模具整体放入烘箱内进行固化。
步骤二、第二气腔密封
待模具固化冷却后，拔出第二气腔通气杆，开启第二气腔成型底板，将第二气腔通气杆插回至原位，在第二气腔上方放置后粘结件模具，倒入适量硅胶溶液，在后粘结件模具上盖上后粘结件模具压板(如图7所示)，硅胶固化后完成对第二气腔密封。
步骤三、不可延伸层粘合
将后粘结件模具压板和第一气腔成型底板取下，将玻璃纤维贴合于机械手表面，盖上不可延伸层粘合模具和不可延伸层粘合模具压板(如图8所示)，放入烘箱内进行固化。
步骤四、凯夫拉线包裹
打开模具，取出整体模型，拔出无气孔的第一气腔成型杆，并插入带气孔的第一气腔通气塞至最顶端，在第一气腔的外表面均匀缠绕凯夫拉线。
在上述技术方案中，所述硅胶溶液采用Smooth-On(思模)Exoflex硅胶产品，型号为Exoflex-20。
在上述技术方案中，在步骤一中，所述固化的温度为60-70℃，固化的时间为30-49min。
在上述技术方案中，在步骤三中，所述不可延伸层的厚度为0.5-2mm。
在上述技术方案中，所述凯夫拉线的缠绕间距2.6-2.8mm
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本技术方案所述一种气压驱动软柔混合仿生机械手模具及制备方法用于制备气压驱动软柔混合仿生机械手指，该仿生机械手指以功能占比最高的食指结构参数为参考，采用双关节气动执行器代替人手三关节手指，以实现在有效抓取的同时达到结构最简化。仿生机械手指第一气腔(模拟手指的第一关节)设计为单半圆柱腔，旨在通过小角度弯曲实现对被抓取物的大范围定位；第二气腔(模拟手指的第二、三关节)设计为复合半圆柱腔，通过大角度弯曲实现对物体的抓取；该设计可以实现各部位功效最大化。
2、本技术方案采用Exoflex-20硅胶溶液配合专用模具进行机械手指的制备，并对制备方法进行了探索与改进，得出了凯夫拉线效率最佳的缠绕间距，克服了具有复合半圆柱腔结构的第二气腔的不易成型的问题。
附图说明
图1为本发明模具整体结构示意图。
图2为模具主体结构示意图。
图3为端盖结构示意图。
图4为第二气腔成型底板结构示意图。
图5为通气塞结构示意图，a为顶部视图，b为底部视图。
图6为制备过程模具平面结构示意图1。
图7为制备过程模具平面结构示意图2。
图8为制备过程模具平面结构示意图3。
其中，1为第二气腔成型底板，1-1为半圆柱体，1-2为贯气孔，2为第二气腔通气杆，3为模具主体，3-1为通气塞槽，3-2为弧形槽，3-3为边沿，3-4为通气杆孔，4为通气塞，4-1为扇形部，4-2为通气孔，4-3为扇翼部，4-4为通气管，5为端盖，6为第一气腔成型杆，7为第一气腔成型底板，8为后粘结件模具，9为后粘结件模具压板，10为不可延伸层粘合模具压板，11为不可延伸层粘合模具。
具体实施方式
下面结合附图与具体的实施方式对本发明作进一步详细描述：
以下实施例中所使用的Exoflex-20硅胶产品购自Smooth-On(思模)公司国内代理商北京天童华艺景观科技发展有限公司，技术参数见下表。
表1.Ecoflex-20相关技术参数
如图中所示，一种气压驱动软柔混合仿生机械手模具，包括模具主体3、端盖5、通气塞4、第一气腔成型底板7、第一气腔成型杆6、第二气腔成型底板1、第二气腔通气杆2、后粘结件模具8、后粘结件模具压板9，不可延伸层粘合模具11和不可延伸层粘合模具压板10，模具主体为一端封闭一端开放的槽体结构，内部为弧形槽3-2，槽体封闭一端设置有通气杆孔3-4，槽体开放一端与端盖第一相连接，在槽体的上方设置第一气腔成型底板和第二气腔成型底板，所述第二气腔成型底板上等距设置半圆柱体1-1，半圆柱体上设置贯气孔1-2，弧形槽中部设置通气塞槽3-1，通气塞设置于通气塞槽上，通气塞将弧形槽与第一气腔成型底板、第二气腔成型底板围成的内腔空间分为第一腔体和第二腔体，所述第一气腔成型杆穿过端盖伸入第一腔体内，第二气腔通气杆穿过通气杆孔伸入第二腔体内且贯穿第二气腔成型底板的各半圆柱体(通气杆穿过各通气孔)。
所述通气塞由扇形部4-1、扇翼部4-3和通气管4-4构成，扇翼部设置于扇形部的两侧，在扇形部顶部设置通气孔4-2，扇形部底部设置通气管，通气孔与通气管相连通。
所述后粘结件模具用于在第二气腔的半圆柱体气腔上部形成粘结层。
所述后粘结件模具压板设置于后粘结件模具上，用于压盖后粘结件模具进行密封。
所述不可延伸层粘合模具用于在仿生机械手的底部形成不可延伸层。
所述不可延伸层粘合模具压板设置于不可延伸层粘合模具上，用于压盖不可延伸层粘合模具进行密封。
所述第二气腔成型底板上的半圆柱体的数量为7个，宽度为2mm，间距为2mm。
所述第一气腔的截面半径为6mm，第一气腔的长度为40mm。
一种气压驱动软柔混合仿生机械手的制备方法，依次按照主体制作、第二气腔密封、不可延伸层粘合和凯夫拉线包裹四个步骤进行：
步骤一、主体制作
将模具主体和端盖连接形成模具槽，将通气塞放入模具主体的弧形槽内，将第一气腔成型杆伸入穿过端盖伸入弧形槽内，在模具槽(第二腔体)的上方盖上第二气腔成型底板，从模具主体的通气杆孔内插入第二气腔通气杆，使第二气腔通气杆穿过第二气腔成型底板的各半圆柱体；将配制好的硅胶溶液灌入模具槽内，在硅胶溶液完全填满模具槽后盖上第一气腔成型底板(如图6所示)；将模具整体放入烘箱内进行固化。
步骤二、第二气腔密封
待模具固化冷却后，拔出第二气腔通气杆，开启第二气腔成型底板，将第二气腔通气杆插回至原位，在第二气腔上方放置后粘结件模具，倒入适量硅胶溶液，在后粘结件模具上盖上后粘结件模具压板(如图7所示)，硅胶固化后完成对第二气腔密封。
步骤三、不可延伸层粘合
将后粘结件模具压板和第一气腔成型底板取下，将玻璃纤维贴合于机械手表面，盖上不可延伸层粘合模具和不可延伸层粘合模具压板(如图8所示)，放入烘箱内进行固化。
步骤四、凯夫拉线包裹
打开模具，取出整体模型，拔出无气孔的第一气腔成型杆，并插入带气孔的第一气腔通气塞至最顶端，在第一气腔的外表面均匀缠绕凯夫拉线。
在步骤一中，所述固化的温度为60℃，固化的时间为30min。
在步骤三中，所述不可延伸层的厚度为2mm。
所述凯夫拉线的缠绕间距2.8mm。
热固化技巧：
在60-70℃烘箱中进行固化步骤可以大大缩短制造时间(固化步骤可以从隔夜缩短为30min)，但不当的加热操作很有可能导致制作失败，因此在热固化的过程中也有很多注意事项。
在烤箱的高温下，模具制成的ABS材料3D模型会变得非常柔软。因此，在放置在烤箱中之前，模具外侧的任何橡皮筋或夹具都必须取下，否则会使软化模具发生凹陷和变形。再放入烤箱之前，应将浇筑好的模型放置下室温下，将夹具或橡皮筋连接至少一个小时，然后再将其放入烤箱中。这一步操作将使硅胶产生部分固化，降低泄露风险。
如果在将模具放入烤箱之前不能等待一个小时，将模具放置在烤箱固化前5分钟，然后将其放在两侧以完成固化(再次，因为模具会在这些温度下垂并开始泄漏)。建议在进行外部皮肤涂层步骤时不将其放入烤箱，而尽量过夜放置以防模型泄露。
热固化完成后，模具可以轻松地用手剥开，不需要用螺丝刀撬开。取出后可以将它们在烤箱中微微加热，然后让它们在平坦的表面上冷却以消除拆模具带来的少量形变。
减小气泡方法：
在模型制作过程中，硅胶溶液搅拌与浇筑都会给系统引入气泡，带着气泡凝固的硅胶形成的气动执行器不仅影响美观、强度大大降低，甚至还有可能造成系统。减小系统气泡的方法主要体现在以下几个方面：
在能使用真空抽取装置的情况下，尽量将搅拌好的混合液置于真空罐中静置5分钟左右，使搅拌过程中引入的气泡全部排出；不能使用真空抽取装置时，应尽量放慢搅拌速度，并沿同一方向进行搅拌。Exoflex-20硅胶的可操作时间为30分钟，足够用于搅拌与浇筑。在搅拌结束后应对混合液进行适当静置，使溶于混合液的少量气泡部分排出；与此同时，为避免浇筑过程引入大量气泡，需事先在模具表面均匀涂抹混合溶液，这一步可以减小表面张力的作用，极大减少气泡产生；操作过程适当控制室内温度。一定范围内温度越小气泡越少，制作过程中室温在25℃时模型具有最少的气泡，并具有较高的凝固速度。
表2.不同温度对模型制作的影响
以上对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种气压驱动软柔混合仿生机械手模具，其特征在于：包括模具主体、端盖、通气塞、第一气腔成型底板、第一气腔成型杆、第二气腔成型底板、第二气腔通气杆、后粘结件模具、后粘结件模具压板，不可延伸层粘合模具和不可延伸层粘合模具压板，模具主体为一端封闭一端开放的槽体结构，内部为弧形槽，槽体封闭一端设置有通气杆孔，槽体开放一端与端盖第一相连接，在槽体的上方设置第一气腔成型底板和第二气腔成型底板，所述第二气腔成型底板上等距设置半圆柱体，半圆柱体上设置贯气孔，弧形槽中部设置通气塞槽，通气塞设置于通气塞槽上，通气塞将弧形槽与第一气腔成型底板、第二气腔成型底板围成的内腔空间分为第一腔体和第二腔体，所述第一气腔成型杆穿过端盖伸入第一腔体内，第二气腔通气杆穿过通气杆孔伸入第二腔体内且贯穿第二气腔成型底板的各半圆柱体。
2.根据权利要求1所述的一种气压驱动软柔混合仿生机械手模具，其特征在于：所述通气塞由扇形部、扇翼部和通气管构成，扇翼部设置于扇形部的两侧，在扇形部顶部设置通气孔，扇形部底部设置通气管，通气孔与通气管相连通。
3.根据权利要求1所述的一种气压驱动软柔混合仿生机械手模具，其特征在于：所述后粘结件模具用于在第二气腔的半圆柱体气腔上部形成粘结层。
4.根据权利要求1所述的一种气压驱动软柔混合仿生机械手模具，其特征在于：所述后粘结件模具压板设置于后粘结件模具上，用于压盖后粘结件模具进行密封。
5.根据权利要求1所述的一种气压驱动软柔混合仿生机械手模具，其特征在于：所述不可延伸层粘合模具用于在仿生机械手的底部形成不可延伸层。
6.根据权利要求1所述的一种气压驱动软柔混合仿生机械手模具，其特征在于：所述不可延伸层粘合模具压板设置于不可延伸层粘合模具上，用于压盖不可延伸层粘合模具进行密封。
7.根据权利要求1所述的一种气压驱动软柔混合仿生机械手模具，其特征在于：所述第二气腔成型底板上的半圆柱体的数量为6-8个，宽度为1.8-2mm，间距为1.8-2mm。
8.根据权利要求1所述的一种气压驱动软柔混合仿生机械手模具，其特征在于：所述第一气腔的截面半径为5-6mm，第一气腔的长度为35-40mm。
9.一种气压驱动软柔混合仿生机械手的制备方法，其特征在于：依次按照主体制作、第二气腔密封、不可延伸层粘合和凯夫拉线包裹四个步骤进行：
步骤一、主体制作
将模具主体和端盖连接形成模具槽，将通气塞放入模具主体的弧形槽内，将第一气腔成型杆伸入穿过端盖伸入弧形槽内，在模具槽(第二腔体)的上方盖上第二气腔成型底板，从模具主体的通气杆孔内插入第二气腔通气杆，使第二气腔通气杆穿过第二气腔成型底板的各半圆柱体；将配制好的硅胶溶液灌入模具槽内，在硅胶溶液完全填满模具槽后盖上第一气腔成型底板；将模具整体放入烘箱内进行固化；
步骤二、第二气腔密封
待模具固化冷却后，拔出第二气腔通气杆，开启第二气腔成型底板，将第二气腔通气杆插回至原位，在第二气腔上方放置后粘结件模具，倒入适量硅胶溶液，在后粘结件模具上盖上后粘结件模具压板，硅胶固化后完成对第二气腔密封；
步骤三、不可延伸层粘合
将后粘结件模具压板和第一气腔成型底板取下，将玻璃纤维贴合于机械手表面，盖上不可延伸层粘合模具和不可延伸层粘合模具压板，放入烘箱内进行固化；
步骤四、凯夫拉线包裹
打开模具，取出整体模型，拔出无气孔的第一气腔成型杆，并插入带气孔的第一气腔通气塞至最顶端，在第一气腔的外表面均匀缠绕凯夫拉线。
10.根据权利要求9所述的一种气压驱动软柔混合仿生机械手的制备方法，其特征在于：所述硅胶溶液采用Smooth-On Exoflex硅胶产品，型号为Exoflex-20；在步骤一中，所述固化的温度为60-70℃，固化的时间为30-49min；在步骤三中，所述不可延伸层的厚度为0.5-2mm；所述凯夫拉线的缠绕间距为2.6-2.8mm。
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