CN109895982B - 一种用于水下推进的软体扑翼模块制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于水下推进的软体扑翼模块制备方法，包括VHB4910预拉伸、制作柔性电极、软体扑翼搭建、粘上弯曲弹簧钢片以及亚克力肋板等步骤，其中的软体扑翼模块利用软体肌肉驱动扑翼，并引入模块化设计，便于结合水下机器人结构组装；并且该方法设计了软体肌肉作为水下推进模块，通过特殊的电路设计和外形结构设计实现多自由度运动和水下多运动形式；同时，模块化的设计为实现水下机器人的多自由度控制和水下软体机器人集群留下升级空间。
Description
技术领域
本发明属于柔性智能器件领域，特别提供了一种用于水下推进的软体扑翼模块制备方法。
背景技术
传统的电机驱动水下机器人，水下作业噪声大，整体抗压和抗冲击能力差，对环境适应能力差，这些缺点限制了水下机器人在特殊环境特殊目的的水下作业。水下软体机器人能够克服上述的缺点，但是传统的水下软体机器人，由于受驱动方式的限制，普遍无法在机器人躯体内集成独立电源，无法实现无线控制，限制了水下软体机器人其应用范围；同时软体机器人的驱动部件受驱动原理，线路排布等因素的制约普遍无法实现模块化设计。
进一步，传统的软体机器人运动形式单一，运动自由度少，无法实现高效的水下集群。软体机器人技术的发展为水下机器人的设计提供了新的思路；在柔性材料中，介电高弹聚合物(Dielectric Elastomer,DE)是一种典型的电场型EAP材料(电致变形聚合物，electro active polymer)，其在软体肌肉、传感器、驱动器、软体机器人、能量收集器、面部表情等方面有着十分广泛的应用。Ron Pelrine等人发现在介电高弹聚合物厚度方向施加电压可以引起其产生超过100％的应变。除了在外加电场的作用下会产生大形变且在撤去电场时仍能恢复形变的特性外，介电高弹聚合物还具有高弹性能密度、低价、轻质、快速响应、高生物亲和性等优点。
例如，CN105083510A公开了一种采用可变形材料及驱动薄膜的水中机器人；CN104309714A公开了一种采用全软材料的柔性智能爬行机器，并且利用智能软材料的本征应变进行驱动；CN206734590U和CN106985988A公开了一种基于介电弹性体的模块化驱动装置；CN108288922A公开了一种仿生柔性摆动致动器，包括：框架、介电弹性体、柔性电极，但却使用的是PET材料。
相比于现有技术，例如相比于CN108288922A或CN206734590U或CN 106985988A，本发明使用两层VHB薄膜，采用ABS和弹簧钢片作为框架，提高了驱动频率和力度；相比于，本发明设计了仿生扑翼变形机构，采用ABS和弹簧钢片作为框架，提高了驱动频率和力度。
总之，本发明利用介电高弹聚合物能在电场下产生大形变的特性制造软体肌肉，设计柔性驱动模块，实现水下机器人的特殊运动形式(扑水，划水等)；同时设计扑翼躯体结构，集成独立电路电源，实现自供电、传感探测、无线控制。本发明克服上述传统电机推进机器人和已有水下软体机器人存在的不足，提高环境适应能力和生物亲和性，实现多自由度控制，并预留接口，为实现水下机器人的多自由度控制和集群留下升级空间。
发明内容
本发明的目的是针对传统电机驱动水下机器人的缺点和水下软体机器人的技术局限，提供了一种用于水下推进的软体扑翼模块制备方法。
具体包括如下步骤：
步骤一、VHB4910预拉伸：采用厚度为1mm的VHB4910薄膜作为介电高弹聚合物(DE)材料，对所述VHB4910薄膜进行预拉伸，采用多点拉伸方式，总共12个拉伸点，预拉伸比例为3×3.5；拉伸完成后，将ABS材料3贴附于VHB薄膜上，其中ABS塑料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料。
步骤二、制作柔性电极：将PDMS与四氢呋喃(Tetrahydrofuran，THF)按照1：2的比例配成溶液A，将多壁碳纳米管(MWCNTs)溶于四氢呋喃中配成溶液B，然后将两种溶液A、B在30℃下分别超声清洗30min，之后再将两种溶液A、B混合，并加入PDMS固化剂后继续超声清洗30min以使多壁碳纳米管克服它们间的范德华力从而充分分散，静置等待四氢呋喃全部挥发完毕后形成碳纳米管溶液。
步骤三、软体扑翼搭建：将配置好的碳纳米管溶液涂抹在拉伸后的VHB膜上，涂抹均匀后将其放入真空干燥箱中烘焙，烘焙温度80℃，烘焙时间设定为30min；烘焙后在涂了电极的那一面盖上另一层VHB膜，并在电极上接出两条锡纸用于外接导线，均匀按压，尽可能地赶出两层膜间的所有气泡。
步骤四、粘上设计好的弯曲弹簧钢片以及亚克力肋板A，在膜的底下放置一块带有所设计外形的垫板，将膜放到垫板上，对着垫板上的纹路，粘上弯曲板并充分按压赶出气泡，所述弯曲弹簧钢片不能离火线接口太近以避免产生电火花。
步骤五、将膜翻面，在反面粘上亚克力肋板B，再将膜翻面，粘上接口附近的PET塑料，充分按压整个完全黏好的软体模块，粘接完成所有部件后将模块四周的VHB膜剪下，构建出软体扑翼模块。
进一步的，所述步骤一中，具体的拉伸方式为：将一张VHB薄膜放到拉膜机的固定架上，每个拉伸点都用夹板固定，然后每个夹板再固定在各自的丝杆上，丝杆转动使得每个夹板匀速往外扩，从而达到拉膜的目的。
进一步的，所述软体扑翼介电模块参数分别为：弹簧钢片1外轮廓尺寸：a：88.83mm，中部镂空尺寸：长度b：77.00mm，宽度c：48.03mm，d：9.84mm，距外轮廓边沿宽度e：6.50mm；亚克力肋板2宽度f：43.42mm；电极宽度g：52.00mm，长度h：61.78mm。
进一步的，所述碳纳米管溶液烘干后呈现固体状。
进一步的，所述烘干以后的电极呈现固体状。
本发明与现有技术相比，具有的如下优点：
(1)基于DE材料VHB设计独立、模块化的特殊驱动部件，最大限度地利用柔性智能材料本征应变产生的驱动力，实现特殊的驱动形式(扑水、划水等)，实现多自由度运动和多运动形式，达到较大的运动速度，也便于整合其它驱动方式的水下机器人。
(2)克服上述传统电机推进机器人水下作业噪声大、整体抗压和抗冲击能力差、对环境适应能力和生物亲和性差以及传统的软体机器人受线路排布影响运动形式单一、运动自由度少、不能模块化设计的缺点。
(3)采用弹簧钢片作为框架的弯曲板，增加人工肌肉的驱动频率和力度，提升软体扑翼对航行器的驱动速度。
(4)采用图1中的介电模块参数，此设计下的介电模块的长径比能给软体扑翼提供更大的位移。
附图说明
图1是水下推进的软体扑翼介电模块参数图。
图2是水下推进的软体扑翼整体结构图。
图中：1、弹簧钢片，2、亚克力肋板A，3、ABS材料，4、柔性电极，5、亚克力肋板B。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的用于水下推进的软体扑翼模块制备方法具体包括以下步骤：
步骤一、VHB4910预拉伸：选择1mm厚的VHB4910作为DE材料(如图1VHB薄膜4、6)，预拉伸比例为3×3.5，采用多点拉伸方式，总共12个拉伸点；将一张VHB薄膜放到拉膜机的固定架上，每个拉伸点都用夹板固定，然后每个夹板再固定在各自的丝杆上，丝杆转动使得每个夹板匀速往外扩，从而达到拉膜的目的；拉伸完成后，将ABS材料3贴附于VHB薄膜上，其中ABS塑料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料。
步骤二、柔性电极制备：选择导电高弹体来作为DE材料的柔性电极。导电高弹体制备流程如下：将PDMS与四氢呋喃(Tetrahydrofuran，THF)按照1：2的比例配成溶液，将多壁碳纳米管(MWCNTs)溶于四氢呋喃中，然后将两种溶液在30℃下分别超声清洗30min，之后再将两种溶液混合，加入PDMS固化剂继续超声清洗30min，使多壁碳纳米管克服它们间的范德华力从而充分分散，超声完毕后静置等待四氢呋喃全部挥发完毕便可以使用。
步骤三、软体扑翼搭建：将配置好的碳纳米管溶液涂抹在拉伸后的VHB膜上，形状如柔性电极4，涂抹均匀后放入真空干燥箱中烘焙，烘焙温度80℃，烘焙时间设定为30min；烘焙后在涂了电极的那一面盖上另一层VHB膜，并在电极上接出两条锡纸用于外接导线，均匀按压，尽可能地赶出两层膜间的所有气泡。
其中软体扑翼介电模块参数如图1所示，分别为：弹簧钢片1外轮廓尺寸：a：88.83mm，中部镂空尺寸：长度b：77.00mm，宽度c：48.03mm，d：9.84mm，距外轮廓边沿宽度e：6.50mm；亚克力肋板2宽度f：43.42mm；电极宽度g：52.00mm，长度h：61.78mm。此设计下的介电模块的长径比能给软体扑翼提供更大的位移。
步骤四、最后粘上设计好的弹簧钢片1以及硬骨骼亚克力肋板A2。在膜的底下放置一块带有所设计外形的垫板，将膜放到垫板上，对着垫板上的纹路，粘上弯曲板并充分按压赶出气泡，因为选择的弯曲板为弹簧钢片，所以不能离火线接口太近，不然极易产生电火花。
步骤五、将膜翻面，在反面粘上硬骨骼亚克力肋板B5，再将膜翻面，粘上接口附近的PET塑料，充分按压整个完全黏好的软体模块。此处选择的弯曲板为弹簧钢片，增加人工肌肉的驱动频率和力度。粘接完成所有部件后将模块四周的VHB膜剪下，构建出软体扑翼模块。
以上所述，仅是本发明的具体实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (5)
1.一种用于水下推进的软体扑翼模块制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、VHB4910预拉伸：采用厚度为1mm的VHB4910薄膜作为介电高弹聚合物材料，对所述VHB4910薄膜进行预拉伸，采用多点拉伸方式，总共12个拉伸点，预拉伸比例为3×3.5；拉伸完成后，将ABS材料贴附于拉伸后的VHB薄膜上；
步骤二、制作柔性电极：将PDMS与四氢呋喃按照1：2的比例配成溶液A，将多壁碳纳米管溶于四氢呋喃中配成溶液B，然后将两种溶液A、B在30℃下分别超声清洗30min，之后再将两种溶液A、B混合，并加入PDMS固化剂后继续超声清洗30min以使多壁碳纳米管克服它们间的范德华力从而充分分散，静置等待四氢呋喃全部挥发完毕后形成碳纳米管溶液；
步骤三、软体扑翼搭建：将配置好的碳纳米管溶液涂抹在拉伸后的VHB膜上，涂抹均匀后将其放入真空干燥箱中烘焙，烘焙温度80℃，烘焙时间设定为30min；烘焙后在涂了电极的那一面盖上另一层拉伸后的VHB膜，并在电极上接出两条锡纸用于外接导线，均匀按压，尽可能地赶出涂有电极的两层拉伸后的VHB膜间的所有气泡；
步骤四、粘上设计好的弯曲弹簧钢片以及亚克力肋板A：在涂有电极的两层拉伸后的VHB膜的底下放置一块带有所设计外形的垫板，对着垫板上的纹路，粘上弯曲弹簧钢片并充分按压赶出气泡，所述弯曲弹簧钢片不能离火线接口太近以避免产生电火花；
步骤五、将粘有弯曲弹簧钢片的两层拉伸后的VHB膜翻面，在反面粘上亚克力肋板B，再将粘上亚克力肋板B的两层拉伸后的VHB膜翻面，粘上接口附近的PET塑料，充分按压整个完全黏好的软体模块，粘接完成所有部件后将模块四周的VHB膜剪下，构建出软体扑翼模块。
2.根据权利要求1所述的一种用于水下推进的软体扑翼模块制备方法，其特征在于，所述步骤一中，具体的拉伸方式为：将一张VHB4910薄膜放到拉膜机的固定架上，每个拉伸点都用夹板固定，然后每个夹板再固定在各自的丝杆上，丝杆转动使得每个夹板匀速往外扩，从而达到拉膜的目的。
3.根据权利要求1所述的用于水下推进的软体扑翼模块制备方法，其特征在于，所述碳纳米管溶液烘干后呈现固体状。
4.根据权利要求1或3中任意一项所述的用于水下推进的软体扑翼模块制备方法，其特征在于，所述烘干以后的电极呈现固体状。
5.根据权利要求1或3中任意一项所述的用于水下推进的软体扑翼模块制备方法，所述的ABS材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料。
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