CN110154082A - 一种内、外壁强化的软体机械臂及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内、外壁强化的软体机械臂及其制作方法。该软体机械臂采用分体式设计方案，分为主体部分和端盖部分，采用分体浇注的工艺制成，硅胶采用专用的硅胶粘接剂将两部分粘接起来。机械臂的硅胶单元在其内壁有一个通孔贯穿硅胶单元，通孔用以穿过前端单元的气管，内壁密封有一根长度、刚度均适宜的弹簧，通孔的轴线、弹簧的轴线均和硅胶单元的轴线重合，弹簧通过预先放置在模具中通过硅胶浇注完全密封在内壁。本发明的软体机械臂内壁增添了一根弹簧，对团体机械臂的内壁起到支撑作用，空腔充压膨胀时极大限制了空腔内壁的径向膨胀，同时对机械臂的弯曲几乎没有影响，大大提高空腔可承受的压力大小以及单位液体体积的膨胀弯曲效率。

Description

一种内、外壁强化的软体机械臂及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种液压驱动式软体机械臂，尤其涉及一种内壁弹簧强化、外壁纤维缠绕强化的软体机械臂模块设计和制作方法。

背景技术

传统刚性机器臂一般由刚性连杆通过转动关节连接而成，这样的刚性机械臂具有运动快速、轨迹控制精确以及承载能力大等优点，因结构的刚性导致其自由度较低、灵活性不足对环境的适应性较差，只能在结构化的环境下工作。

随着社会不断进步，科技和生产中对机械臂有更多的新要求，在自然环境和以人为中心的操作中，安全性和对不确定因素的适应性是基本的工作要求，而刚性机械臂本身的缺陷导致它无法满足上述要求，如军事侦察、灾害救援以及科学探究等；软体机械臂模仿自然界的软体结构，比如大象鼻臂、哺乳动物的舌头、蛇等，由可承受大应变的橡胶、硅胶、聚合物等柔性材料制成，具有自由度高、可连续变形的性质，可在大范围内改变自身的形状和尺寸。

目前已有一定针对软体机械臂的研究和应用，但大多软体机械臂为整体式，且软体机械臂的结构复杂，空腔破裂后维修更换困难，机械臂长度制作完成后就不可再改变，而且现在的软体机械臂多采用气动，难以适应水下的工作环境。且目前对空腔的强化仅停留在对空腔外壁的强化，而充压时产生的膨胀是四周方向的，分为径向膨胀以及轴向膨胀，轴向膨胀产生弯曲，径向膨胀抑制弯曲，并且膨胀太大会使空腔易破裂、安全性不高以及降低单位体积膨胀弯曲的效率，需要严格限制。

径向膨胀又分为外壁膨胀和内壁膨胀，由于内壁膨胀的存在会导致充压腔道对未充压腔道的挤压，缩减未充压腔道的空间，使腔道内部压力增大甚至使腔道中原液体逆流至液压系统从而发生泄漏或者腔道破损。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种液压驱动、内壁弹簧强化、外壁纤维强化的软体机械臂及其制作方法，制作出一种基于硅胶的软体机械臂，使其拥有良好的结构性能，机械臂整体硬度较高且经过弹簧及纤维强化，极大限制了径向膨胀，可以承受较高的内部压力，单位液体体积的弯曲膨胀效率较高，且拥有较强的带负载能力，同时拥有较广的工作范围，可代替传统机械臂在非刚性工作环境中进行作业。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种液动软体机械臂与制作方法，包括软体机械臂的设计与制作以及内外壁强化的具体方案。

此软体机械臂采用分体式设计方案，分为主体部分和端盖部分。制作软体硅胶单元采用分体浇注的工艺制成，硅胶采用专用的硅胶粘接剂将两部分粘接起来。

机械臂的硅胶单元在其中部外壁有一组旋向相反，圈数相同的螺旋线形凹槽，用来缠绕强化纤维，如：凯夫拉线，而在硅胶单元的两端均为直径小于中部的圆柱，且圆柱上有分布均匀的台阶状凹槽。硅胶单元的腔道截面为绕轴线均匀分布的三个扇形。

机械臂的硅胶单元在其内壁有一个通孔贯穿硅胶单元，通孔用以穿过前端单元的气管，内壁密封有一根长度、刚度均适宜的弹簧，通孔的轴线、弹簧的轴线均和硅胶单元的轴线重合，弹簧通过预先放置在模具中通过硅胶浇注完全密封在内壁。

此软体机械臂的连接部分由三个相同结构的瓣组成，采用PLA材料3D打印而成。三瓣连接部分组成一个整体，内表面由均匀分布台阶状凸起，用于连接相邻的两个硅胶单元，凸起的硅胶单元尺寸两端部的台阶状凹槽相对应。

此软体机械臂装配时，连接部分的三瓣通过螺钉、螺帽形成一个整体用于连接相邻的硅胶单元，下端硅胶单元的气管从上端硅胶单元通孔拉出，所有硅胶单元的气管集成在一端。当软体机械臂工作时，水泵将水压入硅胶单元的腔道中，空腔膨胀伸长使硅胶单元向反向弯曲。

硅胶单元的性能除了依靠自身结构外，还依赖于硅胶固化成型的质量。在实际制作硅胶单元的过程中，经过不断对浇注模具的改进和制作工艺的提升，制定了一套完整的制作工艺，保证了硅胶单元的加工质量，包括以下步骤：

步骤一：模具准备：

a.利用光敏树脂材料3D打印生成模具；

b.在模具内表面喷涂脱模剂；

c.模具组装。

步骤二：硅胶混合搅拌：

a.将A、B两种成分的硅胶按1:1的比例混合在一起；

b.将混合后的硅胶装入离心机中进行高速离心搅拌，使其混合均匀。

步骤三：硅胶注模成型：

a.将弹簧放置于模具中部，保证弹簧轴线和中心的型芯轴线同轴；

b.将混合均匀的硅胶注入模具中；

c.将模具放入真空箱中进行抽真空除气泡；

e.将除气泡后的模具静置，待其中的硅胶固化成型；

f.利用Dow Corning公司的Silicone Sealant硅胶粘接剂将软体单元的主体和端盖两部分粘接在一起。

步骤四：外壁强化纤维的缠绕：

a.减下长度合适的凯夫拉线；

b.将凯夫拉线沿着外壁双螺旋沟槽缠绕；

c.缠绕完成后，将凯夫拉线两端打结并用胶水固定。

作为本发明的软体机械臂的进一步改进：在软体机械臂端盖处设计了台阶状结构，增大了端盖和主体两部分的粘接面积。

作为本发明的软体机械臂的进一步改进：将软体机械臂模块化，由若干软体单元组装成较长的软体机械臂，便于维护和增添模块。

作为本发明的软体机械臂的进一步改进：在硅胶单元的内壁增添一根弹簧以对腔道内壁起支撑作用，和外壁纤维缠绕相组合，分别限制空腔的内壁膨胀和外壁膨胀，大大增强空腔的强度，以承受更大的压强。

本发明与背景技术相比，具有有益的效果是：

一，本发明的软体机械臂采用Dragon Skin30硅胶材料，具有弹性与高强度，耐水解，加工成型性更好，采用模具浇注而成，性价比高。

二，本发明的软体机械臂可模块化，硅胶单元的制作可实现批量化，较长的软体机械臂由若干模块连接而成，机械臂由若干硅胶单元组成，装配、拆卸、维修方便。

三，本发明的软体机械臂采用水压驱动，噪声小，驱动介质在水下工作环境已于取得，而且不会造成环境污染。

四，本发明的软体机械臂连接部分采用PLA材料，具有质量轻，结构简单的特点，采用3D打印工艺制作而成，三瓣组成一个整体，拆卸方便，连接可靠。

五，本发明的软体机械臂内壁增添了一根弹簧，对团体机械臂的内壁起到支撑作用，空腔充压膨胀时极大限制了空腔内壁的径向膨胀，同时对机械臂的弯曲几乎没有影响，大大提高空腔可承受的压力大小以及单位液体体积的膨胀弯曲效率。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明中软体机械臂的硅胶单元模块化制作方法的流程示意图。

图2是硅胶单元平面图。

图3是硅胶单元的端部。

图4是去除一个端部的硅胶单元。

图5是硅胶单元立体图。

图6是本发明中的连接件。

图7是本发明中连接完成的软体机械臂。

图8是本发明中使用的弹簧。

图9是弹簧放置在模具中的示意图。

图2中：2-1、硅胶单元的端盖，2-2、硅胶单元的主体。

图5中：5-1、进水口，5-2、台阶状凹槽，5-3、外壁双螺旋凹槽。

图6中：6-1、台阶状凸起，6-2、安装螺钉的通孔。

图9中：9-1、模具，9-2、弹簧。

具体实施方式

参照图1至图9，本发明由若干硅胶单元通过连接部分组成，每个硅胶单元在其中部外壁有一组旋向相反，圈数相同的螺旋线形凹槽5-3，用来缠绕强化纤维；在硅胶单元的两端均为直径小于中部的圆柱，且圆柱上有分布均匀的台阶状凹槽5-2，并开有进水口5-1；所述硅胶单元的腔道截面为绕轴线均匀分布的三个扇形，且有一个通孔贯穿硅胶单元。

所述的连接部分由三个相同结构的瓣组成，采用PLA材料3D打印而成；三瓣连接部分组成一个整体，内表面由均匀分布台阶状凸起6-1，用于连接相邻的两个硅胶单元，凸起与硅胶单元两端部的台阶状凹槽相对应。

所述硅胶单元的内壁密封有一根限制空腔内壁膨胀的弹簧9-2，所述的通孔的轴线、弹簧的轴线均和硅胶单元的轴线重合，弹簧通过预先放置在模具9-1中，通过硅胶浇注完全密封在内壁。

此软体机械臂装配时，连接部分的三瓣通过安装螺钉的通孔6-2以及与之匹配的螺钉、螺帽形成一个整体用于连接相邻的硅胶单元，下端硅胶单元的气管从上端硅胶单元通孔拉出，所有硅胶单元的气管集成在一端。当软体机械臂工作时，水泵将水压入硅胶单元的腔道中，空腔膨胀伸长使硅胶单元向反向弯曲。

本发明中的软体机械臂制作方法做进一步说明。

一种水压驱动外壁纤维强化的软体机械臂制作方法，具体包括以下步骤：

步骤一：模具准备：

a.利用光敏树脂材料3D打印生成模具：利用3维建模软件对模具进行建模并生成STL文件，将STL文件导入切片软件中进行切片处理，使用SLA光固化成型3D打印进行模具的打印；

b.在模具内表面喷涂脱模剂：组装模具，并将脱模剂均匀喷涂在分体式模具的内表面，并静置15分钟；

步骤二：硅胶混合搅拌：

a.将A、B两种组分的硅胶按1:1的比例混合在一起：按1:1的比例各取A、B两种组分的硅胶40g，加入到塑料试管中并进行手动搅拌；

b.将混合后的硅胶装入离心机中进行高速离心搅拌，使其混合均匀；

步骤三：硅胶注模成型：

a.将弹簧放置在模具的中心处；

b.将混合均匀的硅胶注入模具中；

c.将模具放入真空箱中进行抽真空除气泡：利用空压机抽真空并保持真空度-0.09MPa15分钟，使硅胶中的气泡全部逸出；

d.将除气泡后的模具静置，待其中的硅胶固化成型：在室温20摄氏度的环境中静置20小时，硅胶即可固化成型；

e.利用专用的硅胶粘接剂将硅胶单元的主体和端盖的两部分粘接在一起：将DowCorning公司的Silicone Sealant硅胶粘接剂分别涂抹在端盖部分1和主体部分2的粘接结合处，并将手指两部分按压在一起，静置半小时即可完成粘接；

步骤四：外壁缠绕强化纤维

a.减下长度合适的凯夫拉线；

b.将凯夫拉线沿着外壁双螺旋沟槽缠绕；

c.缠绕完成后，将凯夫拉线两端打结并用胶水固定；

步骤五：软体单元模块连接

a.将气管插入各个硅胶单元的气孔中，并将下一个硅胶单元的三根气管从上一个硅胶单元中间的通孔出穿出；

b.将连接件各瓣的台阶状凸起嵌入硅胶单元的台阶状凹槽中；

c.用螺钉、螺母将连接件的三瓣紧固成一个整体；

图2～图5结合给出了一种水压驱动外壁纤维缠绕强化软体机械臂，包括端盖部分2-1、主体部分2-2，利用Dow Corning公司的Silicone Sealant硅胶粘接剂将端盖部分1、主体部分2做密封性粘接。

本发明的三腔道外壁纤维缠绕强化的模块化软体机械臂的工作原理如下：

此软体机械臂设计为三腔道内臂弹簧强化、外壁纤维缠绕强化结构。当水泵向此软体机械臂空腔中通入高压液体时，空腔会产生径向膨胀和轴向伸长，由于内壁弹簧的存在以及外壁缠绕着反向双螺旋强化纤维，空腔向外壁的径向膨胀会被纤维限制，空腔向内壁的径向膨胀会被弹簧限制，从而大大增强空腔的轴向伸长，使得充气的那节硅胶单元向着另一端弯曲。同时，由于外壁纤维缠绕的作用，空腔能够承受的压力大大加强。单个软体单元为一个模块，结构、尺寸完全一致，因此可以批量制作，若干个单元通过连接件连接成长度适合的软体机械臂。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种内、外壁强化的软体机械臂，由若干硅胶单元通过连接部分组成，每个硅胶单元在其中部外壁有一组旋向相反，圈数相同的螺旋线形凹槽，用来缠绕强化纤维；在硅胶单元的两端均为直径小于中部的圆柱，且圆柱上有分布均匀的台阶状凹槽；所述硅胶单元的腔道截面为绕轴线均匀分布的三个扇形，且有一个通孔贯穿硅胶单元；

所述的连接部分由三个相同结构的瓣组成，采用PLA材料3D打印而成；三瓣连接部分组成一个整体，内表面由均匀分布台阶状凸起，用于连接相邻的两个硅胶单元，凸起与硅胶单元两端部的台阶状凹槽相对应，其特征在于：

所述硅胶单元的内壁密封有一根限制空腔内壁膨胀的弹簧，所述的通孔的轴线、弹簧的轴线均和硅胶单元的轴线重合，弹簧通过预先放置在模具中，通过硅胶浇注完全密封在内壁。

2.制备权利要求1中所述的硅胶单元的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：模具准备：

a.利用光敏树脂材料3D打印生成模具；

b.在模具内表面喷涂脱模剂；

步骤二：硅胶混合搅拌：

a.将A、B两种成分的硅胶按1:1的比例混合在一起；

b.将混合后的硅胶装入离心机中进行高速离心搅拌，使其混合均匀；

步骤三：硅胶注模成型：

a.将弹簧放置于模具中部，保证弹簧轴线和中心的型芯轴线同轴；

b.将混合均匀的硅胶注入模具中；

c.将模具放入真空箱中进行抽真空除气泡；

d.将除气泡后的模具静置，待其中的硅胶固化成型；

e.利用Dow Corning公司的Silicone Sealant硅胶粘接剂将硅胶单元的主体和端盖两部分粘接在一起，形成硅胶单元；

步骤四：外壁强化纤维的缠绕：

a.减下长度合适的凯夫拉线；

b.将凯夫拉线沿着外壁双螺旋沟槽缠绕；

c.缠绕完成后，将凯夫拉线两端打结并用胶水固定。