CN110394827A - 一种多电极驱动的机械手指设计方法 - Google Patents

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刘涛
温智钊
董天云
刘豪卿
杨哲林
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
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    • B25J19/007—Means or methods for designing or fabricating manipulators

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Abstract

本发明公开了一种多电极驱动的机械手指的制作方法，包括以下步骤：S1对所用介电弹性体进行过均匀预拉伸，用固定框架截取中间最均匀的部分；S2制备合适规格的底层、顶层手指框架；S3在固定框架截取部分中布置银导线，然后两面对称地贴上手指框架；S4在手指框架的电极槽孔处涂上柔性电极；S5固定机械手指根部，两面电极分别引出连接增益电压正负极，得到多电极驱动的机械手指。本发明的多电极驱动机械手指具有良好的柔性，可适应多种环境，弯曲角度可调节，质量轻，无声驱动，快速响应等特点。

Description

一种多电极驱动的机械手指设计方法
技术领域
本发明涉及机械手指领域，尤其是涉及一种多电极驱动的柔性机械手指的制作方法。
背景技术
随着科学技术的进步，机器人尤其是工业机器人大大促进了生产力的发展；在日常生活中我们需要这种自动化机器人的场景也越来越多。然而，这些机器人一般质量很大，工作也有很大的噪音，特别是它们是由刚性结构组成，这给人机交互带来很大问题。柔性驱动器(特别是电响应柔性驱动器，具有质量轻，无声驱动，快速响应等特点)作为新一代驱动技术在近二十年来得到了突飞猛进的发展。介电弹性体驱动器作为电响应驱动器最为代表之一被世界各国学者进行大量研究。
目前软体机器人学界基本证实了PVC通电驱动的可行性：材料受到电刺激会在正极板粘附并拉伸，产生不对称形变提供动力。目前日本信州大学已经做出单点电驱动PVC提供动力的辅助行走设备，他们将电极与材料薄膜堆叠，通电产生足够的收缩力，并利用绳带将力传递到位于人膝盖的固定装置，为人的行走助力。但此装置仅利用了材料单方向收缩提供的动力，实际使用上由于驱动力的单一，灵活性十分有限。
作为理想的柔性机械手指，它必须要有多个运动自由度，这样才能够满足实际应用中的各种动作要求，此外还应该保持良好的柔性，以保证友好的人机交互；除此以外还要满足体积小、低噪声等要求。如何设计一种既能够多自由度运动，又具有相当柔性的机械手指，是一个亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种多电极驱动的机械手指制作方法，本发明可以根据需要调节机械手指对电压的相应程度，从而满足不同场景的需求。
为达到上述技术目的，本发明采取如下技术方案：一种多电极驱动的机械手指制作方法，包括以下步骤：
S1、对所用介电弹性体进行过均匀预拉伸，用固定框架截取中间最均匀的部分；
S2、制备合适规格的底层、顶层手指框架；
S3、在固定框架截取部分中布置银导线，然后两面对称地贴上手指框架；
S4、在手指框架的电极槽孔处涂上柔性电极；
S5、固定机械手指根部，两面电极分别引出连接增益电压正负极；
作为优选，所述介电弹性体选自PVC凝胶、VHB4910型3M胶、VHB4905型3M胶。
作为优选，所述步骤S1中预拉伸后介电弹性体厚度约为100μm。
作为优选，所述手指框架材料选自PET薄膜，其拉伸强度≥200MPa，断裂伸长率≥80％。
作为优选，所述步骤S2中手指框架的电极槽孔宽a为9～11mm，长b为19～21mm，两个槽孔间距d为9～11mm，外框同时每边留出9～11mm。
作为优选，所述步骤2中底层手指框架保持连续，顶层手指框架在不同的电极槽孔之间应该剪断留出空白d1约为1mm，以实现手指的弯曲取向。
作为优选，所述步骤S3中所使用的银导线直径应小于80微米。
作为优选，在所述步骤S4中的柔性电极选自黑碳粉、合成柔性电极、DDG导电膏、碳润滑油脂。
作为优选，制作的机械手指驱动电压为1KeV～5KeV。
作为优选，通过改变所述步骤S1中的预拉伸程度及所述步骤S2中的手指框架材料刚度，在所述步骤S5得到不同弯曲角度及不同电压响应特性的多电极驱动机械手指。
本发明的有益效果如下：本发明制作的机械手指在一定的电压驱动下可以无声的运动，噪音小，而且由于是电压驱动，除了极少量的充放电能耗外，耗能低。并且由于手指是由 PVC凝胶为主体，具有相当的柔性，在一些人机交互场合不会由于机构的刚性对人体造成损伤。此外，该机械手指相对于常见的机械手指还有体积小，质量轻，可折叠等优异点。
附图说明
图1为本发明实施例1一种多电极驱动的机械手指的制作方法的流程图；
图2为本发明实施例1一种多电极驱动的机械手指的制作方法的底部框架结构示意图；
图3为本发明实施例1一种多电极驱动的机械手指的制作方法的顶部结构框架示意图；
图4为本发明实施例1一种多电极驱动的机械手指的制作方法的预拉伸示意图；
图5为本发明实施例1一种多电极驱动的机械手指的制作方法的手指框架贴附示意图；
图6为本发明实施例1一种多电极驱动的机械手指的制作方法的手指结构图；
图7为本发明实施例1一种多电极驱动的机械手指的制作方法的三电极片驱动手指实物图。
具体实施方式
现在参看后文中的附图，更完整地描述本发明，在图中，显示了本发明的实施例。然而，本发明可体现为多种不同的形式，并且不应理解为限于本文中所提出的特定实施例。确切地说，这些实施例用于将本发明的范围传达给本领域的技术人员。
除非另外限定，否则，本文中所使用的术语(包括技术性和科学性术语)应理解为具有与本发明所属的领域中的技术人员通常所理解的意义相同的意义。而且，要理解的是，本文中所使用的术语应理解为具有与本说明书和相关领域中的意义一致的意义，并且不应通过理想的或者过度正式的意义对其进行解释，除非本文中明确这样规定。
实施例：
本实施例提供了一种多电极驱动的机械手指的制作方法，如图1所示，具体操作过程如下：
所述介电弹性体选自PVC凝胶、VHB4910型3M胶、VHB4905型3M胶。所述柔性电极选自黑碳粉、合成柔性电极、DDG导电膏、碳润滑油脂。本实施例采用的介电弹性体是VHB4910型3M胶，柔性电极是碳润滑油脂，手指框架为PET薄膜。所有试剂均为市场上购买，其中VHB4910型3M胶初始厚度为1000微米左右，预拉伸比为330％*330％，银导线直径应小于80微米。
本实施例的柔性电极制备方法包括：
(1)选取一块平整的PET薄膜，用记号笔在其上画出需要裁剪的顶层和底层框架(结构图如图2、图3)，然后用美工刀取下。框架大小数据见下表：
尺寸 a d b B
大小(mm) 10 10 20 40
(2)从3M胶上剪下一块合适大小的胶片，然后用拉伸器将其反复拉大，最后拉伸至所需的100微米厚度，即图4中的1，然后用固定框架截取其中间的均匀部分。
(3)在介电弹性体的上下表面根据手指框架的电极槽孔位置布置细银线，布置时放好一面的银线后立即贴上手指框架，由于介电弹性体有一定的黏性两者很容易贴合，见图5(图中铜箔为引出电极用)。顶层和底层框架必须对称地贴好，有微小的偏移可以用修剪的方法弥补。
(4)用美工刀沿着手指框架的边缘切割，取下三电极驱动手指结构，如图6所示结构图(2 为3M胶，3为导电银线，4为柔性电极，5为手指框架)
(5)在电极槽孔处给材料涂抹电极，完成机械手指的制作。
在步骤S2中可以对介电弹性体进行不同的预拉伸，最后得到不同电压响应特性的机械手指。本实施例优选的预拉伸厚度为100微米。当预拉伸厚度过薄时，会使得材料的击穿电压过低，无法工作在大的电压响应变形状态；当预拉伸厚度过厚时，只有加到5KeV以上的电压才可以驱动手指发生变形，而且变形量较小没有多大的实用意义。
测量该手指的电压响应特性，分别给其加上3keV、4keV、5keV，利用Image J测量图像轮廓的弯曲角度，如图7(标号6、7、8分别对应关节a、b、c)。得到下表的数据：
通电电压 3kV 4kV 5kV
关节a(6)初始角α<sub>1</sub> 92.861 98.409 96.562
关节a(6)通电角β<sub>1</sub> 94.709 101.065 119.175
关节a(6)弯曲量 1.848 2.656 22.613
关节b(7)初始角α<sub>2</sub> 118.66 134.469 136.140
关节b(7)通电角β<sub>2</sub> 121.071 136.072 148.671
关节b(7)弯曲量 2.411 1.603 12.531
关节c(8)初始角α<sub>3</sub> 128.532 138.832 140.217
关节c(8)通电角β<sub>3</sub> 132.864 144.001 143.325
关节c(8)弯曲量 4.332 5.169 3.108
总弯曲量 8.591 9.428 38.252
未通电时，由于材料拉力，各个关节会向内弯曲。从表中数据我们可以看到，当施加一定的电压时，三个关节均有一定的张开。实验图中关节c是向下弯的，如果将它改为向上弯曲，那么我们可以得到一个在电压驱动下类似手指的舒展过程。从另一个角度思考，关闭电压后手指将会恢复弯曲抓握状态，这就为实际应用时的物品抓取提供了基础。
由于本发明旨在提供一种新的机械手指的设计思路与结构，并未对具体的各项性能进行测定及构建数学模型，只是对其原理和规律进行了一定的探索。从已有的实验结果来看，随着材料承受电压性能的提高，可以预计未来大功率、强动力的柔性驱动器所需的电压不需要特别高，其应用范围也必将极大地扩展。

Claims (10)

1.一种多电极驱动的机械手指制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对所用介电弹性体进行过均匀预拉伸，用固定框架截取中间最均匀的部分；
S2、制备底层、顶层手指框架；
S3、在固定框架截取部分中布置银导线，然后两面对称地贴上手指框架；
S4、在手指框架的电极槽孔处涂上柔性电极；
S5、固定手指框架根部，两面电极分别引出连接增益电压正负极。
2.根据权利要求1所述的多电极驱动的机械手指制作方法，其特征在于，所述介电弹性体选自PVC凝胶、VHB4910型3M胶、VHB4905型3M胶。
3.根据权利要求1所述的多电极驱动的机械手指制作方法，其特征在于，所述步骤S1中预拉伸后介电弹性体的厚度在80～100μm。
4.根据权利要求1所述的多电极驱动的机械手指制作方法，其特征在于，所述步骤S2中手指框架选自PET薄膜，其拉伸强度≥200MPa，断裂伸长率≥80％。
5.根据权利要求1所述的多电极驱动的机械手指制作方法，其特征在于，所述步骤S2中手指框架的电极槽孔宽a为9～11mm，长b为19～21mm，两个槽孔间距d为9～11mm，外框同时每边留出9～11mm。
6.根据权利要求1所述的多电极驱动的机械手指制作方法，其特征在于，所述步骤S2中底层手指框架保持连续，顶层手指框架在不同的电极槽孔之间应该剪断留出空白d1约为1mm，以实现手指的弯曲取向。
7.根据权利要求1所述的多电极驱动的机械手指制作方法，其特征在于，所述步骤S3中所使用的银导线直径应小于80微米。
8.根据权利要求1所述的多电极驱动的机械手指制作方法，其特征在于，在所述步骤S4中的柔性电极选自黑碳粉、合成柔性电极、DDG导电膏、碳润滑油脂。
9.根据权利要求1所述的多电极驱动的机械手指制作方法，其特征在于，通过改变所述手指框架的电极片数，可以获得不同弯曲程度、电压响应的机械手指。
10.根据权利要求1所述的多电极驱动的机械手指制作方法，其特征在于，通过改变所述步骤S1中的预拉伸程度及所述步骤S2中的手指框架材料刚度，在所述步骤S5得到不同弯曲角度及不同电压响应特性的多电极驱动机械手指。
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