CN111113380B

CN111113380B - 一种pvc凝胶驱动的柔性机械抓手及其制备方法

Info

Publication number: CN111113380B
Application number: CN201911287271.9A
Authority: CN
Inventors: 朱子才; 徐雪杰; 罗斌
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2019-12-14
Filing date: 2019-12-14
Publication date: 2022-02-11
Anticipated expiration: 2039-12-14
Also published as: CN111113380A

Abstract

本发明公开了一种PVC凝胶驱动的柔性机械抓手及其制备方法，柔性外框内设置有多层PVC驱动器，柔性外框的顶部设置有柔性传感器，多层PVC驱动器由多个单层PVC驱动器堆叠构成，通过单层PVC驱动器的层数和施加电压实现物体抓取。本发明同时具有抓取功能以及传感功能，基于PVC凝胶驱动，驱动形式简单。

Description

一种PVC凝胶驱动的柔性机械抓手及其制备方法

技术领域

本发明属于机械手技术领域，具体涉及一种PVC凝胶驱动的柔性机械抓手及其制备方法。

背景技术

根据驱动机制不同，软体机器人主要驱动类型主要有以下几种：电驱动、磁驱动、化学驱动、热驱动、光驱动和气驱动。

(1)磁驱动：通过复杂的磁场设计和磁力变化控制小型结构的运动和变形。

(2)热驱动：采用形状记忆合金、形状记忆聚合物或者基于热膨胀驱动的材料制造网络结构，通过加热产生温度变化来调控材料的相态或者膨胀力，实现驱动变形效果。

(3)丝驱动：通过丝线的拉伸操控软体机械机构的弯曲运动。

(4)气驱动：通过设计多个气室，调整气压促使柔性的橡胶材料发生大尺度的变形。通过控制不同气室的变形历程，可实现复杂的运动效果。

(5)电驱动：利用电活性功能材料在电压作用下发生变形来驱动机器人，实现运动和复杂操作功能。

(6)光驱动：利用特定波长光来激励光响应材料或者生物细胞产生变形效果，从而实现机器人的运动功能。

在这些驱动形式中，磁驱动需要事先设计复杂的磁场和磁力变化；流体或者气动驱动类型需要使用的泵和压缩机来产生压缩流体，便携性较差，且其响应时间较慢，中高频特性较差；热驱动方式，主要使用形状记忆材料或水凝胶材料，一般都存在着效率较低、响应缓慢的问题。与此同时，光驱动、化学驱动等方式也存在着性能较差、适用范围窄等问题。相对而言，电驱动的激励方式最为便利且具有普适性。对于软体机器人来讲，电驱动技术主要采用的是电活性聚合物(简称EAP)，它具有能量密度高、质量轻、易于成形以及经受大变形而不易疲劳等优点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种PVC凝胶驱动的柔性机械抓手及其制备方法，具有驱动方式简单、全柔性的特点。

本发明采用以下技术方案：

一种PVC凝胶驱动的柔性机械抓手，包括柔性外框，柔性外框内设置有多层PVC驱动器，柔性外框的顶部设置有柔性传感器，多层PVC驱动器由多个单层PVC驱动器堆叠构成，通过单层PVC驱动器的层数和施加电压实现物体抓取。

具体的，单层PVC驱动器包括阳极电极、PVC凝胶薄膜和阴极电极，PVC凝胶薄膜设置在阳极电极和阴极电极之间。

进一步的，阳极电极为阳极网孔电极，使用刚性结构或柔性结构材料制备而成，网格目数为60～80目；阴极电极为阴极平面电极，使用刚性材料或柔性导电聚合物制备而成，厚度为0.02～0.08mm。

进一步的，PVC凝胶薄膜为片状结构，厚度为100～500μm。

具体的，多层PVC驱动器的层数为5～50层，施加电压为200～800V。

具体的，柔性外框采用柔性材料经浇铸或3D打印制成。

具体的，柔性电阻传感器为立体中空的网格结构，使用碳纳米管和硅橡胶的混合物利用直写3D打印技术打印制成。

本发明的另一个技术方案是，一种PVC凝胶驱动的柔性机械抓手制备的方法，通过铸膜或者直写3D打印方式将聚合物溶液制备为PVC凝胶薄膜；

以PVC凝胶薄膜作为芯层，将阳极网孔电极、PVC凝胶薄膜和阴极平面电极以三明治结构进行叠层，得到单层PVC驱动器；

对单层PVC驱动器进行堆叠，得到多层PVC驱动器；

利用直写3D打印技术，使用碳纳米管和硅橡胶的混合物直写打印立体中空的网格结构作为柔性电阻传感器；

将多层PVC驱动器放置在柔性外框中，将多层PVC驱动器的引线与外部高压放大模块连接，并将柔性电阻传感器嵌入柔性外框的顶部，得到PVC凝胶驱动的柔性机械抓手。

具体的，聚合物溶液的制备具体为：

将PVC颗粒与塑化剂己二酸二丁酯以1：(2～12)的质量比混合得到混合物，然后添加四氢呋喃进行稀释得到聚合物溶液，混合物与四氢呋喃的质量比为1：(3～12)，PVC颗粒的聚合度为1000～4000。

具体的，柔性电阻传感器中，碳纳米管的直径为2～100nm，硅橡胶包括184或ecoflex；混合物中碳纳米管的质量分数为2％～10％。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种PVC凝胶驱动的柔性机械抓手，柔性外框初始状态具有一定的弯曲角度，多个PVC驱动器放置在柔性外框中，通过电连接线与高压输出模块相连；在电压激励下智能材料PVC凝胶由于电致变形产生收缩变形，因此，通过控制器可产生驱动电压使抓手产生开合运动抓取物体；并在抓手顶部设置柔性电阻传感器对抓取的物体进行信号输出；该柔性抓手同时具有抓取功能以及传感功能，基于PVC凝胶驱动，驱动形式简单。

进一步的，单层PVC凝胶驱动器设置成三明治结构，可以最大限度的利用PVC凝胶的变形形变。

进一步的，阳极使用网格电极，使PVC凝胶在电场作用下向网格内蠕动变形从而改变位移量。阴极使用较薄的平面电极，可以尽量减小整体驱动器的厚度。

进一步的，PVC凝胶的厚度会直接影响驱动器的输出性能，厚度较大时输出性能会降低。

进一步的，随着PVC驱动器层数的增加，驱动器的输出位移和输出力都会随之增加。同时在200-800v的电压下能有效地驱动PVC驱动器。电压过低时驱动性能不明显，电压过高时容易使PVC凝胶击穿。

进一步的，柔性外框在危包证本身结构比较柔软的前提下，同时能够为叠层驱动器提供一定的预紧力，使驱动器更为紧凑。

进一步的，柔性电阻传感器工作稳定，不易受外界环境影响。

一种凝胶驱动的柔性机械抓手的制备方法，通过浇筑成型以及3D打印成型方法制备，制备工艺简单容易实现。

进一步的，使用不同的材料配比配置溶液可以得到不同弹性模量和介电常数的PVC凝胶，并通过实验得出使驱动器输出性能最佳的PVC凝胶配方。

进一步的，将碳纳米管与硅橡胶混合得出性能稳定的导电混合物并制备成电阻传感器，该传感器性能稳定，制备方式简单。

综上所述，本发明同时具有抓取功能以及传感功能，基于PVC凝胶驱动，驱动形式简单。基于PVC凝胶制备出的机械抓手，同时具有抓取和传感功能。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为PVC凝胶在电压下的变形原理示意图；

图2为抓手柔性外框示意图；

图3为柔性传感器结构示意图；

图4为柔性抓手结构组成示意图；

图5为抓手的弯曲角度与输出电压的关系图；

图6为抓取具有不同表面硬度的物体时，电阻传感器的电阻变化图。

其中：1.阳极网孔电极；2.PVC凝胶薄膜；3.阴极平面电极；4.单层PVC驱动器；5.多层PVC驱动器；6.柔性电阻传感器；7.柔性外框。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，在电活性聚合物材料中，对于介电弹性体材料(DielectricElastomer，简称DE)和离子聚合物-金属复合材料(Ionic Polymer-Metal Composites，简称IPMC)等的研究比较普遍，相比而言，IPMC材料具有驱动电压低(1～5V)、柔性、轻质、生物相容性好等优点，但是驱动力较小，响应速度较慢；DE材料具有输出力大，响应速度快等优点,但是高达数千伏的工作电压且容易击穿的缺点使得其难以在软体机器人的驱动中推广使用。PVC凝胶(Poly vinylchloride-ge1，PVC-gel)也是一种电活性聚合物，其具有高应变(13％以上)，响应速度快，工作频带宽，质量轻，工作电压介于IPMC和DE之间等优点，在电压作用下，通过适当结构设计可实现弯曲与振动两种形式的变形等优点，因而逐步引起了研究者的兴趣；PVC凝胶(Poly vinylchloride-ge1，简称PVC)也是一种电致动聚合物材料，这种材料具有高应变(10％以上)，响应速度快(0～100Hz)，工作频带宽，质量轻，工作电压介于离子聚合物和介电弹性体之间，驱动性能高(几十N)，可以实现弯曲与上下振动两种驱动形式等优点。

本发明提供了一种PVC凝胶驱动的柔性机械抓手，PVC驱动器由阳极网孔电极、PVC凝胶芯层、阴极平面电极组成；柔性传感器使用碳纳米管和硅橡胶的混合物通过直写3D打印技术制作。通过高压控制模块给PVC驱动器输入电压，可以使柔性抓手产生开合运动，从而实现抓手抓取物体的能力，通过物体与柔性传感的接触输出电阻变化信号，对所抓取的表面形状和软硬度进行识别。

请参阅图4，本发明一种PVC凝胶驱动的柔性机械抓手，包括多层PVC驱动器5、柔性传感器6和柔性外框7，多层PVC驱动器5设置在柔性外框7内，多层PVC驱动器5内设置有多个单层PVC驱动器4，柔性传感器6设置在柔性外框7的顶部。

单层PVC驱动器4包括片状结构的PVC凝胶薄膜2、带有孔状结构的阳极网孔电极1以及平面结构的阴极平面电极3，PVC凝胶薄膜2设置在阳极网孔电极1和阴极平面电极3之间。

PVC凝胶薄膜2的具体制备过程为：

用聚合度在1000～4000的PVC颗粒，与塑化剂己二酸二丁酯(DBA)以质量比1：(2～12)的比例混合，混合后再添加有机溶剂四氢呋喃进行稀释，混合物与四氢呋喃的质量比为1：(3～12)，最后通过铸膜或者直写3D打印方式制备厚度100～500μm的PVC凝胶薄膜2。

阳极网孔电极1使用刚性结构如不锈钢金属网、带有小孔结构的金属箔等，也可以使用柔性结构如导电纱布，带有孔结构的导电聚合物(炭黑、碳纳米管、石墨烯、银纳米颗粒/线等掺杂的PVC凝胶导线，镀银纱线)等材料制成，目数为60～80目。

阴极平面电极3使用刚性材料(铜箔、铝箔等)，也可以使用柔性导电聚合物等制成，厚度为0.02mm。

请参阅图2，柔性外框7采用柔性材料如TPU、ABS、硅橡胶等材料采用浇铸、3D打印等方式制作。

本发明一种PVC凝胶驱动的柔性机械抓手的制备过程如下：

利用直写3D打印技术，使用碳纳米管和硅橡胶的混合物直写打印立体中空的网格结构作为柔性电阻传感器6。

其中，碳纳米管的直径为2～100nm，硅橡胶使用但不限于184，ecoflex系列等；混合物中碳纳米管质量分数为2％～10％。

将柔性电阻传感器6安装在柔性机械抓手的抓手顶部，当柔性机械抓手抓取物体时，柔性电阻传感器6能够和物体充分接触，通过调节多层PVC驱动器5的层数(5～50层)和施加电压的范围(200～800V)来调节柔性机械抓手的弯曲角度。

请参阅图5，随着机理电压的增高，抓手的弯曲角度随之增加，最大可以达到30度以上，这样当两根或者多根抓手进行组合时，可以能完成不同形状不同体积大小的物体的抓取。

请参阅图6，在两爪式抓手抓取不同硬度的物体时，传感器能够根据抓取物体硬度的不同，进行智能识别并出书不同的信号。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

实施例1

请结合图3和图4，首先制作PVC凝胶薄膜2，称取PVC颗粒与塑化剂己二酸二丁酯(DBA)以质量比1：2的比例混合，混合后再添加有机溶剂四氢呋喃进行稀释，混合物质量与四氢呋喃的质量比为1：3，配置成聚合物溶液，通过铸膜工艺制备出100μm厚的PVC凝胶薄膜2；

阳极网孔电极1使用聚60目的不锈钢金属网，阴极平面电极3使用厚度0.02mm的铜箔；

以PVC凝胶薄膜2作为芯层，将阳极网孔电极1、PVC凝胶薄膜2和阴极平面电极3以三明治结构进行叠层，得到单层PVC驱动器4；

对单层PVC驱动器4进行堆叠，得到5层PVC驱动器5。

使用3D直写打印技术打印碳纳米管和硅橡胶混合物的立体网体格结构作为柔性电阻传感器6。

结合图4，将5层的多层PVC驱动器5放置在柔性外框7中，柔性外框7初始状态为弯曲状态，放入多层PVC驱动器5后，柔性外框7变为竖直状态；将多层PVC驱动器5的引线与外部高压放大模块连接，并将柔性电阻传感器6嵌入柔性外框7的顶部，得到一个完整的PVC凝胶驱动的柔性机械抓手；给多层PVC驱动器5输入不同的电压，可以使柔性机械抓手弯曲不同的角度用以抓取具有不同表面形状的物体。

实施例2

首先制作PVC凝胶薄膜2，称取PVC颗粒与塑化剂己二酸二丁酯(DBA)以质量比1：8的比例混合，混合后再添加有机溶剂四氢呋喃进行稀释，混合物质量与四氢呋喃的质量比为1：12，配置成聚合物溶液，通过铸膜工艺制备出300μm厚的PVC凝胶薄膜2；

阳极网孔电极1使用聚80目的不锈钢金属网，阴极平面电极3使用厚度0.08mm厚的铜箔；

以PVC凝胶薄膜2作为芯层，将阳极网孔电极1、PVC凝胶薄膜2和阴极平面电极3三者以三明治结构进行叠层，得到单层PVC驱动器4；

对单层PVC驱动器4进行堆叠，得到50层PVC驱动器5。

请参阅图4，将50层的多层PVC驱动器5放置在柔性外框7中，柔性外框7初始状态为弯曲状态，放入多层PVC驱动器5后，柔性外框7变为竖直状态；

将多层PVC驱动器5的引线与外部高压放大模块连接，并将柔性电阻传感器6嵌入柔性外框7的顶部，得到一个完整的PVC凝胶驱动的柔性机械抓手；

给多层PVC驱动器5输入不同的电压，可以使柔性机械抓手弯曲不同的角度用以抓取具有不同表面形状的物体。

实施例3

首先制作PVC凝胶薄膜2，称取PVC颗粒与塑化剂己二酸二丁酯(DBA)以质量比1：12的比例混合，混合后再添加有机溶剂四氢呋喃进行稀释，混合物质量与四氢呋喃的质量比为1：8，配置成聚合物溶液，通过铸膜工艺制备出500μm厚的PVC凝胶薄膜2；

阳极网孔电极1使用聚70目的不锈钢金属网，阴极平面电极3使用厚度0.06mm厚的铜箔；

对单层PVC驱动器4进行堆叠，得到35层PVC驱动器5。

请参阅图4，将35层的多层PVC驱动器5放置在柔性外框7中，柔性外框7初始状态为弯曲状态，放入多层PVC驱动器5后，柔性外框7变为竖直状态；

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种制备PVC凝胶驱动的柔性机械抓手的方法，其特征在于，PVC凝胶驱动的柔性机械抓手包括柔性外框（7），柔性外框（7）采用柔性材料经浇铸或3D打印制成，柔性外框（7）内设置有多层PVC驱动器（5），柔性外框（7）的顶部设置有柔性电阻传感器（6），柔性电阻传感器（6）为立体中空的网格结构，使用碳纳米管和硅橡胶的混合物利用直写3D打印技术打印制成，多层PVC驱动器（5）由多个单层PVC驱动器（4）堆叠构成，多层PVC驱动器（5）的层数为5~50层，施加电压为200~800V，通过单层PVC驱动器（4）的层数和施加电压实现物体抓取，单层PVC驱动器（4）包括阳极电极、PVC凝胶薄膜（2）和阴极电极，PVC凝胶薄膜（2）设置在阳极电极和阴极电极之间，阳极电极为阳极网孔电极（1），使用刚性结构或柔性结构材料制备而成，网格目数为60~80目；阴极电极为阴极平面电极（3），使用刚性材料或柔性导电聚合物制备而成，厚度为0.02~0.08mm，PVC凝胶薄膜（2）为片状结构，厚度为100~500μm；

通过铸膜或者直写3D打印方式将聚合物溶液制备为PVC凝胶薄膜，聚合物溶液的制备具体为：

将PVC颗粒与塑化剂己二酸二丁酯以1：2~12的质量比混合得到混合物，然后添加四氢呋喃进行稀释得到聚合物溶液，混合物与四氢呋喃的质量比为1：3~12，PVC颗粒的聚合度为1000~4000；

对单层PVC驱动器进行堆叠，得到多层PVC驱动器；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，柔性电阻传感器中，碳纳米管的直径为2~100nm，硅橡胶包括184或ecoflex；混合物中碳纳米管的质量分数为2%~10%。