CN111216161B - 基于非牛顿流体驱动的变刚度柔性臂及制作方法 - Google Patents

基于非牛顿流体驱动的变刚度柔性臂及制作方法 Download PDF

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Abstract

基于非牛顿流体驱动的变刚度柔性臂及制作方法，它包括连接法兰和三个波纹管状柔性体；连接法兰下表面固接有三个波纹管状柔性体，三个波纹管状柔性体连接在一起，连接法兰的上表面做有可向波纹管状柔性体内腔注入非牛顿流体的通道，通道与波纹管状柔性体一一对应。制作方法包括：消泡处理：将密封剂倒入烧杯，抽真空，去除密封剂中的气泡；灌涂处理：将连接在一起的三个波纹管状聚氨酯热塑性弹性体完全浸入经消泡处理后的含有密封剂的烧杯中；干燥处理：将经灌涂处理的柔性体置于真空桶中静置，使密封剂自然干燥，得到三腔体的波纹管状柔性体。本发明能抵御运动干扰的能力，具有大负载，抗冲击的优点。

Description

基于非牛顿流体驱动的变刚度柔性臂及制作方法
技术领域
本发明涉及一种柔性臂及方法，具体涉及一种基于非牛顿流体驱动的变刚度柔性臂及制作方法。
背景技术
柔性机械臂是一种具有很多自由度的机器人系统，一般为欠驱动无穷自由度，本体结构通常由柔性材料制作，具有高柔顺性、复杂环境适应性及安全人机交互性等特点，目前的柔性机械臂多采用气动控制，在运动过程中可能会因碰撞等工况受到较大的外力冲击，容易造成柔性臂关节上产生极大的瞬间转矩，如果外部冲击过大，往往会造成机器人的机械结构、电路系统甚至是传感器的损坏，并且严重影响柔性臂末端位置与姿态的精确控制。
发明内容
本发明为克服现有技术不足，提供一种基于非牛顿流体驱动的变刚度柔性臂及制作方法。该变刚度柔性臂能抵御运动干扰的能力，具有大负载，抗冲击的优势。
本发明的技术方案为：
方案一：一种基于非牛顿流体驱动的变刚度柔性臂，它包括连接法兰和三个波纹管状柔性体；
连接法兰下表面固接有三个波纹管状柔性体，三个波纹管状柔性体连接在一起，连接法兰的上表面做有可向波纹管状柔性体内腔注入非牛顿流体的通道，通道与波纹管状柔性体一一对应。
方案二：一种基于非牛顿流体驱动的变刚度柔性臂的制作方法包括：
消泡处理：将密封剂倒入烧杯，将烧杯放置于真空桶中，并对真空桶抽真空，去除密封剂中的气泡；
灌涂处理：将连接在一起的三个波纹管状聚氨酯热塑性弹性体完全浸入经消泡处理后的含有密封剂的烧杯中，静置9-11秒，将静置后的柔性体从烧杯中取出，使多余的密封剂从通道自然流出，保证柔性体内外两面均被密封剂覆盖；
干燥处理：将经灌涂处理的柔性体置于真空桶中静置10-13小时，使密封剂自然干燥，得到密封性良好的连接在一起的三腔体波纹管状柔性体。
本发明相比现有技术的有益效果是：
本发明采用了三腔体的波纹管状柔性体结构，与非牛顿流体作为控制介质相结合的创新方式，解决了以往气动控制的柔性臂在运动控制中难以抵御运动干扰的能力，充分发挥出该创新型柔性臂大负载，抗冲击等性能优势。
本发明采用双层灌涂密封剂工艺对柔性体进行双层密封处理，保证了在流体加压过程中，柔性本体不发生泄漏，可使柔性臂按照理想变形情况实现弯曲及伸缩变形。
本发明首次提出了采用非牛顿流体作为柔性臂的驱动介质，充分利用了非牛顿流体遇剪切增稠的固有特性，与柔性体的本体柔性材料相结合，是柔性臂在运动中抵抗外部冲击力的理想介质。
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步地说明：
附图说明
图1为本发明的基于牛顿流体驱动的变刚度柔性体的立体图；
图2为本发明的基于牛顿流体驱动的变刚度柔性体的主视图；
图3是沿图2的C-C线的剖视图；
图4为图2的俯视图。
具体实施方式
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，显然以下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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
参见图1所示，本实施方式的一种基于非牛顿流体驱动的变刚度柔性臂，它包括连接法兰1和三个波纹管状柔性体2；
连接法兰1下表面固接有三个波纹管状柔性体2，三个波纹管状柔性体2连接在一起，三个波纹管状柔性体2通过三角状体4连接在一起，连接法兰1的上表面做有可向波纹管状柔性体2内腔注入非牛顿流体的通道1-1，通道1-1与波纹管状柔性体2一一对应。通道与波纹管状柔性体2连通。为了保证柔性臂关节可以承受外部冲击载荷，非牛顿流体是一种理想的控制柔性臂的流体介质，非牛顿流体，是指不满足牛顿黏性实验定律的流体，即其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系的流体，非牛顿流体广泛存在于生活、生产和大自然之中，绝大多数生物流体都属于现在所定义的非牛顿流体。利用非牛顿流体代替气体，作为柔性臂的控制介质，通过利用柔性臂本体中非牛顿流体的固有性质，实现被动变刚度的能力，达到承受外部冲击载荷，具备抗冲击性、高刚度性能，实现承受外部冲击载荷的性能，是实施方式的创新点。
进一步地，每个所述波纹管状柔性体2的材质为聚氨酯热塑性弹性体。耐磨性优异、耐臭氧性极好、硬度大、强度高、弹性好、耐低温，有良好的性能。所述连接在一起的三个波纹管状柔性体2由3D打印制成。有利于快速成型。
每个所述波纹管状柔性体2内外面上分别覆盖有密封剂层。优选地，密封剂采用TPU密封剂，它是以合成特殊分子结构的聚氨酯树脂为主，含酯，酮，苯类溶剂的试剂。应用于微孔密封，解决气密性问题。三腔体的波纹管状柔性体(如图1所示)为柔性臂本体采用双层灌涂密封剂工艺进行气密性及水密性处理，形成密封剂层；保证波纹管状柔性体的气密性及水密性之后，往三腔体内部注入非牛顿流体，通过非牛顿流体的容积变化，控制三腔体波纹管状柔性体机构的伸缩变形，特点在于当柔性臂末端受到外部冲击载荷时，非牛顿流体中微观自组装“粒子簇”生成，粒子间相互撞击，使体系粘度增大，宏观呈现固态性，从而使柔性臂抵抗外部冲击力。
每个波纹管状柔性体2上的每个外凸面上安装有拉线式位移传感器3。利用拉线式位移传感器3可测量波纹管状柔性体的伸缩变形的位移变化。传感器具有独立自动排线机构，保证拉伸绳自动均匀排线、保证传感器具有高独立线性精度和较长的传感器使用寿命。具有体积小，使用方便，密封性好，测量精度高，温度误差小，寿命长等优点。
另一个具体实施方式，还提供一种基于非牛顿流体驱动的变刚度柔性臂的制作方法，所述制作方法包括：
消泡处理：将密封剂倒入烧杯，将烧杯放置于真空桶中，并对真空桶抽真空，去除密封剂中的气泡；
灌涂处理：将连接在一起的三个波纹管状聚氨酯热塑性弹性体完全浸入经消泡处理后的含有密封剂的烧杯中，静置9-11秒，将静置后的柔性体从烧杯中取出，使多余的密封剂从通道自然流出，保证柔性体内外两面均被密封剂覆盖；
干燥处理：将经灌涂处理的柔性体置于真空桶中静置10-13小时，使密封剂自然干燥，得到密封性良好的连接在一起的三腔体波纹管状柔性体。将非牛顿流体通过通道注满上述经密封剂处理后的三腔体的波纹管状柔性体中，通过控制三个腔体波纹管状柔性体中非牛顿流体的容积，使波纹管状柔性体发生相应弯曲及伸缩变形。优选地，密封剂采用TPU密封剂，它是以合成特殊分子结构的聚氨酯树脂为主，含酯，酮，苯类溶剂的试剂。应用于微孔密封，解决气密性问题。
非牛顿流体在低速运动时表现出流体性质，在受到高速冲击力时瞬间表现为固体性质，此性能使三腔体波纹管状柔性臂在运动过程中可抵抗高速冲击对其的不良影响。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例。

Claims (5)

1.一种基于非牛顿流体驱动的变刚度柔性臂，其特征在于：它包括连接法兰(1)和三个波纹管状柔性体(2)；
连接法兰(1)下表面固接有三个波纹管状柔性体(2)，三个波纹管状柔性体(2)连接在一起，连接法兰(1)的上表面做有可向波纹管状柔性体(2)内腔注入非牛顿流体的通道(1-1)，通道(1-1)与波纹管状柔性体(2)一一对应，每个所述波纹管状柔性体(2)的材质为聚氨酯热塑性弹性体，每个所述波纹管状柔性体(2)内外面上分别覆盖有TPU密封剂层，通过控制三个腔体波纹管状柔性体(2)中非牛顿流体的容积，使波纹管状柔性体(2)发生相应弯曲及伸缩变形。
2.根据权利要求1所述基于非牛顿流体驱动的变刚度柔性臂，其特征在于：所述连接在一起的三个波纹管状柔性体(2)由3D打印制成。
3.根据权利要求1或2所述基于非牛顿流体驱动的变刚度柔性臂，其特征在于：每个波纹管状柔性体(2)上的每个外凸面上安装有拉线式位移传感器(3)。
4.一种基于非牛顿流体驱动的变刚度柔性臂的制作方法，其特征在于：所述制作方法包括：
消泡处理：将密封剂倒入烧杯，将烧杯放置于真空桶中，并对真空桶抽真空，去除密封剂中的气泡；
灌涂处理：将连接在一起的三个波纹管状聚氨酯热塑性弹性体完全浸入经消泡处理后的含有密封剂的烧杯中，静置9-11秒，将静置后的柔性体从烧杯中取出，使多余的密封剂从通道自然流出，保证柔性体内外两面均被密封剂覆盖；
干燥处理：将经灌涂处理的柔性体置于真空桶中静置10-13小时，使密封剂自然干燥，得到密封性良好的连接在一起的三腔体波纹管状柔性体。
5.根据权利要求4所述基于非牛顿流体驱动的变刚度柔性臂的制作方法，其特征在于：灌涂处理时静置10秒，干燥处理时置于真空桶中静置12小时。
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