CN111331765B - 一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法，包括以下步骤：S1、柔性弹性体的制备，利用橡胶弹性体溶液制备片状结构并固化；S2、预应力弹性体的制备，拉伸柔性弹性体并固化；S3、将柔性弹性体和预应力弹性体搭建组合，并连接为内部空心的单元体结构；S4、多功能预应力柔性气动机器人的制备，将多个单元体结构进行连接组合成预应力柔性气动机器人。通过向单元体结构内注入气体以膨胀体积，抵消机器人中存储的弹性能量，释放气压后实现快速形状恢复，使得机器人具备爬行、夹持、抓取等功能。该机器人具有制备成本低、制备简单和模块化加工的优点，能够显著提高其大变形运动后的致动效率，具有很强的实用价值和广阔的应用前景。

Description

一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法

技术领域

本发明涉及柔性机器人技术领域，具体而言，涉及一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法。

背景技术

传统的机器人均是使用诸如钢、铝等刚性材料制成的。现已被用于帮助人们完成一些难以处理的工作，例如，重物的拾取和放置。通过对这些机器人编程，可使它们重复的高精确的完成某些工作。但是，这些刚性机器人在进行作业的过程中，可能会因为一些故障或者误操作而对人造成伤害或者摔坏搬运的物体。由柔性材料制成的柔软机器人具有与生物相似的高顺应性和适应性。这些软性材料可响应于外部刺激而变形，并且由于其简单的机理，轻巧的结构而表现出巨大的优势。

为了开发柔性机器人不同的功能，目前已经发展了几种柔性致动技术。例如，水凝胶是用水溶胀的交联聚合物，可以对多种刺激做出反应，包括浓度，温度和pH值。它们通过吸收或释放水分子来改变体积的原理进行致动。这种工作机制使其适合在水环境中使用。然而，由于它们的响应缓慢和输出的力较小，其实际应用受到限制。形状记忆合金和形状记忆聚合物会因温度变化而产生变形。它们可以保持变形的形状，直到增加热量以恢复其原始形状。但是，形状记忆合金和形状记忆聚合物机器人的低效率和慢响应速率限制了它们作为软机器人的性能。气动机器人是一种高度可扩展且适应性强的柔性机器人。它们通常包括一个气压驱动的柔性腔。一旦在该柔性腔内施加压力，机器人将会变形并一直保持变形后的形状。空气的广泛可用性使得这种机器人有望用于开发廉价而强大的柔性机器人。然而，为了保持气动机器人的致动效果，大多数情况下都需要持续向柔性腔内加压，不断消耗功率。而且，使用柔性气动夹具连续向柔性腔内施加所需的压力会导致泄漏或其他机械故障的发生。针对上述问题，有必要研究一种新型多功能预应力柔性气动机器人来解决这些问题。

因此，本发明提出一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法。通过将弹性但不可拉伸的片材附着在预拉伸的弹性体上，而后将预拉伸的弹性体与未拉伸的弹性体进行多种组合，利用弹性体的拉伸来储存弹性能量并加工多功能预应力柔性气动机器人。这种机器人能够制造零功率柔性夹持器和管道爬行器。零功率夹持器能利用其预应力弹性体层中储存的弹性能量，以零功率承受高达自身重量数十倍的力。管道爬行器可以在管道内行走。同时，由于在气动控制期间抵消了预应力柔性气动机器人中存储的弹性能量，在释放气体压力后，可以实现快速地形状恢复，从而显著提高了大变形运动后柔性机器人的致动率。本发明通过将弹性但不可拉伸的片材(纸，纺织品或塑料)附着在预应力弹性体的加工方法，成功制备出不同形状的多功能预应力柔性气动机器人。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法，其成本低、加工高效并易于操作，能够制造零功率的预应力柔性气动管道爬行器和预应力柔性气动零功率夹持器，预应力柔性气动管道爬行器可以在管道内爬行，预应力柔性气动零功率夹持器能利用其储存的弹性能量，以零功率承受高达自身重量数十倍的力；此外，在气动响应过程中，可以实现快速地形状恢复，这种加工方法的制造成本低，操作简单，加工效率高且易于大规模加工生产。

本发明的实施例是这样实现的：

一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法，其特征在于，加工方法包括以下步骤：

S1、柔性弹性体的制备：配置橡胶弹性体溶液，通过旋涂或模具成型的方式制备为片状结构，得到未固化的弹性体样品，而后用使用热板对其固化，获得柔性弹性体样品；

S2、预应力弹性体的制备：使用用于拉伸的装置将柔性弹性体样品的两端进行拉伸，得到拉伸的弹性体样品，采用片材并在表面滴加少量未固化的橡胶弹性体溶液，而后将拉伸的弹性体样品附着在片材上，得到未固化的预应力弹性体样品，然后固化成型，再从片材上拆下获得预应力弹性体样品；

S3、将弹性体样品和预应力弹性体样品搭建组合，并连接为内部空心的单元体结构，其中单元体结构设置有胶管，以向单元体结构内注入气体而膨胀体积；

S4、多功能预应力柔性气动机器人的制备：将上述步骤制备的多个单元体结构进行连接组合，得到预应力柔性气动机器人。

在本发明较佳的实施例中，上述S1中，采用匀胶机进行旋涂而得到薄片形的片状结构，通过调整匀胶机的转速和时间可调节片状结构的厚度。

在本发明较佳的实施例中，上述S3中的柔性弹性体样品和预应力弹性体样品的组合连接，通过未固化的橡胶弹性体溶液胶接，或使用胶体/胶水黏贴连接。

在本发明较佳的实施例中，上述S1中的橡胶弹性体溶液的原材料不限于硅橡胶、丁腈橡胶、氟橡胶和聚硫橡胶。

在本发明较佳的实施例中，上述S2中片材包括具有弹性且不可拉伸的纸、纺织品或塑料，但不限于聚酯、纤维素混合纸。

在本发明较佳的实施例中，上述S2中柔性弹性体拉伸时的拉伸率λ范围为1～3。

在本发明较佳的实施例中，上述S1和S2中的固化温度范围为40℃～80℃，固化时间为2～6小时。

在本发明较佳的实施例中，上述预应力柔性气动机器人按照S1-S4加工得到，先按照S1-S3加工出单元体结构，再按照S4将多个单元体结构连接组合，预应力柔性气动机器人通过连接组合，得到多种不同的结构。

在本发明较佳的实施例中，上述预应力柔性气动机器人为预应力柔性气动管道爬行器，预应力柔性气动管道爬行器的单元体结构为爬行器单元体结构，预应力柔性气动管道爬行器通过爬行器单元体结构膨胀而在管道内移动，预应力柔性气动管道爬行器包括多个伸缩结构、多个支撑结构、连接件和底板，伸缩结构和支撑结构相互间隔且通过连接件和底板连接，伸缩结构为沿爬行方向的多个爬行器单元体结构，支撑结构为在垂直于爬行方向且可膨胀的多个爬行器单元体结构，支撑结构膨胀时，支撑结构的单元体结构支撑在管道内壁，伸缩结构膨胀时，伸缩结构在管道内壁伸缩爬行，爬行器单元体结构由柔性弹性体、预应力弹性体、单元体封口板和硅胶管组合制成。

在本发明较佳的实施例中，上述预应力柔性气动机器人为预应力柔性气动零功率夹持器，预应力柔性气动零功率夹持器的单元体结构为夹持器单元体结构，预应力柔性气动管道爬行器通过不同夹持器单元体结构相互靠近而夹取物体，预应力柔性气动零功率夹持器包括柔性臂和固定件，至少两个柔性臂连接至固定件，柔性臂包括多个首尾连接的夹持器单元体结构，夹持器单元体结构由柔性弹性体、预应力弹性体、硅胶管和单元体封口板组合制成，柔性臂注入气体时膨胀，至少两个柔性臂释放气体时向中心处弯曲，以夹取物体。

本发明的有益效果是：

本发明通过对柔性弹性体进行拉伸并附着在有弹性但不可拉伸的片材上，将弹性能量储存在预应力弹性体上并加工出预应力弹性体，而后将未拉伸的柔性弹性体和拉伸的预应力弹性体相结合，组装出不同的结构，进而制备出预应力柔性气动管道爬行器和预应力柔性气动零功率夹持器；总体而言，该多功能预应力柔性气动机器人具有制备成本低、制备过程可控、制备简单和模块化加工的优点，此方法得到的多功能预应力柔性气动机器人为柔性机器人系统的设计提供了一种新的方法，具有很强的实用价值和广阔的应用前景，值得在业内推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。

图1为本发明多功能预应力柔性气动机器人加工方法的示意图；

图2为本发明预应力柔性气动管道爬行器的示意图；

图3为本发明支撑结构的工作示意图；

图4为本发明支撑结构的俯视工作示意图；

图5为本发明爬行器单元体结构的组装工作示意图；

图6为本发明连接件的示意图；

图7为本发明伸缩结构的工作示意图；

图8为本发明预应力柔性气动管道爬行器的工作过程图；

图9为本发明预应力柔性气动零功率夹持器的结构图；

图10为本发明柔性臂的工作示意图；

图11为本发明夹持器单元体结构的组装工作示意图；

图12为本发明预应力柔性气动零功率夹持器的工作过程图；

图标：1-支撑结构；2-伸缩结构；3-爬行器单元体结构；4-连接件；5-底板；6-硅胶管；7-柔性弹性体；8-预应力弹性体；9-单元体封口板；10-固定件；11-柔性臂；12-夹持器单元体结构；A1-橡胶弹性体溶液；A2-未固化的弹性体样品；A-柔性弹性体样品；B1-拉伸的弹性体样品；B2-未固化的预应力弹性体样品；B-预应力弹性体样品；C1-预应力柔性气动管道爬行器；C2-预应力柔性气动零功率夹持器。

具体实施方式

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以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。

第一实施例

请参照图1，本实施例提供一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法，该多功能预应力柔性气动机器人为预应力柔性气动管道爬行器C1，该预应力柔性气动管道爬行器C1通过单元体结构膨胀而在管道内移动，预应力柔性气动管道爬行器C1包括间隔设置的伸缩结构2和支撑结构1，伸缩结构2包括多个沿爬行方向首尾相连的单元体结构，支撑结构1包括多个在垂直于爬行方向可膨胀的单元体结构，支撑结构1膨胀时，支撑结构1的单元体结构支撑在管道内壁。

加工方法包括以下步骤：

S1、柔性弹性体7的制备：配置橡胶弹性体溶液A1，橡胶弹性体溶液A1的原材料不限于硅橡胶、丁腈橡胶、氟橡胶和聚硫橡胶，本实施例采用硅橡胶弹性体溶液A1，硅橡胶弹性体采用Ecoflex 00-30材质，将Ecoflex 00-30材质中的两种组分以1：1的比例混合并将其搅拌均匀，通过采用匀胶机进行旋涂的方式制备为薄片形的片状结构，得到未固化的弹性体样品A2，调整匀胶机的转速和时间可调节片状结构的厚度，通过倒入模具成型可以制备较厚的片状未固化的弹性体样品A2，通过调整模具的结构尺寸可以获得不同厚度的未固化的弹性体样品A2，而后用使用热板在60℃下对其固化(固化时选用不同的温度和时间可得到具有不同力学性能的弹性体)，固化时间为4小时，获得柔性弹性体样品A；

S2、预应力弹性体8的制备：使用用于拉伸的装置将柔性弹性体样品A的两端进行拉伸，得到拉伸的弹性体样品B1，本实施例中用于拉伸的装置为两个长尾夹，将两个长尾夹分别夹持在柔性弹性体7的两端，固定其中一个长尾夹的位置，用另一个长尾夹拉伸柔性弹性体7，使用长尾夹在拉伸过程中用直尺测量柔性弹性体7拉伸前后的距离，并用伸长率λ表示弹性体拉伸后长度与拉伸前的比值，对柔性弹性体样品A进行不同长度的拉伸可得到不同预应力弹性体8，选择伸长率λ为2的预应力弹性体8；采用片材并在表面滴加或涂覆少量未固化的橡胶弹性体溶液A1，或使用胶体、胶水，而后将拉伸的弹性体样品B1附着在片材上，得到未固化的预应力弹性体样品B2，待片材上橡胶弹性体溶液A1固化后，片材与柔性弹性体7将会牢固的贴合在一起，再用小刀或者剪刀沿着弹性体层将多余的片材裁掉，拆下后获得预应力弹性体样品B，预应力弹性体样品B比柔性弹性体样品A更软，以便于受力伸展变形，预应力弹性体样品B具有柔性弹性体样品A变形后的弹性能量；其中，片材包括具有弹性且不可拉伸的纸、纺织品或塑料，但不限于聚酯、纤维素混合纸，本实施例采用聚酯/纤维素混合纸TX1109。

S3、将柔性弹性体样品A和预应力弹性体样品B搭建组合，并连接为内部空心的单元体结构，其中单元体结构设置有硅胶管6，以向单元体结构内注入气体而膨胀体积；本实施例的单元体结构为四棱柱结构，将S1得到的柔性弹性体样品A和S2得到的预应力弹性体样品B，组合为四棱柱的单元体结构，该四棱柱结构的顶部和底部分别为片状的柔性弹性体7，四棱柱结构的侧面具有可伸缩变形的预应力弹性体8，四棱柱结构连接有硅胶管6，硅胶管6连接在柔性弹性体7并连通四棱柱结构内部，通过硅胶管6向四棱柱结构内注入气体以膨胀，柔性弹性体7与柔性弹性体7之间、柔性弹性体7与预应力弹性体8之间，分别通过涂覆少量未固化的橡胶弹性体溶液A1而连接固定，或使用胶体/胶水黏贴连接，之后再进行固化，固化时温度控制在60℃，时间为4小时。

S4、多功能预应力柔性气动机器人的制备：将上述步骤制备的多个单元体结构进行连接组合，得到预应力柔性气动机器人，即是预应力柔性气动管道爬行器C1，请参照图2，预应力柔性气动管道爬行器C1的单元体结构为爬行器单元体结构3，预应力柔性气动管道爬行器C1通过爬行器单元体结构3膨胀而在管道内移动，爬行器单元体结构3能够在垂直于爬行方向伸展，同时通过爬行器单元体结构3膨胀而支撑载管道内壁，爬行器单元体结构3收缩时，支撑结构1收缩并与管道内壁分离，当爬行器单元体结构3通过注入气体膨胀时，支撑结构1膨胀并与管道内壁抵靠以支撑，多个爬行器单元体结构3呈辐射状组合为支撑结构1，伸缩结构2为多个沿爬行方向设置的爬行器单元体结构3，伸缩结构2与支撑结构1相互间隔地连接，形成预应力柔性气动管道爬行器C1，支撑结构1的爬行器单元体结构3的连接、伸缩结构2的爬行器单元体结构3的连接，使用少量未固化的橡胶弹性体溶液A1进行涂覆连接，或使用胶体/胶水黏贴连接，之后再进行固化，固化时温度控制在60℃，时间为4小时。

请参照图3-图7，本实施例预应力柔性气动管道爬行器C1包括一个伸缩结构2、两个支撑结构1和连接件4，伸缩结构2连接在两个支撑结构1之间且通过连接件4连接，连接件4连接在伸缩结构2的顶部和底部，支撑结构1连接在连接件4的外侧，伸缩结构2为沿爬行方向的两个爬行器单元体结构3，支撑结构1为在垂直于爬行方向且可膨胀的三个爬行器单元体结构3，支撑结构1膨胀时，支撑结构1的爬行器单元体结构3支撑在管道内壁，伸缩结构2膨胀时，伸缩结构2在管道内壁伸缩爬行；本实施例的支撑结构1包括三个组爬行器单元体结构3，爬行器单元体结构3由柔性弹性体7、预应力弹性体8、单元体封口板9和硅胶管6组合制成，本实施例的爬行器单元体结构3为四棱柱结构且内部中空，其具有两个呈方形的单元体封口板9作为相对面，且使用柔性弹性体7制成，硅胶管6的一端连接至单元体封口板9，四棱柱结构的侧面由两个位置相对的方形的柔性弹性体7和两个位置相对预应力弹性体8组成，其中预应力弹性体8向四棱柱结构的内部呈弧形凹状，组合时相邻连接处使用少量未固化的橡胶弹性体溶液A1连接，组合后，爬行器单元体结构3为四棱柱结构，通过向爬行器单元体结构3内施加气压，爬行器单元体结构3便会处于伸长状态，一旦释放爬行器单元体结构3内的气压，由于预应力弹性体8内储存的弹性能量，爬行器单元体结构3便会立刻恢复为收缩状态；连接件4为连接支撑结构1和伸缩结构2的部件，连接件4的中部为三个呈辐射状连接的柔性弹性体7，每个柔性弹性体7呈长方形，其中，三个柔性弹性体7的内端连接固定在中心，其外端分别连接至一个方形的柔性弹性体7，且位于外端的三个柔性弹性体7首尾连接形成三棱柱状的连接件4，底板5通过橡胶弹性体溶液A1连接至连接件4的顶部或底部，位于外端的柔性弹性体7的外侧面通过橡胶弹性体溶液A1连接至三个爬行器单元体结构3的单元体封口板9，这样三个爬行器单元体结构3呈辐射状连接在连接件4的外侧，形成支撑结构1，向三个爬行器单元体的硅胶管6注入气体时，三个爬行器单元体向外膨胀，以支撑在管道内壁；伸缩结构2由两个爬行器单元体结构3组成，两个爬行器单元体结构3的单元体封口板9相对并使用橡胶弹性体溶液A1连接固定，固定后形成伸缩结构2，伸缩结构2的两个爬行器单元体结构3可通过向硅胶管6内注入气体而膨胀，使得两个爬行器单元体结构3在爬行方向进行伸缩，两个爬行器单元体结构3的顶部和底部分别连接底板5，底板5分别和单元体封口板9连接形成双层结构，连接后，两个爬行器单元体结构3的顶部和底部分别连接至连接件4，位于伸缩结构2顶部的底板5，其通过橡胶弹性体溶液A1连接至一个连接件4的三棱柱结构底部，位于伸缩结构2底部的底板5，其通过橡胶弹性体溶液A1连接至另一个连接件4的三棱柱结构顶部，这样连接后，组合为预应力柔性气动管道爬行器C1。

请参照图8，本发明制备的预应力柔性气动管道爬行器C1在竖直管道内向上爬的工作过程，包括以下状态：

状态1：为本发明制备的预应力柔性气动管道爬行器C1的初始状态，两个支撑结构1上的六个爬行器单元体结构3均处于收缩状态，同时伸缩结构2也处于收缩状态，在此状态下，可方便地将预应力柔性气动管道爬行器C1置于管道中；

状态2：通过硅胶管6向预应力柔性气动管道爬行器C1下端支撑结构1的三个爬行器单元体结构3内施加气压，使其处于伸长状态，该支撑结构1与管道内壁贴合，进而使得预应力柔性气动管道爬行器C1在管道内不会滑动；

状态3：通过硅胶管6向预应力柔性气动管道爬行器C1上端伸缩结构2的两个爬行器单元体结构3内施加气压，使其处于伸长状态，预应力柔性气动管道爬行器C1上端的支撑结构1将会向上运动；

状态4：通过硅胶管6向预应力柔性气动管道爬行器C1上端支撑结构1的三个爬行器单元体结构3内施加气压，使其处于伸长状态，该支撑结构1与管道内壁贴合；

状态5：释放预应力柔性气动管道爬行器C1下端支撑结构1的三个爬行器单元体结构3内的气压，使其恢复为收缩状态，脱离管道内壁；

状态6：释放预应力柔性气动管道爬行器C1的伸缩结构2的两个爬行器单元体结构3内的气压，使其恢复为收缩状态，预应力柔性气动管道爬行器C1下端的支撑结构1将会向上运动；

状态7：通过硅胶管6向预应力柔性气动管道爬行器C1下端支撑结构1的三个爬行器单元体结构3内施加气压，使其处于伸长状态，该支撑结构1再次与管道内壁贴合；

状态8：释放预应力柔性气动管道爬行器C1上端支撑结构1的三个爬行器单元体结构3内的气压，使其恢复为收缩状态，该支撑结构1脱离管道内壁。

重复步骤3-8，预应力柔性气动管道爬行器C1就可以在竖直管道内持续向上爬行。

将上述步骤中预应力柔性气动管道爬行器C1上端支撑结构1与预应力柔性气动管道爬行器C1下端支撑结构1的运动互换，预应力柔性气动管道爬行器C1可以实现在竖直管道内向下爬行，预应力柔性气动管道爬行器C1在水平管道内左右运动的过程与在竖直管道内上下运动的过程类似。

第二实施例

第二实施例的多功能预应力柔性气动机器人加工方法与第一实施例基本相同，不同之处在于S4步骤中，本实施例的多功能预应力柔性气动机器人为预应力柔性气动零功率夹持器C2。

请参照图1，本实施例提供一种新型多功能预应力柔性气动机器人及其加工方法，该多功能预应力柔性气动机器人为预应力柔性气动零功率夹持器C2，该预应力柔性气动零功率夹持器C2通过单元体结构膨胀而实现弯曲，弯曲使得不同单元体结构组合相互靠近而夹取，预应力柔性气动零功率夹持器C2包括柔性臂11和固定件10，至少两个柔性臂11连接至固定件10，柔性臂11包括多个首尾连接的夹持器单元体结构12，夹持器单元体结构12由柔性弹性体7、预应力弹性体8、硅胶管6和单元体封口板9组合制成，柔性臂11注入气体时膨胀，至少两个柔性臂11释放气体时向中心处弯曲，以夹取物体。

加工方法包括以下步骤：

S1、柔性弹性体7的制备：配置橡胶弹性体溶液A1，橡胶弹性体溶液A1的原材料不限于硅橡胶、丁腈橡胶、氟橡胶和聚硫橡胶，本实施例采用硅橡胶弹性体溶液A1，硅橡胶弹性体采用Ecoflex 00-30材质，将Ecoflex 00-30材质中的两种组分以1：1的比例混合并将其搅拌均匀，通过采用匀胶机进行旋涂的方式制备为薄片形的片状结构，得到未固化的弹性体样品A2，调整匀胶机的转速和时间可调节片状结构的厚度，通过倒入模具成型可以制备较厚的片状未固化的弹性体样品A2，通过调整模具的结构尺寸可以获得不同厚度的未固化的弹性体样品A2，而后用使用热板在60℃下对其固化(固化时选用不同的温度和时间可得到具有不同力学性能的弹性体)，固化时间为4小时，获得柔性弹性体样品A；

S2、预应力弹性体8的制备：使用用于拉伸的装置将柔性弹性体样品A的两端进行拉伸，得到拉伸的弹性体样品B1，本实施例中用于拉伸的装置为两个长尾夹，将两个长尾夹分别夹持在柔性弹性体7的两端，固定其中一个长尾夹的位置，用另一个长尾夹拉伸柔性弹性体7，使用长尾夹在拉伸过程中用直尺测量柔性弹性体7拉伸前后的距离，并用伸长率λ表示弹性体拉伸后长度与拉伸前的比值，对柔性弹性体样品A进行不同长度的拉伸可得到不同预应力弹性体8，选择伸长率λ为2的预应力弹性体8；采用片材并在表面滴加或涂覆少量未固化的橡胶弹性体溶液A1，或使用胶体、胶水，而后将拉伸的弹性体样品B1附着在片材上，得到未固化的预应力弹性体样品B2，待片材上橡胶弹性体溶液A1固化后，片材与柔性弹性体7将会牢固的贴合在一起，再用小刀或者剪刀沿着弹性体层将多余的片材裁掉，拆下后获得预应力弹性体样品B，预应力弹性体样品B比柔性弹性体样品A更软，以便于受力伸展变形，预应力弹性体样品B具有柔性弹性体样品A变形后的弹性能量；其中，片材包括具有弹性且不可拉伸的纸、纺织品或塑料，但不限于聚酯、纤维素混合纸，本实施例采用聚酯/纤维素混合纸TX1109。

S3、将柔性弹性体样品A和预应力弹性体样品B搭建组合，并连接为内部空心的单元体结构，其中单元体结构设置有硅胶管6，以向单元体结构内注入气体而膨胀体积；本实施例的单元体结构为三棱柱结构，将S1得到的柔性弹性体样品A和S2得到的预应力弹性体样品B，组合为三棱柱的单元体结构，该三棱柱结构的顶部和底部分别为片状的柔性弹性体7，三棱柱结构的侧面具有可伸缩变形的预应力弹性体8，三棱柱结构连接有硅胶管6，硅胶管6连接在柔性弹性体7并连通三棱柱结构内部，通过硅胶管6向三棱柱结构内注入气体以膨胀，柔性弹性体7与柔性弹性体7之间、柔性弹性体7与预应力弹性体8之间，分别通过涂覆少量未固化的橡胶弹性体溶液A1而连接固定，或使用胶体/胶水黏贴连接，之后再进行固化，固化时温度控制在60℃，时间为4小时。

S4、多功能预应力柔性气动机器人的制备：将上述步骤制备的多个单元体结构进行连接组合，得到预应力柔性气动机器人，即是预应力柔性气动零功率夹持器C2，请参照图9，预应力柔性气动零功率夹持器C2的单元体结构为夹持器单元体结构12，预应力柔性气动零功率夹持器C2通过夹持器单元体结构12膨胀而实现直立状态，夹持器单元体结构12收缩时，预应力柔性气动零功率夹持器C2实现弯曲状态，向柔性臂11的夹持器单元体内注入气体，使得至少两个柔性臂11处于直立状态时，用以释放待夹物体或待夹取，将柔性臂11的夹持器单元体内的气体释放后，至少两个柔性臂11处于弯曲状态，用以将物体夹住，多个夹持器单元体结构12的连接、柔性臂11与固定件10之间的连接，使用少量未固化的橡胶弹性体溶液A1进行涂覆连接，或使用胶体/胶水黏贴连接，之后再进行固化，固化时温度控制在60℃，时间为4小时。

请参照图10、图11，本实施例预应力柔性气动零功率夹持器C2包括一个用于固定柔性臂11的固定件10和三个柔性臂11，三个柔性臂11以三角的形式分别固定在固定件10上，其连接点处可连接形成三角形结构，三个柔性臂11的结构相同，柔性臂11为四个夹持器单元体结构12首尾连接而成，夹持器单元体结构12包括硅胶管6、单元体封口板9、预应力弹性体8和柔性弹性体7，夹持器单元体结构12呈三棱柱结构，该三棱柱结构的顶部和底部分别为单元体封口板9，两个单元体封口板9之间连接有一个预应力弹性体8和两个柔性弹性体7，两个柔性弹性体7连接后与预应力弹性体8的两端连接，形成未封口的三棱柱结构，两个单元体封口板9分别对未封口的三棱柱结构的顶部和底部进行封口，其中，预应力弹性体8向三棱柱的内部弯曲呈弧形凹状，两个柔性弹性体7的两端分别设置呈弧形且与预应力弹性体8连接封闭，两个柔性弹性体7、预应力弹性体8和单元体封口板9连接形成呈三棱柱的夹持器单元体结构12，该夹持器单元体结构12内部中空，硅胶管6连接至单元体封口板9且连通至三棱柱结构内部，连接处采用橡胶弹性体溶液A1进行涂覆连接；柔性臂11的四个夹持器单元体首尾连接，使得夹持器单元体的预应力弹性体8朝向固定件10的中心处，以便于预应力弹性体8弯曲，相邻夹持器单元体之间通过橡胶弹性体溶液A1进行连接，最后将柔性臂11通过橡胶弹性体溶液A1连接至固定件10的底部，这样连接后，组合为预应力柔性气动零功率夹持器C2；通过向夹持器单元体结构12内施加气压，夹持器单元体结构12便会处于直立状态，进而使得柔性臂11处于直立状态，一旦释放夹持器单元体结构12内的气压，由于预应力弹性体8内储存的弹性能量，夹持器单元体结构12便会立刻恢复为弯曲的倾斜状态，从而柔性臂11也会立刻恢复为弯曲的倾斜状态，三个柔性臂11弯曲时，对固定件10中心处下方的物体进行夹取操作。

请参照图12，本发明制备的预应力柔性气动零功率夹持器C2的工作过程，包括以下状态：

状态1：为本发明制备的预应力柔性气动零功率夹持器C2的的初始状态，三个柔性臂11均处于弯曲状态；

状态2：分别向三个柔性臂11的所有夹持器单元体结构12内施加气压，使三个柔性臂11处于直立状态；

状态3：将预应力柔性气动零功率夹持器C2移动到待夹持物的上方，释放三个柔性臂11的所有夹持器单元体结构12内的气压，柔性臂11使会立刻恢复为弯曲状态，三个柔性臂11的底端相互靠近，从而抓取待夹持物，在该预应力柔性气动零功率夹持器C2的作用下，待夹持物可在不损耗其他任何功率的情况下，一直被抓取，如若想释放待夹持物，可通过状态进行释放；

状态4：分别向预应力柔性气动零功率夹持器C2的三个柔性臂11的所有夹持器单元体结构12内施加气压，使三个柔性臂11处于直立状态，进而释放待夹持物。

综上所述，本发明实例通过对片状的柔性弹性体进行拉伸并附着在有弹性但不可拉伸的片材上制成预应力弹性体，将未拉伸的柔性弹性体和拉伸后的预应力弹性体相结合，组装出不同的结构，进而制备出预应力柔性气动管道爬行器和预应力柔性气动零功率夹持器，预应力柔性气动管道爬行器可以在管道内爬行，预应力柔性零功率夹持器能利用其预应力弹性体层中储存的弹性能量，以零功率承受高达自身重量数十倍的力；同时，由于向单元体结构内注入气体期间抵消了预应力柔性气动机器人中存储的弹性能量，在释放气体压力后，可以实现快速地形状恢复，从而显著提高大变形运动后柔性机器人的致动率；该多功能预应力柔性气动机器人具有制备成本低、制备过程可控、制备简单和模块化加工的优点，具有很强的实用价值和广阔的应用前景。

本说明书描述了本发明的实施例的示例，并不意味着这些实施例说明并描述了本发明的所有可能形式。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种新型多功能预应力柔性气动机器人加工方法，其特征在于，加工方法包括以下步骤：

S1、柔性弹性体的制备：配置橡胶弹性体溶液，通过旋涂或模具成型的方式制备为片状结构，得到未固化的弹性体样品，而后使用热板对其固化，获得柔性弹性体样品；

S2、预应力弹性体的制备：使用用于拉伸的装置将柔性弹性体样品的两端进行拉伸，得到拉伸的弹性体样品，采用片材并在表面滴加少量未固化的橡胶弹性体溶液，而后将拉伸的弹性体样品附着在片材上，得到未固化的预应力弹性体样品，然后固化成型，再从片材上拆下获得预应力弹性体样品；

S3、将柔性弹性体样品和预应力弹性体样品搭建组合，并连接为内部空心的单元体结构，其中单元体结构设置有胶管，以向单元体结构内注入气体而膨胀体积；

S4、多功能预应力柔性气动机器人的制备：将上述步骤制备的多个单元体结构进行连接组合，得到具有不同功能的预应力柔性气动机器人。

2.根据权利要求1所述的一种新型多功能预应力柔性气动机器人加工方法，其特征在于，所述S1中，采用匀胶机进行旋涂而得到薄片形的片状结构，通过调整匀胶机的转速和时间可调节片状结构的厚度。

3.根据权利要求2所述的一种新型多功能预应力柔性气动机器人加工方法，其特征在于，所述S3中的柔性弹性体样品和预应力弹性体样品的组合连接，通过未固化的橡胶弹性体溶液胶接，或使用胶体/胶水黏贴连接。

4.根据权利要求3所述的一种新型多功能预应力柔性气动机器人加工方法，其特征在于，所述S1中的橡胶弹性体溶液的原材料不限于硅橡胶、丁腈橡胶、氟橡胶和聚硫橡胶。

5.根据权利要求2所述的一种新型多功能预应力柔性气动机器人加工方法，其特征在于，所述S2中片材包括具有弹性且不可拉伸的纸、纺织品或塑料，但不限于聚酯、纤维素混合纸。

6.根据权利要求2所述的一种新型多功能预应力柔性气动机器人加工方法，其特征在于，所述S2中柔性弹性体拉伸时的拉伸率λ范围为1～3。

7.根据权利要求6所述的一种新型多功能预应力柔性气动机器人加工方法，其特征在于，所述S1和S2中的固化温度范围为40℃～80℃，固化时间为2～6小时。

8.根据权利要求1所述的预应力柔性气动机器人，其特征在于，其按照S1-S4加工得到，先按照S1-S3加工出单元体结构，再按照S4将多个单元体结构连接组合，所述预应力柔性气动机器人通过连接组合，得到多种不同的结构。

9.根据权利要求8所述的预应力柔性气动机器人，其特征在于，所述预应力柔性气动机器人为预应力柔性气动管道爬行器，所述预应力柔性气动管道爬行器的单元体结构为爬行器单元体结构，所述预应力柔性气动管道爬行器通过爬行器单元体结构膨胀而在管道内移动，所述预应力柔性气动管道爬行器包括多个伸缩结构、多个支撑结构、连接件和底板，所述伸缩结构和支撑结构相互间隔且通过连接件和底板连接，所述伸缩结构为沿爬行方向的多个爬行器单元体结构，所述支撑结构为在垂直于爬行方向且可膨胀的多个爬行器单元体结构，所述支撑结构膨胀时，所述支撑结构的单元体结构支撑在管道内壁，所述伸缩结构膨胀时，所述伸缩结构在管道内壁伸缩爬行，所述爬行器单元体结构由柔性弹性体、预应力弹性体、单元体封口板和硅胶管组合制成。

10.根据权利要求8所述的预应力柔性气动机器人，其特征在于，所述预应力柔性气动机器人为预应力柔性气动零功率夹持器，所述预应力柔性气动零功率夹持器的单元体结构为夹持器单元体结构，所述预应力柔性气动管道爬行器通过不同夹持器单元体结构相互靠近而夹取物体，所述预应力柔性气动零功率夹持器包括柔性臂和固定件，至少两个柔性臂连接至固定件，所述柔性臂包括多个首尾连接的夹持器单元体结构，所述夹持器单元体结构由柔性弹性体、预应力弹性体、硅胶管和单元体封口板组合制成，所述柔性臂注入气体时膨胀，至少两个所述柔性臂释放气体时向中心处弯曲，以夹取物体。

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