CN112208099A - 一种用于软体机器人内腔复杂结构一体成型制造的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机器人领域，具体指一种用于软体机器人内腔复杂结构一体成型制造的装置。其包括圆柱形容器，芯轴，可变形模芯外壳，压盖和内六角螺栓。制作好可变形模芯外壳后，将芯轴套上可变形模芯外壳，同时将芯轴的两端分别用内六角螺栓与压盖和圆柱形容器固定，同时调节压盖端螺栓，调整可变形模芯外壳的变形量，当调节到预设弯曲位置后，在圆柱形容器内壁可变形模芯外壳表面喷涂脱模剂，并向圆柱形容器注满硅胶，待硅胶完全凝固后，卸下压盖端和圆柱形容器底部的内六角螺栓，卸下压盖，同时用力拉扯可变形模芯外壳，使得可变形模芯外壳拉伸并贴合芯轴，即可缓慢抽出可变形模芯外壳和芯轴，至此即可成功制备一种软体机器人的内腔结构。

Description

一种用于软体机器人内腔复杂结构一体成型制造的装置
技术领域
本发明涉及机器人领域，具体指一种用于软体机器人内腔复杂结构一体成型制造的装置。
背景技术
随着科技的发展，传统的不可变刚度的机器人已经不能满足人们的需求，软体机器人的凭借其特殊的材料和工艺，安全的人机交互，对可穿戴设备的适应性以及在外形、重量、用途等方面与传统机器人相比有着很大的优势，目前已在生物医学领域，人工智能领域及仿生学等方面有着广泛的研究。软体机器人技术在运用于残障人士义肢的研制，康复医疗器械的研发等方面也取得了一定的成果。然而，软体机器人的结构设计特别是内腔结构的设计，都会对软体机器人的各项性能指标产生至关重要的影响，所以对于软体机器人的结构设计与制备一直是众多研究人员所重点关注的问题。
申请号为201710359528.1的中国发明专利公开了一种软体机器人的制造方法，包括：制备模具；制备包括琼脂糖、丙烯酰胺在内的水凝胶混合物；加热水凝胶混合物，直至琼脂糖完全溶解；将液体形式的水凝胶混合物导入模具中；将模具进行冷却，直至形成琼脂糖凝胶；将模具暴露在紫外线下，使得紫外线均匀照射在水凝胶混合物上，以致丙烯酰胺聚合形成聚丙烯酰胺；将模具在室温下冷却；将形成的双网络水凝胶从模具中脱模出来。由此得到的软体机器人具有高度可拉伸能力，在人体内的人机交互更加柔韧，并具有良好的生物相容性。此制备方法使用了一种较为新颖的方式，但是制备方法较为复杂，使用此方法不易于制备内腔结构；申请号为201911016012.2的中国发明专利涉及一种电响应智能水凝胶及其制备方法、操作手类软体机器人。此发明提供的电响应智能水凝胶是由聚乙二醇二丙烯酸酯和丙烯酸复合而成的双网络交联水凝胶，该水凝胶在电解质溶液中于电场作用下具有形态向电场阴极弯曲的电响应性能，将该水凝胶用于操作手类软体机器人，通过水凝胶手指间的相互配合协调可实现对物体的夹持与释放。此发明使用了水凝胶制备了软体夹爪的结构，不同于传统使用硅橡胶作为软体机器人的制备材料，但是此发明仅适用于特定场合的物体抓取，适用范围窄，使用的制备方法也不能广泛适用于传统机器人结构设计；申请号为201810058742.8的中国发明专利介绍了一种基于弹性体软材料的多自由度运动手指及其制备方法。此手指通过外部管道向手指的内部腔室充入气体，手指内部的特定腔体结构膨胀变形，从而实现类似手指的弯曲变形姿态，达到可以适应物体的形状与尺寸抓取不同物体的目的。此手指的结构能够产生较大的变形，但是其使用的制备方法需要将结构分为多部分制备后粘连而成，效率较低且成品易产生破损，漏气等后果。
发明内容
本发明提出了一种用于软体机器人内腔复杂结构成型制造的装置。该装置结构简单，所使用材料方便获取，能够解决使用传统方法制备软体机器人内部腔体模具无法取出的问题，并且该装置能多次重复利用，大大提高了制备软体机器人的效率和降低了制备成本。
本发明由五部分组成：圆柱形容器，芯轴，可变形模芯外壳，压盖和内六角螺栓。圆柱形容器在底部设计有开孔及沉头座，以方便固定芯轴，圆柱形容器主要用于盛放硅胶等软体材料；芯轴两端设有内螺纹孔，一端通过螺栓将芯轴固定于圆柱形容器内底部，另一端通过螺栓与压盖固定；可变形模芯外壳套在芯轴外侧，一端与压盖接触，另一端与圆柱形容器底部接触。可变形模芯外壳由TPU、TPE或PET等可塑性变形的并且具有一定柔韧性的材质制作而成，同时可变形模芯外壳在制作过程中在预弯曲位置做了预变形处理，预弯曲位置根据所设计的软体机器人内腔的结构而决定，一般可在可变形模芯外壳上将预弯曲位置设置为多个等距的圆环状(如图5所示)。可变形模芯外壳在拉伸状态下可与芯轴贴合，呈圆柱形(如图3所示)，在压缩状态下可使得预弯曲位置发生弯曲变形(如图4所示)；压盖的作用是对可变形模芯外壳起到一个轴向的约束，螺栓在拧紧的过程中，压迫压盖发生轴向移动，使得可变形模芯外壳在轴向受到压缩而产生足够的形变。该装置整体的位置关系如图1所示，芯轴、可变形模芯外壳和压盖所组成的圆柱体结构通过螺栓固定于圆柱形容器内侧，圆柱形容器内壁和可变形模芯外壳之间即可填充硅胶等软体材料。
为了使软体机器人发生变形和运动，在软体机器人内部制备腔体结构是常用方法。在传统的软体机器人内腔结构制备过程中，主要采用刚性模具，若设计可使腔体一体成型的模具结构，则面临的一大难题是模具难以和成型的腔体分离，所以大多是将腔体分为多个部分分别制造，待制造完成后，使用胶水将各部分粘连为一体，此类方法制备的腔体结构在充气后极容易漏气，且难以实现复杂的内腔结构制造。本发明与现有的制备软体机器人复杂结构内腔的方法相比，区别于现有技术的技术特征是利用可变形的模芯外壳可产生弹性形变的特点，实现软体机器人内腔结构一体成型制备。
本技术特征解决的问题是实现软体机器人内腔结构的一体成型制备，所制备的内腔壁厚均匀可控，降低腔体漏气的概率；通过调整模芯结构，可以实现一个模芯制备多种参数的内腔结构。
附图说明
图1所述为本发明设计的一种软体机器人内腔结构制备装置三维示意图；
图2所述为本发明设计的一种软体机器人内腔结构制备装置剖面图；
图3所述为本发明设计的一种软体机器人内腔结构制备装置可变形模芯外壳拉伸状态示意图；
图4所述为本发明设计的一种软体机器人内腔结构制备装置可变形模芯外壳压缩状态示意图；
图5所述为本发明设计的可变形模芯外壳预弯曲位置示意图；
图6所述为本发明制备的软体机器人内腔结构示意图；
图中：1、芯轴，2、内六角螺栓一，3、压盖，4、可变形模芯外壳，5、圆柱形容器，6、内六角螺栓二。
具体实施方式
使用TPU、TPE或PET等可塑性变形的并且具有一定柔韧性的材质制作可变形模芯外壳，同时可变形外壳在制作过程中在预弯曲位置作预变形处理，主要变形方法：1、对于PET材质，通过在预弯曲部位给予局部80℃-100℃的温度并持续10秒时间产生塑性变形；2、使用3d打印机装载TPU或者TPE耗材打印可变形模芯外壳，在预弯曲位置设置壁厚为可变形模芯外壳其他部分壁厚的1/2，以达到可变形模芯外壳在压缩过程中壁厚较薄部分比壁厚较厚部分更易变形的目的。制作好可变形模芯外壳后，将芯轴套上可变形模芯外壳，同时将芯轴的两端分别用内六角螺栓与压盖和圆柱形容器固定，同时调节压盖端螺栓，调整可变形模芯外壳的变形量，当调节到预设弯曲位置后，在圆柱形容器内壁和可变形模芯外壳表面喷涂脱模剂，然后向圆柱形容器内注满硅胶等软体材料，待硅胶等软体材料完全凝固后，卸下压盖端和圆柱形容器底部的内六角螺栓，卸下压盖，同时用力拉扯可变形模芯外壳，使得可变形模芯外壳拉伸并贴合芯轴，即可缓慢抽出可变形模芯外壳和芯轴，至此即可成功制备一种软体机器人的内腔结构。
实施例1
本实施例中圆柱形容器，压盖，芯轴均由3D打印机打印而成，采用PLA材料，3D打印机喷嘴直径为0.4mm，热床温度50℃，喷嘴温度为205℃，打印速度设为80mm/s。圆柱形容器外径为36mm，内径为30mm，高度为100mm，底厚为10mm，底部中心开孔直径为4.5mm，沉头座直径为6mm，深度为6mm。压盖外径为15mm，内径为10mm，高度为50mm，底部厚度为3mm，底部中心开孔直径为4.5mm。芯轴直径为9mm，高度为140mm，芯轴两端开M4内螺纹孔，深度为55mm，两端使用的内六角螺栓尺寸为M4*50。本实施例中所使用的的可变形模芯外壳同样采用3D打印机打印而成，使用材料为TPU(80A)，3D打印机喷嘴直径为0.4mm，热床温度60℃，喷嘴温度为230℃，打印速度设为20mm/s。可变形模芯外壳外径为14mm，内径为10mm(壁厚为2mm)，在未压缩状态下长度为140mm，预弯曲位置设置壁厚为1mm，宽度为3mm，呈圆环状。预弯曲位置设置于可变形模芯外壳径向长度5等分位置，相邻预弯曲位置间距为28mm。
将以上各零部件按照图2所示位置关系装配好后，拧紧压盖端的内六角螺栓，压迫可变形模芯外壳，使其产生变形，直至螺栓完全拧紧，可变形模芯外壳到达完全压缩状态，此时可变形模芯外壳在预变形位置产生形变凸出，直径变为26mm。之后将圆柱形容器底部呈水平位置放置于桌上，在圆柱形容器内壁，内底部，可变形模芯外壳表面喷涂脱模剂，之后使用排气后的Ecoflex 00-30硅橡胶注入圆柱形容器内部直至注满，待硅胶成型后取下压盖端和圆柱形容器底部的螺栓，拉伸可变形模芯外壳即可将可变形模芯外壳与芯轴从成型后的硅胶中取出，之后将成型后的硅胶腔体从圆柱形容器中取出即可制备出一体成型的软体机器人内腔(如图6所示)。

Claims (4)

1.一种用于软体机器人内腔复杂结构一体成型制造的装置，其特征在于，所述装置包括圆柱形容器，芯轴，可变形模芯外壳和压盖内六角螺栓；圆柱形容器在底部设计有开孔及沉头座，以方便固定芯轴，圆柱形容器主要用于盛放硅胶等软体材料；芯轴两端设有内螺纹孔，一端通过螺栓将芯轴固定于圆柱形容器内底部，另一端通过螺栓与压盖固定；可变形模芯外壳套在芯轴外侧，一端与压盖接触，另一端与圆柱形容器底部接触，可变形模芯外壳在制作过程中在预弯曲位置做了预变形处理，可变形模芯外壳在拉伸状态下可与芯轴贴合，呈圆柱形，在压缩状态下可使得预弯曲位置发生弯曲变形；压盖的作用是对可变形模芯外壳起到一个轴向的约束，螺栓在拧紧的过程中，压迫压盖产生轴向移动，使得可变形模芯外壳在轴向受到压缩而产生足够的形变；芯轴、可变形模芯外壳和压盖所组成的圆柱体结构通过螺栓固定于圆柱形容器内侧，圆柱形容器内壁和可变形模芯外壳之间填充硅胶等软体材料。
2.如权利要求1所述的一种用于软体机器人内腔复杂结构一体成型制造的装置，其特征在于，所述可变形模芯外壳由TPU、TPE或PET可塑性变形的并且具有一定柔韧性的材质制作而成，在可变形模芯外壳上将预弯曲位置设置为多个等距的圆环状。
3.如权利要求1所述的一种用于软体机器人内腔复杂结构一体成型制造的装置，其特征在于，可变形模芯外壳在制作过程中在预弯曲位置作预变形处理的方法为：对于PET材质，通过在预弯曲部位给予局部80℃-100℃的温度并持续10秒时间产生塑性变形；或使用3d打印机装载TPU或者TPE耗材打印可变形模芯外壳；在预弯曲位置设置壁厚为可变形模芯外壳其他部分壁厚的1/2，以达到可变形模芯外壳在压缩过程中壁厚较薄部分比壁厚较厚部分更易变形的目的。
4.如权利要求1所述的一种用于软体机器人内腔复杂结构一体成型制造的装置，其特征在于，制作好可变形模芯外壳后，将芯轴套上可变形模芯外壳，同时将芯轴的两端分别用内六角螺栓与压盖和圆柱形容器固定，同时调节压盖端螺栓，调整可变形模芯外壳的变形量，当调节到预设弯曲位置后，在圆柱形容器内壁和可变形模芯外壳表面喷涂脱模剂，然后向圆柱形容器内注满硅胶，待硅胶完全凝固后，卸下压盖端和圆柱形容器底部的内六角螺栓，卸下压盖，同时用力拉扯可变形模芯外壳，使得可变形模芯外壳拉伸并贴合芯轴，即可缓慢抽出可变形模芯外壳和芯轴，至此即可成功制备一种软体机器人的内腔结构。
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