CN113070896A - 一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机械手，具体是一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手及其制备方法。本发明解决了传统的机械手在抓持形状复杂的物体时容易导致抓持不牢固、在抓持柔软易碎的物体时难以实现安全抓持的问题。一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手，包括基座和三根尺寸一致的仿生手指；所述基座包括圆盘形座体；圆盘形座体的正面延伸设置有三个插接槽，且三个插接槽围绕圆盘形座体的中心线对称分布；每个插接槽的槽底与圆盘形座体的背面之间均贯通开设有一对外侧穿线孔和一对内侧穿线孔；所述每根仿生手指均包括条形人工肌肉层、条形柔性传热层、条形可变刚度层、条形柔性接触层。本发明适用于工业机器人。
Description
技术领域
本发明涉及机械手，具体是一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手及其制备方法。
背景技术
随着工业化进程的推进和经济的迅速发展，劳动力不足、人工成本增加等问题越来越受到人们的普遍关注，机械手应运而生。机械手是工业机器人的重要组成部分，其极大地解放了人力，能替代人手完成诸多复杂且繁琐的劳动任务，是社会生产的中坚力量。
传统的机械手通常由刚性材料制成，其大都采用电机、液压、气动等方式进行驱动，具有刚度大、输出载荷大、运动精度高等特点。但是在实际应用中，传统的机械手由于自身材料和结构的限制，存在如下问题：其一，在抓持形状复杂的物体时，传统的机械手无法很好地包覆被抓持物体，由此导致二者之间的接触面积较小，从而容易导致抓持不牢固。其二，在抓持柔软易碎的物体时，传统的机械手由于干粘附性能较差，容易因抓持力过大而导致被抓持物体损坏或者因抓持力过小而导致抓持不牢固，由此难以实现安全抓持。
基于此，有必要发明一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手及其制备方法，以解决传统的机械手在抓持形状复杂的物体时容易导致抓持不牢固、在抓持柔软易碎的物体时难以实现安全抓持的问题。
发明内容
本发明为了解决传统的机械手在抓持形状复杂的物体时容易导致抓持不牢固、在抓持柔软易碎的物体时难以实现安全抓持的问题，提供了一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手及其制备方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手，包括基座和三根尺寸一致的仿生手指；
所述基座包括圆盘形座体；圆盘形座体的正面延伸设置有三个插接槽，且三个插接槽围绕圆盘形座体的中心线对称分布；每个插接槽的槽底与圆盘形座体的背面之间均贯通开设有一对外侧穿线孔和一对内侧穿线孔；
所述每根仿生手指均包括条形人工肌肉层、条形柔性传热层、条形可变刚度层、条形柔性接触层；条形人工肌肉层的背面沿宽度方向开设有两道V形豁槽；条形人工肌肉层的内部埋设有由镍铬合金电阻丝绕制而成的U形电热螺线管，且U形电热螺线管的两端均穿过条形人工肌肉层的尾端面向外引出；条形柔性传热层的背面与条形人工肌肉层的正面粘接固定；条形柔性传热层的内部埋设有由镍铬合金电阻丝绕制而成的蛇形电热线圈，且蛇形电热线圈的两端均穿过条形柔性传热层的尾端面向外引出；条形可变刚度层的背面与条形柔性传热层的正面粘接固定；条形柔性接触层的背面与条形可变刚度层的正面粘接固定；条形柔性接触层的正面延伸设置有由多个蘑菇形柔性凸起构成的柔性凸起阵列；
三根仿生手指的尾端一一对应地插接固定于三个插接槽内；三个U形电热螺线管的两端一一对应地贯穿三对外侧穿线孔；三个蛇形电热线圈的两端一一对应地贯穿三对内侧穿线孔。
一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手的制备方法（该方法用于制备本发明所述的一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手），该方法是采用如下步骤实现的：
步骤一：制备条形人工肌肉层；具体步骤如下：
①将Ecoflex00-50组分A与Ecoflex00-50组分B按质量比1:1混合后搅拌均匀，制得Ecoflex00-50预聚混合物；所述Ecoflex00-50组分A为铂催化硅橡胶基体；所述Ecoflex00-50组分B为铂催化硅橡胶固化剂；
②将无水乙醇与石墨烯混合后置于超声波清洗机中分散30min，制得分散液；所述无水乙醇与Ecoflex00-50预聚混合物的体积比为1:5；所述石墨烯与Ecoflex00-50预聚混合物的质量比为1:100；
③将Ecoflex00-50预聚混合物与分散液混合后搅拌10min，制得混合液；
④先将混合液注入模具内，再将由镍铬合金电阻丝绕制而成的U形电热螺线管浸没于混合液中，然后固化成型，制得条形人工肌肉层；
⑤在条形人工肌肉层的背面沿宽度方向开设两道V形豁槽；
步骤二：制备条形柔性传热层；具体步骤如下：
①将聚二甲基硅氧烷与石墨烯按质量比100:1混合后搅拌10min，制得混合液；
②先将混合液注入模具内，再将由镍铬合金电阻丝绕制而成的蛇形电热线圈浸没于混合液中，然后固化成型，制得条形柔性传热层；
步骤三：制备条形可变刚度层；具体步骤如下：
将热塑性聚氨酯弹性体加热熔化后注入模具内，然后热压成型，制得条形可变刚度层；
步骤四：制备条形柔性接触层；具体步骤如下：
①在洁净的玻璃片上旋涂厚度为20μm的光刻胶层，旋涂速度为1000r/min，旋涂时间为1min；然后，采用紫外光刻工艺和刻蚀工艺在光刻胶层上刻蚀形成由多个蘑菇形凹槽构成的凹槽阵列；
②将聚二甲基硅氧烷与固化剂按体积比10:1混合后搅拌10min，制得混合液；
③先将混合液置于真空环境下脱气10min，再将混合液旋涂于光刻胶层上，旋涂速度为2000r/min，旋涂时间为1min，然后固化成型，制得条形柔性接触层以及由多个蘑菇形柔性凸起构成的柔性凸起阵列；
步骤五：先将条形柔性传热层的背面与条形人工肌肉层的正面粘接固定，再将条形可变刚度层的背面与条形柔性传热层的正面粘接固定，然后将条形柔性接触层的背面与条形可变刚度层的正面粘接固定，由此制得单根仿生手指；
步骤六：重复执行步骤一至步骤五，制得三根仿生手指；
步骤七：采用聚四氟乙烯制备基座；所述基座包括圆盘形座体；圆盘形座体的正面延伸设置有三个插接槽，且三个插接槽围绕圆盘形座体的中心线对称分布；每个插接槽的槽底与圆盘形座体的背面之间均贯通开设有一对外侧穿线孔和一对内侧穿线孔；
步骤八：先将三个U形电热螺线管的两端一一对应地贯穿三对外侧穿线孔，再将三个蛇形电热线圈的两端一一对应地贯穿三对内侧穿线孔，然后将三根仿生手指的尾端一一对应地插入三个插接槽内，并用热熔胶填充固定，由此制得一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手。
所述步骤一和步骤二中，镍铬合金电阻丝的直径为0.15mm。
所述步骤二和步骤四中，聚二甲基硅氧烷为Sylgard 184聚二甲基硅氧烷。
所述步骤三中，热塑性聚氨酯弹性体为Desmopan 192热塑性聚氨酯弹性体。
所述步骤四中，光刻胶为AZP4620光刻胶。
所述步骤五中，条形柔性传热层的背面与条形人工肌肉层的正面之间、条形可变刚度层的背面与条形柔性传热层的正面之间、条形柔性接触层的背面与条形可变刚度层的正面之间均通过硅胶专用胶水粘接固定。
工作时，配备两个外部电源，将第一个外部电源分别与三个蛇形电热线圈连接，将第二个外部电源分别与三个U形电热螺线管连接。具体工作过程如下：首先，第一个外部电源向三个蛇形电热线圈通电并使之发热，所发出的热量经三个条形柔性传热层传导至三个条形可变刚度层，使得三个条形可变刚度层的刚度减小。然后，第二个外部电源向三个U形电热螺线管通电并使之发热，所发出的热量传导至三个条形人工肌肉层，使得三个条形人工肌肉层内部的无水乙醇受热汽化，由此使得无水乙醇的体积膨胀，从而使得三个条形人工肌肉层发生弯曲变形。在三个条形人工肌肉层的带动下，三个条形柔性传热层、三个条形可变刚度层、三个条形柔性接触层一起发生弯曲变形，三根仿生手指由此合拢并包覆被抓持物体。此时，三个条形柔性接触层上的柔性凸起阵列与被抓持物体之间产生范德华力，由此实现对被抓持物体的干粘附，从而达到抓持物体的目的。
与传统的机械手相比，本发明所述的一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手采用能耗低、安全系数高的电热方式进行驱动，其藉由延展性良好且传热能力强的条形人工肌肉层、传热能力强的条形柔性传热层、适应性良好的条形可变刚度层、仿生壁虎脚趾的条形柔性接触层和柔性凸起阵列，一方面实现了很好地包覆被抓持物体，另一方面具备了良好的干粘附性能，由此具备了如下优点：其一，在抓持形状复杂的物体时，本发明能够很好地包覆被抓持物体，由此有效增大了二者之间的接触面积，从而使得抓持更加牢固。其二，在抓持柔软易碎的物体时，本发明能够以较小的抓持力实现牢固抓持，由此一方面有效避免了因抓持力过大而导致被抓持物体损坏，另一方面有效避免了因抓持力过小而导致抓持不牢固，从而实现了安全抓持。
本发明有效解决了传统的机械手在抓持形状复杂的物体时容易导致抓持不牢固、在抓持柔软易碎的物体时难以实现安全抓持的问题，适用于工业机器人。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中基座的结构示意图。
图3是本发明中仿生手指的结构示意图。
图4是本发明中条形人工肌肉层的结构示意图。
图5是本发明中条形人工肌肉层和U形电热螺线管的结构示意图。
图6是本发明中条形柔性传热层和蛇形电热线圈的结构示意图。
图7是本发明中条形柔性接触层和柔性凸起阵列的结构示意图。
图中：101-圆盘形座体，102-插接槽，103-外侧穿线孔，104-内侧穿线孔，201-条形人工肌肉层，202-条形柔性传热层，203-条形可变刚度层，204-条形柔性接触层，205-V形豁槽，206-U形电热螺线管，207-蛇形电热线圈，208-蘑菇形柔性凸起。
具体实施方式
一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手，包括基座和三根尺寸一致的仿生手指；
所述基座包括圆盘形座体101；圆盘形座体101的正面延伸设置有三个插接槽102，且三个插接槽102围绕圆盘形座体101的中心线对称分布；每个插接槽102的槽底与圆盘形座体101的背面之间均贯通开设有一对外侧穿线孔103和一对内侧穿线孔104；
所述每根仿生手指均包括条形人工肌肉层201、条形柔性传热层202、条形可变刚度层203、条形柔性接触层204；条形人工肌肉层201的背面沿宽度方向开设有两道V形豁槽205；条形人工肌肉层201的内部埋设有由镍铬合金电阻丝绕制而成的U形电热螺线管206，且U形电热螺线管206的两端均穿过条形人工肌肉层201的尾端面向外引出；条形柔性传热层202的背面与条形人工肌肉层201的正面粘接固定；条形柔性传热层202的内部埋设有由镍铬合金电阻丝绕制而成的蛇形电热线圈207，且蛇形电热线圈207的两端均穿过条形柔性传热层202的尾端面向外引出；条形可变刚度层203的背面与条形柔性传热层202的正面粘接固定；条形柔性接触层204的背面与条形可变刚度层203的正面粘接固定；条形柔性接触层204的正面延伸设置有由多个蘑菇形柔性凸起208构成的柔性凸起阵列；
三根仿生手指的尾端一一对应地插接固定于三个插接槽102内；三个U形电热螺线管206的两端一一对应地贯穿三对外侧穿线孔103；三个蛇形电热线圈207的两端一一对应地贯穿三对内侧穿线孔104。
一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手的制备方法（该方法用于制备本发明所述的一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手），该方法是采用如下步骤实现的：
步骤一：制备条形人工肌肉层201；具体步骤如下：
①将Ecoflex00-50组分A与Ecoflex00-50组分B按质量比1:1混合后搅拌均匀，制得Ecoflex00-50预聚混合物；所述Ecoflex00-50组分A为铂催化硅橡胶基体；所述Ecoflex00-50组分B为铂催化硅橡胶固化剂；
②将无水乙醇与石墨烯混合后置于超声波清洗机中分散30min，制得分散液；所述无水乙醇与Ecoflex00-50预聚混合物的体积比为1:5；所述石墨烯与Ecoflex00-50预聚混合物的质量比为1:100；
③将Ecoflex00-50预聚混合物与分散液混合后搅拌10min，制得混合液；
④先将混合液注入模具内，再将由镍铬合金电阻丝绕制而成的U形电热螺线管206浸没于混合液中，然后固化成型，制得条形人工肌肉层201；
⑤在条形人工肌肉层201的背面沿宽度方向开设两道V形豁槽205；
步骤二：制备条形柔性传热层202；具体步骤如下：
①将聚二甲基硅氧烷与石墨烯按质量比100:1混合后搅拌10min，制得混合液；
②先将混合液注入模具内，再将由镍铬合金电阻丝绕制而成的蛇形电热线圈207浸没于混合液中，然后固化成型，制得条形柔性传热层202；
步骤三：制备条形可变刚度层203；具体步骤如下：
将热塑性聚氨酯弹性体加热熔化后注入模具内，然后热压成型，制得条形可变刚度层203；
步骤四：制备条形柔性接触层204；具体步骤如下：
①在洁净的玻璃片上旋涂厚度为20μm的光刻胶层，旋涂速度为1000r/min，旋涂时间为1min；然后，采用紫外光刻工艺和刻蚀工艺在光刻胶层上刻蚀形成由多个蘑菇形凹槽构成的凹槽阵列；
②将聚二甲基硅氧烷与固化剂按体积比10:1混合后搅拌10min，制得混合液；
③先将混合液置于真空环境下脱气10min，再将混合液旋涂于光刻胶层上，旋涂速度为2000r/min，旋涂时间为1min，然后固化成型，制得条形柔性接触层204以及由多个蘑菇形柔性凸起208构成的柔性凸起阵列；
步骤五：先将条形柔性传热层202的背面与条形人工肌肉层201的正面粘接固定，再将条形可变刚度层203的背面与条形柔性传热层202的正面粘接固定，然后将条形柔性接触层204的背面与条形可变刚度层203的正面粘接固定，由此制得单根仿生手指；
步骤六：重复执行步骤一至步骤五，制得三根仿生手指；
步骤七：采用聚四氟乙烯制备基座；所述基座包括圆盘形座体101；圆盘形座体101的正面延伸设置有三个插接槽102，且三个插接槽102围绕圆盘形座体101的中心线对称分布；每个插接槽102的槽底与圆盘形座体101的背面之间均贯通开设有一对外侧穿线孔103和一对内侧穿线孔104；
步骤八：先将三个U形电热螺线管206的两端一一对应地贯穿三对外侧穿线孔103，再将三个蛇形电热线圈207的两端一一对应地贯穿三对内侧穿线孔104，然后将三根仿生手指的尾端一一对应地插入三个插接槽102内，并用热熔胶填充固定，由此制得一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手。
所述步骤一和步骤二中，镍铬合金电阻丝的直径为0.15mm。
所述步骤二和步骤四中，聚二甲基硅氧烷为Sylgard 184聚二甲基硅氧烷。
所述步骤三中，热塑性聚氨酯弹性体为Desmopan 192热塑性聚氨酯弹性体。
所述步骤四中，光刻胶为AZP4620光刻胶。
所述步骤五中，条形柔性传热层202的背面与条形人工肌肉层201的正面之间、条形可变刚度层203的背面与条形柔性传热层202的正面之间、条形柔性接触层204的背面与条形可变刚度层203的正面之间均通过硅胶专用胶水粘接固定。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手，其特征在于：包括基座和三根尺寸一致的仿生手指；
所述基座包括圆盘形座体（101）；圆盘形座体（101）的正面延伸设置有三个插接槽（102），且三个插接槽（102）围绕圆盘形座体（101）的中心线对称分布；每个插接槽（102）的槽底与圆盘形座体（101）的背面之间均贯通开设有一对外侧穿线孔（103）和一对内侧穿线孔（104）；
所述每根仿生手指均包括条形人工肌肉层（201）、条形柔性传热层（202）、条形可变刚度层（203）、条形柔性接触层（204）；条形人工肌肉层（201）的背面沿宽度方向开设有两道V形豁槽（205）；条形人工肌肉层（201）的内部埋设有由镍铬合金电阻丝绕制而成的U形电热螺线管（206），且U形电热螺线管（206）的两端均穿过条形人工肌肉层（201）的尾端面向外引出；条形柔性传热层（202）的背面与条形人工肌肉层（201）的正面粘接固定；条形柔性传热层（202）的内部埋设有由镍铬合金电阻丝绕制而成的蛇形电热线圈（207），且蛇形电热线圈（207）的两端均穿过条形柔性传热层（202）的尾端面向外引出；条形可变刚度层（203）的背面与条形柔性传热层（202）的正面粘接固定；条形柔性接触层（204）的背面与条形可变刚度层（203）的正面粘接固定；条形柔性接触层（204）的正面延伸设置有由多个蘑菇形柔性凸起（208）构成的柔性凸起阵列；
三根仿生手指的尾端一一对应地插接固定于三个插接槽（102）内；三个U形电热螺线管（206）的两端一一对应地贯穿三对外侧穿线孔（103）；三个蛇形电热线圈（207）的两端一一对应地贯穿三对内侧穿线孔（104）。
2.一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手的制备方法，该方法用于制备如权利要求1所述的一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
步骤一：制备条形人工肌肉层（201）；具体步骤如下：
①将Ecoflex00-50组分A与Ecoflex00-50组分B按质量比1:1混合后搅拌均匀，制得Ecoflex00-50预聚混合物；所述Ecoflex00-50组分A为铂催化硅橡胶基体；所述Ecoflex00-50组分B为铂催化硅橡胶固化剂；
②将无水乙醇与石墨烯混合后置于超声波清洗机中分散30min，制得分散液；所述无水乙醇与Ecoflex00-50预聚混合物的体积比为1:5；所述石墨烯与Ecoflex00-50预聚混合物的质量比为1:100；
③将Ecoflex00-50预聚混合物与分散液混合后搅拌10min，制得混合液；
④先将混合液注入模具内，再将由镍铬合金电阻丝绕制而成的U形电热螺线管（206）浸没于混合液中，然后固化成型，制得条形人工肌肉层（201）；
⑤在条形人工肌肉层（201）的背面沿宽度方向开设两道V形豁槽（205）；
步骤二：制备条形柔性传热层（202）；具体步骤如下：
①将聚二甲基硅氧烷与石墨烯按质量比100:1混合后搅拌10min，制得混合液；
②先将混合液注入模具内，再将由镍铬合金电阻丝绕制而成的蛇形电热线圈（207）浸没于混合液中，然后固化成型，制得条形柔性传热层（202）；
步骤三：制备条形可变刚度层（203）；具体步骤如下：
将热塑性聚氨酯弹性体加热熔化后注入模具内，然后热压成型，制得条形可变刚度层（203）；
步骤四：制备条形柔性接触层（204）；具体步骤如下：
①在洁净的玻璃片上旋涂厚度为20μm的光刻胶层，旋涂速度为1000r/min，旋涂时间为1min；然后，采用紫外光刻工艺和刻蚀工艺在光刻胶层上刻蚀形成由多个蘑菇形凹槽构成的凹槽阵列；
②将聚二甲基硅氧烷与固化剂按体积比10:1混合后搅拌10min，制得混合液；
③先将混合液置于真空环境下脱气10min，再将混合液旋涂于光刻胶层上，旋涂速度为2000r/min，旋涂时间为1min，然后固化成型，制得条形柔性接触层（204）以及由多个蘑菇形柔性凸起（208）构成的柔性凸起阵列；
步骤五：先将条形柔性传热层（202）的背面与条形人工肌肉层（201）的正面粘接固定，再将条形可变刚度层（203）的背面与条形柔性传热层（202）的正面粘接固定，然后将条形柔性接触层（204）的背面与条形可变刚度层（203）的正面粘接固定，由此制得单根仿生手指；
步骤六：重复执行步骤一至步骤五，制得三根仿生手指；
步骤七：采用聚四氟乙烯制备基座；所述基座包括圆盘形座体（101）；圆盘形座体（101）的正面延伸设置有三个插接槽（102），且三个插接槽（102）围绕圆盘形座体（101）的中心线对称分布；每个插接槽（102）的槽底与圆盘形座体（101）的背面之间均贯通开设有一对外侧穿线孔（103）和一对内侧穿线孔（104）；
步骤八：先将三个U形电热螺线管（206）的两端一一对应地贯穿三对外侧穿线孔（103），再将三个蛇形电热线圈（207）的两端一一对应地贯穿三对内侧穿线孔（104），然后将三根仿生手指的尾端一一对应地插入三个插接槽（102）内，并用热熔胶填充固定，由此制得一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手。
3.根据权利要求2所述的一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手的制备方法，其特征在于：所述步骤一和步骤二中，镍铬合金电阻丝的直径为0.15mm。
4.根据权利要求2所述的一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手的制备方法，其特征在于：所述步骤二和步骤四中，聚二甲基硅氧烷为Sylgard 184聚二甲基硅氧烷。
5.根据权利要求2所述的一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，热塑性聚氨酯弹性体为Desmopan 192热塑性聚氨酯弹性体。
6.根据权利要求2所述的一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手的制备方法，其特征在于：所述步骤四中，光刻胶为AZP4620光刻胶。
7.根据权利要求2所述的一种仿生壁虎脚趾的电热驱动式软体抓手的制备方法，其特征在于：所述步骤五中，条形柔性传热层（202）的背面与条形人工肌肉层（201）的正面之间、条形可变刚度层（203）的背面与条形柔性传热层（202）的正面之间、条形柔性接触层（204）的背面与条形可变刚度层（203）的正面之间均通过硅胶专用胶水粘接固定。
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