CN114734471A - 一种小体积软性材料的气动机械手装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小体积软性材料的气动机械手装置，机械手本体内部具有空腔，所述空腔侧壁设有与外部连通的进气口，所述空腔至少一侧具有采用柔性材料制成可形变壁，所述可形变壁上设有多个抓取触角，通过所述进气口进出气带动所述可形变壁发生形变以带动所述至少两个抓取触角打开和/或闭合。通过上述优化设计的小体积软性材料的气动机械手装置，通过气动调节机械手本体内部压力，控制可形变壁发生形变，从而控制抓取触角张开闭合，通过改变内压即可实现超高灵敏输出力。本发明还提出一种小体积软性材料的气动机械手装置的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及气动机械手技术领域，尤其涉及一种小体积软性材料的气动机械手装置及其制备方法。
背景技术
通过对软体机器人的形变和力的研究，实现精微操控试件。微小气动执行器被广泛地应用于生物医学领域，有效地促使这些学科取得长足进展。气动执行器以气体驱动，通常由弹性管状薄膜组成，能够在气压下产生大形变和较大的力，通过气动驱动产生输出力，具有质量轻，输出力大，容易制造等特点，应用前景广阔。例如，在微创手术中，软体气动执行器能够提供更高的灵活性，最大程度减少机器人和器官组织接触，可以最大程度减少患者疼痛并改善临床结果，能够有效地优化手术方案，提高手术的安全性。
传统机器人由刚性部件组成的，具有体积大，造价高，维护成本高，易对易碎样品造成损伤。由于软体机器人多数由整体柔性材料组成，抓取力不易控制，不能操作体积较小试样。
发明内容
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种小体积软性材料的气动机械手装置及其制备方法。
本发明提出的一种小体积软性材料的气动机械手装置，包括：机械手本体；
机械手本体内部具有空腔，所述空腔侧壁设有与外部连通的进气口，所述空腔至少一侧具有采用柔性材料制成可形变壁，所述可形变壁上设有多个抓取触角，通过所述进气口进出气带动所述可形变壁发生形变以带动所述至少两个抓取触角打开和/或闭合。
优选地，多个抓取触角沿环形分布。
优选地，包括三个抓取触角，三个抓取触角成正三角形分布。
优选地，机械手本体包括底座和柔性执行结构，所述柔性执行结构位于底座上，所述空腔位于所述柔性执行结构内。
优选地，柔性执行结构内部具有从底部向上形成的凹槽，柔性执行结构与底座共同形成所述空腔，抓取触角位于凹槽远离底座一侧。
优选地，抓取触角具有圆柱状结构，其长径比为15:1-3。
优选地，相邻两个抓取触角之间的距离与抓取触角的直径之间的比为6:1。
本发明中，所提出的小体积软性材料的气动机械手装置，机械手本体内部具有空腔，所述空腔侧壁设有与外部连通的进气口，所述空腔至少一侧具有采用柔性材料制成可形变壁，所述可形变壁上设有多个抓取触角，通过所述进气口进出气带动所述可形变壁发生形变以带动所述至少两个抓取触角打开和/或闭合。通过上述优化设计的小体积软性材料的气动机械手装置，通过气动调节机械手本体内部压力，控制可形变壁发生形变，从而控制抓取触角张开闭合，通过改变内压即可实现超高灵敏输出力。
本发明还提出一种根据上述的小体积软性材料的气动机械手装置的制备方法，包括下列步骤：
S1、通过3D打印制造出底座和柔性执行结构的模具；
S2、将聚二甲基硅氧烷(PDMS)液体填充上述模具，并将模具置于真空环境中，并分别合模；
S3、将合模后的模具在室温下固化，然后脱模分别形成底座和柔性执行结构，将所述底座和柔性执行结构固定连接。
优选地，在S2中，采用氧等离子体处理和水作为粘合剂粘接两个模具。
优选地，在S2中，将填充后的模具进行真空消泡处理。
本发明中，所提出的小体积软性材料的气动机械手装置的制备方法，通过3D打印制造出底座和柔性执行结构的模具，将PDMS液体填充上述模具，并将模具置于真空环境中，并将两部分模具合上，使得两个模具连接，将合模后的模型在室温下固化。通过上述优化设计的小体积软性材料的气动机械手装置的制备方法，操作简单，加工快速高效，制备成本低，易于量产。
附图说明
图1为本发明提出的一种小体积软性材料的气动机械手装置的一种实施方式的整体结构示意图。
图2为本发明提出的一种小体积软性材料的气动机械手装置的一种实施方式的爆炸结构示意图。
具体实施方式
如图1和2所示，图1为本发明提出的一种小体积软性材料的气动机械手装置的一种实施方式的整体结构示意图，图2为本发明提出的一种小体积软性材料的气动机械手装置的一种实施方式的爆炸结构示意图。
参照图1，本发明提出的一种小体积软性材料的气动机械手装置，包括：机械手本体10；
机械手本体10内部具有空腔12，所述空腔12侧壁设有与外部连通的进气口11，所述空腔12至少一侧具有采用柔性材料制成可形变壁，所述可形变壁上设有多个抓取触角13，通过所述进气口11进出气带动所述可形变壁发生形变以带动所述至少两个抓取触角13打开和/或闭合。
本实施例的小体积软性材料的气动机械手装置的抓取过程中，通过进气口向空腔内送气，可形变壁在内压的作用下向上拱起，其上的抓取触角随其向外周移动，实现抓取触角的打开；相反地，通过进气口从空腔抽气，可形变壁在内压的作用下向下凹陷，其上的抓取触角随其向中部移动，实现抓取触角的闭合，进而完成抓取动作。
在本实施例中，所提出的小体积软性材料的气动机械手装置，机械手本体内部具有空腔，所述空腔侧壁设有与外部连通的进气口，所述空腔至少一侧具有采用柔性材料制成可形变壁，所述可形变壁上设有多个抓取触角，通过所述进气口进出气带动所述可形变壁发生形变以带动所述至少两个抓取触角打开和/或闭合。通过上述优化设计的小体积软性材料的气动机械手装置，通过气动调节机械手本体内部压力，控制可形变壁发生形变，从而控制抓取触角张开闭合，通过改变内压即可实现超高灵敏输出力。
在具体实施方式中，多个抓取触角13沿环形分布。
在一种实施方式中，可设计三个抓取触角13，三个抓取触角13成正三角形分布；通过三角形布置，便于通过下方形变控制三者之间的距离，并且三点抓取更可靠。
在机械手本体的具体结构设计中，机械手本体10包括底座1和柔性执行结构2，所述柔性执行结构2位于底座1上，所述空腔12位于所述柔性执行结构2内；通过底座对柔性执行结构进行支撑。
进一步地，为了便于加工，柔性执行结构2内部具有从底部向上形成的凹槽，柔性执行结构2与底座1共同形成所述空腔12，抓取触角13位于凹槽远离底座1一侧。
具体地，上述的小体积软性材料的气动机械手装置的制备方法，包括下列步骤：
S1、通过3D打印制造出底座1和柔性执行结构2的模具；
S2、将PDMS液体填充上述模具，并将模具置于真空环境中，分别合模；
其中，将填充后的模具进行真空消泡处理。此外，采用氧等离子体处理和水作为粘合剂粘接两个模具。
S3、将合模后的模型在室温下固化，将合模后的模具在室温下固化，然后脱模分别形成底座1和柔性执行结构2，将所述底座1和柔性执行结构2固定连接。
本实施例中，所提出的小体积软性材料的气动机械手装置的制备方法，通过3D打印制造出底座和柔性执行结构的模具，将PDMS液体填充上述模具，并将模具置于真空环境中，并将两部分模具合上，使得两个模具连接，将合模后的模型在室温下固化。通过上述优化设计的小体积软性材料的气动机械手装置的制备方法，操作简单，加工快速高效，制备成本低，易于量产。
为了保证抓取触角的抓取最佳性能，在抓取触角结构设计中，抓取触角13具有圆柱状结构，其长径比为15:1-3。相应地，相邻两个抓取触角13之间的距离与抓取触角13的直径之间的比为6:1。
下面通过具体实例详细说明本实施例的小体积软性材料的气动机械手装置。
首先本实施例提出一种气动机械手装置的制备方法，包括：
S1、采用立体光刻3D打印机制备气动机械手装置所需的模具。为了完成气动机械手装置的制造，两个模具分别在65℃的烘箱中进行光固化、热固化72小时，以及硅烷气体作为表面处理，硅化可以通过包含硅烷气体使表面更加疏水。
用于制备气动执行结构的模具设计有三个孔以形成三个抓取触角。该模具边长为8mm，高度5mm。
在模具内注入的成型液的制备中，采用PDMS聚合物溶液和引发剂以(15:1)的比例混合，以获得非常柔软和可变形的材料，并以25℃的温度固化一周。将混合液倒入模具，放置于真空环境中去除气泡。然后，将模具合模，室温下放置一周后成型脱模。
通过使用氧等离子体处理和水作为粘合液，将脱模后的底座和气动执行结构粘接在一起，形成含有空腔的启动机械手装置。
通过上述制备方法制备的气动机械手装置，包括聚合物形成的底座，气动执行结构的底面通过氧等离子体处理和水作为粘合液与底座1黏结。
在设置过程中，聚合物执行器3的中心轴线与底座1的中心轴线重合。
在具体设置过程中，气动机械手装置的抓取触角直径为100μm，三个触角的中心轴线构成了边长为600μm的等边三角形，长度为1.5mm。当触角构成的等边三角形边长尺寸过大时，需要更大的力驱动触角的活动，不利于控制输出力。当触角构成的等边三角形边长尺寸过小时，无法抓取大的物体。因此针对样本选取适当尺寸是非常必要的。
在使用上述机械手装置时，利用毫升注射器与气体通道直接连接，通过充气抽气改变腔体中的体积，从而引起触手下面薄膜的变形，实现触手的抓取，可以产生高精度的输出力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种小体积软性材料的气动机械手装置，其特征在于，包括：机械手本体(10)；
机械手本体(10)内部具有空腔(12)，所述空腔(12)侧壁设有与外部连通的进气口(11)，所述空腔(12)至少一侧具有采用柔性材料制成可形变壁，所述可形变壁上设有多个抓取触角(13)，通过所述进气口(11)进出气带动所述可形变壁发生形变以带动所述至少两个抓取触角(13)打开和/或闭合。
2.根据权利要求1所述的小体积软性材料的气动机械手装置，其特征在于，多个抓取触角(13)沿环形分布。
3.根据权利要求2所述的小体积软性材料的气动机械手装置，其特征在于，包括三个抓取触角(13)，三个抓取触角(13)成正三角形分布。
4.根据权利要求1所述的小体积软性材料的气动机械手装置，其特征在于，机械手本体(10)包括底座(1)和柔性执行结构(2)，所述柔性执行结构(2)位于底座(1)上，所述空腔(12)位于所述柔性执行结构(2)内。
5.根据权利要求4所述的小体积软性材料的气动机械手装置，其特征在于，柔性执行结构(2)内部具有从底部向上形成的凹槽，柔性执行结构(2)与底座(1)共同形成所述空腔(12)，抓取触角(13)位于凹槽远离底座(1)一侧。
6.根据权利要求1-5任一项所述的小体积软性材料的气动机械手装置，其特征在于，抓取触角(13)具有圆柱状结构，其长径比为15:1。
7.根据权利要求6任一项所述的小体积软性材料的气动机械手装置，其特征在于，相邻两个抓取触角(13)之间的距离与抓取触角(13)的直径之间的比为6:1。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述的小体积软性材料的气动机械手装置的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
S1、通过3D打印制造出底座(1)和柔性执行结构(2)的模具；
S2、将PDMS液体填充上述模具，并将模具置于真空环境中，并将两部分模具合上，使得两个模具连接；
S3、将合模后的模具在室温下固化，然后脱模分别形成底座(1)和柔性执行结构(2)，将所述底座(1)和柔性执行结构(2)固定连接。
9.根据权利要求8所述的小体积软性材料的气动机械手装置的制备方法，其特征在于，在S2中，采用氧等离子体处理和水作为粘合剂粘接两个模具。
10.根据权利要求8所述的小体积软性材料的气动机械手装置的制备方法，其特征在于，在S2中，将填充后的模具进行真空消泡处理。
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