CN118024306B - 一种自动辅助抓握的夹层式仿生软体抓手及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机械手技术领域，具体是一种自动辅助抓握的夹层式仿生软体抓手及其制备方法。本发明解决了手部力量丧失导致患者无法进行手部活动的问题。一种自动辅助抓握的夹层式仿生软体抓手，包括手套和十四个动力结构；每个动力结构均包括两个驱动器、一个可变刚度网格层、一对传动骨架、一个应变传感器；每个驱动器均包括一个柔性隔热层、一个柔性电加热层、一对柔性导线A、一个柔性封装层A、一对液晶弹性体驱动层、一个薄膜温度传感器、一个柔性水冷却层、一根柔性水管；每个应变传感器均包括一个柔性敏感层、一个柔性叉指电极、一个柔性封装层B、一对柔性导线B。本发明适用于医疗保健领域。
Description
技术领域
本发明涉及机械手技术领域，具体是一种自动辅助抓握的夹层式仿生软体抓手及其制备方法。
背景技术
日常生活中，很多人会因为疾病、受伤等原因而导致手部力量丧失。手部力量丧失直接导致患者无法进行有力的抓握、稳定的释放等手部活动，由此不仅给患者的生活起居带来了极大的不便，而且严重影响了患者的身心健康。近年来，柔性功能材料因其具有良好的生物相容性与人机互动性，而被广泛应用于医疗保健领域。在此背景下，有必要基于柔性功能材料发明一种自动辅助抓握的夹层式仿生软体抓手及其制备方法，以解决手部力量丧失导致患者无法进行手部活动的问题。
发明内容
本发明为了解决手部力量丧失导致患者无法进行手部活动的问题，提供了一种自动辅助抓握的夹层式仿生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：
一种自动辅助抓握的夹层式仿生软体抓手，包括手套和十四个动力结构；
每个动力结构均包括两个驱动器、一个可变刚度网格层、一对传动骨架、一个应变传感器；
每个驱动器均包括一个柔性隔热层、一个柔性电加热层、一对柔性导线A、一个柔性封装层A、一对液晶弹性体驱动层、一个薄膜温度传感器、一个柔性水冷却层、一根柔性水管；柔性隔热层的正面开设有凹腔；柔性电加热层层叠于凹腔的底面；一对柔性导线A均埋设于柔性隔热层的内部；一对柔性导线A的首端均与柔性电加热层连接；一对柔性导线A的尾端均向外引出；柔性封装层A同时层叠于柔性隔热层的正面和柔性电加热层的正面；一对液晶弹性体驱动层并排层叠于柔性封装层A的正面；薄膜温度传感器层叠于柔性封装层A的正面，且薄膜温度传感器位于一对液晶弹性体驱动层之间；薄膜温度传感器的两端均向外引出；柔性水冷却层同时层叠于柔性封装层A的正面、一对液晶弹性体驱动层的正面、薄膜温度传感器的正面；柔性水冷却层的正面边缘开设有一对相互对称的豁槽；柔性水管埋设于柔性水冷却层的内部；柔性水管的两端均向外引出；
每个动力结构中两个柔性水冷却层的正面相互对接，且每个动力结构中可变刚度网格层夹设于两个柔性水冷却层的正面之间；每个动力结构中两对豁槽对接构成一对凹孔，且每个动力结构中一对传动骨架分别插设于一对凹孔内；
每个应变传感器均包括一个柔性敏感层、一个柔性叉指电极、一个柔性封装层B、一对柔性导线B；柔性敏感层层叠于对应动力结构的第一个柔性隔热层的背面；柔性叉指电极层叠于柔性敏感层的正面；柔性封装层B同时层叠于对应动力结构的第一个柔性隔热层的背面、柔性敏感层的正面、柔性叉指电极的正面；一对柔性导线B均埋设于柔性封装层B的内部；一对柔性导线B的首端分别与柔性叉指电极的两极连接；一对柔性导线B的尾端均向外引出；
手套为双层结构；十四个动力结构均夹设于手套的指背里层和指背外层之间，且十四个动力结构一一对应地位于手套的九个指间关节部位和五个掌指关节部位；每对柔性导线A的尾端、每个薄膜温度传感器的两端、每根柔性水管的两端、每对柔性导线B的尾端均穿过手套的指背外层向外引出；每根传动骨架均沿对应的手指方向设置；每个柔性封装层B均与手套的指背外层接触。
手套的里层采用聚酯纤维制成；手套的外层采用涤纶制成。
所述柔性隔热层的厚度为2mm；所述凹腔的深度为1mm；所述液晶弹性体驱动层的厚度为0.5mm；所述柔性水冷却层的厚度为1.5mm。
一种自动辅助抓握的夹层式仿生软体抓手的制备方法（该方法用于制备本发明所述的一种自动辅助抓握的夹层式仿生软体抓手），该方法是采用如下步骤实现的：
步骤1：制备第一个驱动器；具体步骤如下：
步骤1.1：将ESSIL296硅橡胶注入模具内，并将第一对柔性导线A浸没于ESSIL296硅橡胶中，然后固化成型，制得正面开设有第一个凹腔的第一个柔性隔热层；
步骤1.2：在第一个凹腔的底面均匀喷涂碳纳米管导电发热溶液，然后加热使其基载液挥发，制得第一个柔性电加热层；
步骤1.3：利用KH550水解硅烷偶联剂溶液对第一个柔性隔热层和第一个柔性电加热层进行低表面能处理；
步骤1.4：将预先制备好的Ecoflex00-50预聚混合物浇筑于第一个柔性隔热层的正面和第一个柔性电加热层的正面，然后固化成型，制得第一个柔性封装层A；
步骤1.5：将预先制备好的液晶弹性体混合液注入模具内，然后固化成型，制得第一对液晶弹性体驱动层；
步骤1.6：利用KH550水解硅烷偶联剂溶液对第一个柔性封装层A和第一对液晶弹性体驱动层进行低表面能处理，然后将第一对液晶弹性体驱动层并排粘合于第一个柔性封装层A的正面；
步骤1.7：将预先选取的第一个薄膜温度传感器粘合于第一个柔性封装层A的正面，并保证第一个薄膜温度传感器位于第一对液晶弹性体驱动层之间；
步骤1.8：将预先制备好的Ecoflex00-50预聚混合物浇筑于第一个柔性封装层A的正面、第一对液晶弹性体驱动层的正面、第一个薄膜温度传感器的正面，并将第一根柔性水管浸没于Ecoflex00-50预聚混合物中，然后在85℃下固化成型，制得第一个柔性水冷却层；然后，在第一个柔性水冷却层的正面边缘开设第一对豁槽，由此制得第一个驱动器；
步骤2：制备第二个驱动器；具体步骤如下：
步骤2.1：将ESSIL296硅橡胶注入模具内，并将第二对柔性导线A浸没于ESSIL296硅橡胶中，然后固化成型，制得正面开设有第二个凹腔的第二个柔性隔热层；
步骤2.2：在第二个凹腔的底面均匀喷涂碳纳米管导电发热溶液，然后加热使其基载液挥发，制得第二个柔性电加热层；
步骤2.3：利用KH550水解硅烷偶联剂溶液对第二个柔性隔热层和第二个柔性电加热层进行低表面能处理；
步骤2.4：将预先制备好的Ecoflex00-50预聚混合物浇筑于第二个柔性隔热层的正面和第二个柔性电加热层的正面，然后固化成型，制得第二个柔性封装层A；
步骤2.5：将预先制备好的液晶弹性体混合液注入模具内，然后固化成型，制得第二对液晶弹性体驱动层；
步骤2.6：利用KH550水解硅烷偶联剂溶液对第二个柔性封装层A和第二对液晶弹性体驱动层进行低表面能处理，然后将第二对液晶弹性体驱动层并排粘合于第二个柔性封装层A的正面；
步骤2.7：将预先选取的第二个薄膜温度传感器粘合于第二个柔性封装层A的正面，并保证第二个薄膜温度传感器位于第二对液晶弹性体驱动层之间；
步骤2.8：将预先制备好的Ecoflex00-50预聚混合物浇筑于第二个柔性封装层A的正面、第二对液晶弹性体驱动层的正面、第二个薄膜温度传感器的正面，并将第二根柔性水管浸没于Ecoflex00-50预聚混合物中，然后在24℃下固化成型，制得第二个柔性水冷却层；然后，在第二个柔性水冷却层的正面边缘开设第二对豁槽，由此制得第二个驱动器；
步骤3：制备可变刚度网格层；具体步骤如下：
将低熔点合金加热熔化后注入模具内，然后热压成型，制得可变刚度网格层；
步骤4：制备一对传动骨架；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，制得一对传动骨架；
步骤5：将可变刚度网格层放置于两个柔性水冷却层的正面之间，并将两个柔性水冷却层的正面相互粘合，使得两对豁槽对接构成一对凹孔，然后将一对传动骨架分别插设于一对凹孔内；
步骤6：制备一个应变传感器；具体步骤如下：
步骤6.1：制备柔性敏感层；具体步骤如下：
将聚二甲基硅氧烷、银纳米片、还原氧化石墨烯按质量比10:10:1混合后搅拌均匀，制得混合浆料，然后通过刮涂法在第一个柔性隔热层的背面制得由混合浆料制成的柔性敏感层；
步骤6.2：制备柔性叉指电极；具体步骤如下：
通过刮涂法制得由ESSIL296硅橡胶制成的基底，并利用压电式喷墨打印机在基底上打印出柔性叉指电极，然后将柔性叉指电极转印到柔性敏感层的正面；
步骤6.3：制备柔性封装层B；具体步骤如下：
将预先制备好的Ecoflex00-50预聚混合物浇筑于第一个柔性隔热层的背面、柔性敏感层的正面、柔性叉指电极的正面，并将一对柔性导线B浸没于Ecoflex00-50预聚混合物中，然后固化成型，制得柔性封装层B，由此制得一个应变传感器，从而制得一个动力结构；
步骤7：重复执行步骤1至步骤6，制得十四个动力结构；
步骤8：将十四个动力结构缝制于手套的指背里层和指背外层之间，一方面保证十四个动力结构一一对应地位于手套的九个指间关节部位和五个掌指关节部位，另一方面保证每对柔性导线A的尾端、每个薄膜温度传感器的两端、每根柔性水管的两端、每对柔性导线B的尾端均穿过手套的指背外层向外引出，第三方面保证每根传动骨架均沿对应的手指方向设置，第四方面保证每个柔性封装层B均与手套的指背外层接触。
所述Ecoflex00-50预聚混合物的制备步骤如下：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。
所述液晶弹性体混合液的制备步骤如下：首先，将液晶单体与甲苯按质量比115:36在烧杯中混合，制得液晶单体混合液；然后，将液晶单体混合液置于100℃的烘台上加热20min，依次向液晶单体混合液中加入四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯、α-羟基异丁酰苯、多巴胺，磁力搅拌3min，真空脱气2min，制得液晶弹性体混合液；所述四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯作为交联剂，且所述四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯与液晶单体混合液的质量比为1:151；所述α-羟基异丁酰苯作为光引发剂，且所述α-羟基异丁酰苯与液晶单体混合液的质量比为25:151；所述多巴胺作为催化剂。
本发明所述的一种自动辅助抓握的夹层式仿生软体抓手采用独特的液晶弹性体受热变形方式进行驱动，其藉由隔热能力强的柔性隔热层、适应性良好的可变刚度网格层、体积小且灵敏度高的应变传感器和薄膜温度传感器，实现了自动辅助手部力量丧失的患者进行有力的抓握、稳定的释放等手部活动，由此不仅极大地方便了患者的生活起居，而且有效地促进了患者的身心健康。
本发明有效解决了手部力量丧失导致患者无法进行手部活动的问题，适用于医疗保健领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中单个动力结构的结构示意图。
图3是图2的部分结构示意图。
图4是图3的部分结构示意图。
图5是图4的部分结构示意图。
图6是图5的部分结构示意图。
图7是图6的部分结构示意图。
图8是图7的部分结构示意图。
图9是图8的部分结构示意图。
图10是图9的部分结构示意图。
图11是图10的部分结构示意图。
图12是图11的部分结构示意图。
图13是图12的部分结构示意图。
图14是图13的部分结构示意图。
图15是图14的部分结构示意图。
图16是图2的另一角度结构示意图。
图17是图16的部分结构示意图。
图18是图17的部分结构示意图。
图19是图18的部分结构示意图。
图20是图19的部分结构示意图。
图21是图20的部分结构示意图。
图22是图21的部分结构示意图。
图23是图22的部分结构示意图。
图24是图23的部分结构示意图。
图25是图24的部分结构示意图。
图26是图25的部分结构示意图。
图27是图26的部分结构示意图。
图28是图27的部分结构示意图。
图29是图28的部分结构示意图。
图30是本发明中单个动力结构由伸展状态变形为弯曲状态的示意图。
图31是本发明中单个动力结构由弯曲状态变形为伸展状态的示意图。
图中：1-手套，201-柔性隔热层，202-柔性电加热层，203-柔性导线A，204-柔性封装层A，205-液晶弹性体驱动层，206-薄膜温度传感器，207-柔性水冷却层，208-柔性水管，209-可变刚度网格层，210-传动骨架，301-柔性敏感层，302-柔性叉指电极，303-柔性封装层B，304-柔性导线B。
具体实施方式
一种自动辅助抓握的夹层式仿生软体抓手，包括手套1和十四个动力结构；
每个动力结构均包括两个驱动器、一个可变刚度网格层209、一对传动骨架210、一个应变传感器；
每个驱动器均包括一个柔性隔热层201、一个柔性电加热层202、一对柔性导线A203、一个柔性封装层A204、一对液晶弹性体驱动层205、一个薄膜温度传感器206、一个柔性水冷却层207、一根柔性水管208；柔性隔热层201的正面开设有凹腔；柔性电加热层202层叠于凹腔的底面；一对柔性导线A203均埋设于柔性隔热层201的内部；一对柔性导线A203的首端均与柔性电加热层202连接；一对柔性导线A203的尾端均向外引出；柔性封装层A204同时层叠于柔性隔热层201的正面和柔性电加热层202的正面；一对液晶弹性体驱动层205并排层叠于柔性封装层A204的正面；薄膜温度传感器206层叠于柔性封装层A204的正面，且薄膜温度传感器206位于一对液晶弹性体驱动层205之间；薄膜温度传感器206的两端均向外引出；柔性水冷却层207同时层叠于柔性封装层A204的正面、一对液晶弹性体驱动层205的正面、薄膜温度传感器206的正面；柔性水冷却层207的正面边缘开设有一对相互对称的豁槽；柔性水管208埋设于柔性水冷却层207的内部；柔性水管208的两端均向外引出；
每个动力结构中两个柔性水冷却层207的正面相互对接，且每个动力结构中可变刚度网格层209夹设于两个柔性水冷却层207的正面之间；每个动力结构中两对豁槽对接构成一对凹孔，且每个动力结构中一对传动骨架210分别插设于一对凹孔内；
每个应变传感器均包括一个柔性敏感层301、一个柔性叉指电极302、一个柔性封装层B303、一对柔性导线B304；柔性敏感层301层叠于对应动力结构的第一个柔性隔热层201的背面；柔性叉指电极302层叠于柔性敏感层301的正面；柔性封装层B303同时层叠于对应动力结构的第一个柔性隔热层201的背面、柔性敏感层301的正面、柔性叉指电极302的正面；一对柔性导线B304均埋设于柔性封装层B303的内部；一对柔性导线B304的首端分别与柔性叉指电极302的两极连接；一对柔性导线B304的尾端均向外引出；
手套1为双层结构；十四个动力结构均夹设于手套1的指背里层和指背外层之间，且十四个动力结构一一对应地位于手套1的九个指间关节部位和五个掌指关节部位；每对柔性导线A203的尾端、每个薄膜温度传感器206的两端、每根柔性水管208的两端、每对柔性导线B304的尾端均穿过手套1的指背外层向外引出；每根传动骨架210均沿对应的手指方向设置；每个柔性封装层B303均与手套1的指背外层接触。
手套1的里层采用聚酯纤维制成；手套1的外层采用涤纶制成。
所述柔性隔热层201的厚度为2mm；所述凹腔的深度为1mm；所述液晶弹性体驱动层205的厚度为0.5mm；所述柔性水冷却层207的厚度为1.5mm。
一种自动辅助抓握的夹层式仿生软体抓手的制备方法（该方法用于制备本发明所述的一种自动辅助抓握的夹层式仿生软体抓手），该方法是采用如下步骤实现的：
步骤1：制备第一个驱动器；具体步骤如下：
步骤1.1：将ESSIL296硅橡胶注入模具内，并将第一对柔性导线A203浸没于ESSIL296硅橡胶中，然后固化成型，制得正面开设有第一个凹腔的第一个柔性隔热层201；
步骤1.2：在第一个凹腔的底面均匀喷涂碳纳米管导电发热溶液，然后加热使其基载液挥发，制得第一个柔性电加热层202；
步骤1.3：利用KH550水解硅烷偶联剂溶液对第一个柔性隔热层201和第一个柔性电加热层202进行低表面能处理；
步骤1.4：将预先制备好的Ecoflex00-50预聚混合物浇筑于第一个柔性隔热层201的正面和第一个柔性电加热层202的正面，然后固化成型，制得第一个柔性封装层A204；
步骤1.5：将预先制备好的液晶弹性体混合液注入模具内，然后固化成型，制得第一对液晶弹性体驱动层205；
步骤1.6：利用KH550水解硅烷偶联剂溶液对第一个柔性封装层A204和第一对液晶弹性体驱动层205进行低表面能处理，然后将第一对液晶弹性体驱动层205并排粘合于第一个柔性封装层A204的正面；
步骤1.7：将预先选取的第一个薄膜温度传感器206粘合于第一个柔性封装层A204的正面，并保证第一个薄膜温度传感器206位于第一对液晶弹性体驱动层205之间；
步骤1.8：将预先制备好的Ecoflex00-50预聚混合物浇筑于第一个柔性封装层A204的正面、第一对液晶弹性体驱动层205的正面、第一个薄膜温度传感器206的正面，并将第一根柔性水管208浸没于Ecoflex00-50预聚混合物中，然后在85℃下固化成型，制得第一个柔性水冷却层207；然后，在第一个柔性水冷却层207的正面边缘开设第一对豁槽，由此制得第一个驱动器；
步骤2：制备第二个驱动器；具体步骤如下：
步骤2.1：将ESSIL296硅橡胶注入模具内，并将第二对柔性导线A203浸没于ESSIL296硅橡胶中，然后固化成型，制得正面开设有第二个凹腔的第二个柔性隔热层201；
步骤2.2：在第二个凹腔的底面均匀喷涂碳纳米管导电发热溶液，然后加热使其基载液挥发，制得第二个柔性电加热层202；
步骤2.3：利用KH550水解硅烷偶联剂溶液对第二个柔性隔热层201和第二个柔性电加热层202进行低表面能处理；
步骤2.4：将预先制备好的Ecoflex00-50预聚混合物浇筑于第二个柔性隔热层201的正面和第二个柔性电加热层202的正面，然后固化成型，制得第二个柔性封装层A204；
步骤2.5：将预先制备好的液晶弹性体混合液注入模具内，然后固化成型，制得第二对液晶弹性体驱动层205；
步骤2.6：利用KH550水解硅烷偶联剂溶液对第二个柔性封装层A204和第二对液晶弹性体驱动层205进行低表面能处理，然后将第二对液晶弹性体驱动层205并排粘合于第二个柔性封装层A204的正面；
步骤2.7：将预先选取的第二个薄膜温度传感器206粘合于第二个柔性封装层A204的正面，并保证第二个薄膜温度传感器206位于第二对液晶弹性体驱动层205之间；
步骤2.8：将预先制备好的Ecoflex00-50预聚混合物浇筑于第二个柔性封装层A204的正面、第二对液晶弹性体驱动层205的正面、第二个薄膜温度传感器206的正面，并将第二根柔性水管208浸没于Ecoflex00-50预聚混合物中，然后在24℃下固化成型，制得第二个柔性水冷却层207；然后，在第二个柔性水冷却层207的正面边缘开设第二对豁槽，由此制得第二个驱动器；
步骤3：制备可变刚度网格层209；具体步骤如下：
将低熔点合金加热熔化后注入模具内，然后热压成型，制得可变刚度网格层209；
步骤4：制备一对传动骨架210；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，制得一对传动骨架210；
步骤5：将可变刚度网格层209放置于两个柔性水冷却层207的正面之间，并将两个柔性水冷却层207的正面相互粘合，使得两对豁槽对接构成一对凹孔，然后将一对传动骨架210分别插设于一对凹孔内；
步骤6：制备一个应变传感器；具体步骤如下：
步骤6.1：制备柔性敏感层301；具体步骤如下：
将聚二甲基硅氧烷、银纳米片、还原氧化石墨烯按质量比10:10:1混合后搅拌均匀，制得混合浆料，然后通过刮涂法在第一个柔性隔热层201的背面制得由混合浆料制成的柔性敏感层301；
步骤6.2：制备柔性叉指电极302；具体步骤如下：
通过刮涂法制得由ESSIL296硅橡胶制成的基底，并利用压电式喷墨打印机在基底上打印出柔性叉指电极302，然后将柔性叉指电极302转印到柔性敏感层301的正面；
步骤6.3：制备柔性封装层B303；具体步骤如下：
将预先制备好的Ecoflex00-50预聚混合物浇筑于第一个柔性隔热层201的背面、柔性敏感层301的正面、柔性叉指电极302的正面，并将一对柔性导线B304浸没于Ecoflex00-50预聚混合物中，然后固化成型，制得柔性封装层B303，由此制得一个应变传感器，从而制得一个动力结构；
步骤7：重复执行步骤1至步骤6，制得十四个动力结构；
步骤8：将十四个动力结构缝制于手套1的指背里层和指背外层之间，一方面保证十四个动力结构一一对应地位于手套1的九个指间关节部位和五个掌指关节部位，另一方面保证每对柔性导线A203的尾端、每个薄膜温度传感器206的两端、每根柔性水管208的两端、每对柔性导线B304的尾端均穿过手套1的指背外层向外引出，第三方面保证每根传动骨架210均沿对应的手指方向设置，第四方面保证每个柔性封装层B303均与手套1的指背外层接触。
所述Ecoflex00-50预聚混合物的制备步骤如下：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。
所述液晶弹性体混合液的制备步骤如下：首先，将液晶单体与甲苯按质量比115:36在烧杯中混合，制得液晶单体混合液；然后，将液晶单体混合液置于100℃的烘台上加热20min，依次向液晶单体混合液中加入四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯、α-羟基异丁酰苯、多巴胺，磁力搅拌3min，真空脱气2min，制得液晶弹性体混合液；所述四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯作为交联剂，且所述四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯与液晶单体混合液的质量比为1:151；所述α-羟基异丁酰苯作为光引发剂，且所述α-羟基异丁酰苯与液晶单体混合液的质量比为25:151；所述多巴胺作为催化剂。
工作时，配备两个外部电源、两个外部循环水源、一个外部控制器。每个动力结构的第一对柔性导线A203的尾端均与第一个外部电源连接。每个动力结构的第二对柔性导线A203的尾端均与第二个外部电源连接。每个动力结构的第一根柔性水管208的两端均与第一个外部循环水源连通。每个动力结构的第二根柔性水管208的两端均与第二个外部循环水源连通。每个薄膜温度传感器206的两端、每对柔性导线B304的尾端、两个外部电源、两个外部循环水源均与外部控制器连接。
需要说明的是，在每个动力结构中，由于两个柔性水冷却层207的固化成型温度截然不同，使得两对液晶弹性体驱动层205的变形方式截然不同。具体说明如下：
一、由于第一个柔性水冷却层207为高温固化成型（固化成型温度为85℃），使得第一对液晶弹性体驱动层205的变形方式为：在高温下沿取向方向伸展，在常温下沿取向方向弯曲。
二、由于第二个柔性水冷却层207为常温固化成型（固化成型温度为24℃），使得第二对液晶弹性体驱动层205的变形方式为：在常温下沿取向方向伸展，在高温下沿取向方向弯曲。
每个动力结构的工作状态均包括伸展状态和弯曲状态。
具体工作过程如下：
首先，将手套戴在患者的手上。
若患者要抓握物体，则控制十四个动力结构由伸展状态变形为弯曲状态。在十四个动力结构的带动下，手套及患者的五指由伸展状态变形为弯曲状态，由此对物体进行抓握。
若患者要释放抓握到的物体，则控制十四个动力结构由弯曲状态变形为伸展状态。在十四个动力结构的带动下，手套及患者的五指由弯曲状态变形为伸展状态，由此将抓握到的物体进行释放。
单个动力结构由伸展状态变形为弯曲状态的控制过程如下：
首先，外部控制器控制第二个外部电源开启（第一个外部电源保持关闭），使得第二个柔性电加热层202通电发热，由此使得可变刚度网格层209受热而呈熔融状态。
此时，第二对液晶弹性体驱动层205受热而沿取向方向弯曲，第一对液晶弹性体驱动层205未受热而沿取向方向弯曲。由于两对液晶弹性体驱动层205均沿取向方向弯曲，使得两个驱动器均沿取向方向弯曲，由此使得动力结构沿取向方向弯曲，从而使得动力结构变形为弯曲状态。
然后，外部控制器控制第一个外部循环水源开启（第二个外部循环水源保持关闭），使得第一根柔性水管208中的冷却水循环流动，由此使得可变刚度网格层209降温而呈固化状态，从而防止动力结构回弹为伸展状态。
然后，外部控制器一方面控制第二个外部电源关闭，另一方面控制第一个外部循环水源关闭。
在上述过程中，两个薄膜温度传感器206实时测量动力结构的温度，并将测量结果实时发送至外部控制器。应变传感器实时测量动力结构的变形量，并将测量结果实时发送至外部控制器。外部控制器根据测量结果实时控制第二个外部电源及第一个外部循环水源的开关时间，由此实时控制动力结构的温度及变形量。
单个动力结构由弯曲状态变形为伸展状态的控制过程如下：
首先，外部控制器控制第一个外部电源开启（第二个外部电源保持关闭），使得第一个柔性电加热层202通电发热，由此使得可变刚度网格层209受热而呈熔融状态。
此时，第一对液晶弹性体驱动层205受热而沿取向方向伸展，第二对液晶弹性体驱动层205未受热而沿取向方向伸展。由于两对液晶弹性体驱动层205均沿取向方向伸展，使得两个驱动器均沿取向方向伸展，由此使得动力结构沿取向方向伸展，从而使得动力结构变形为伸展状态。
然后，外部控制器控制第二个外部循环水源开启（第一个外部循环水源保持关闭），使得第二根柔性水管208中的冷却水循环流动，由此使得可变刚度网格层209降温而呈固化状态，从而防止动力结构回弹为弯曲状态。
然后，外部控制器一方面控制第一个外部电源关闭，另一方面控制第二个外部循环水源关闭。
在上述过程中，两个薄膜温度传感器206实时测量动力结构的温度，并将测量结果实时发送至外部控制器。应变传感器实时测量动力结构的变形量，并将测量结果实时发送至外部控制器。外部控制器根据测量结果实时控制第一个外部电源及第二个外部循环水源的开关时间，由此实时控制动力结构的温度及变形量。
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 (6)
1.一种自动辅助抓握的夹层式仿生软体抓手，其特征在于：包括手套（1）和十四个动力结构；
每个动力结构均包括两个驱动器、一个可变刚度网格层（209）、一对传动骨架（210）、一个应变传感器；
每个驱动器均包括一个柔性隔热层（201）、一个柔性电加热层（202）、一对柔性导线A（203）、一个柔性封装层A（204）、一对液晶弹性体驱动层（205）、一个薄膜温度传感器（206）、一个柔性水冷却层（207）、一根柔性水管（208）；柔性隔热层（201）的正面开设有凹腔；柔性电加热层（202）层叠于凹腔的底面；一对柔性导线A（203）均埋设于柔性隔热层（201）的内部；一对柔性导线A（203）的首端均与柔性电加热层（202）连接；一对柔性导线A（203）的尾端均向外引出；柔性封装层A（204）同时层叠于柔性隔热层（201）的正面和柔性电加热层（202）的正面；一对液晶弹性体驱动层（205）并排层叠于柔性封装层A（204）的正面；薄膜温度传感器（206）层叠于柔性封装层A（204）的正面，且薄膜温度传感器（206）位于一对液晶弹性体驱动层（205）之间；薄膜温度传感器（206）的两端均向外引出；柔性水冷却层（207）同时层叠于柔性封装层A（204）的正面、一对液晶弹性体驱动层（205）的正面、薄膜温度传感器（206）的正面；柔性水冷却层（207）的正面边缘开设有一对相互对称的豁槽；柔性水管（208）埋设于柔性水冷却层（207）的内部；柔性水管（208）的两端均向外引出；
每个动力结构中两个柔性水冷却层（207）的正面相互对接，且每个动力结构中可变刚度网格层（209）夹设于两个柔性水冷却层（207）的正面之间；每个动力结构中两对豁槽对接构成一对凹孔，且每个动力结构中一对传动骨架（210）分别插设于一对凹孔内；
每个应变传感器均包括一个柔性敏感层（301）、一个柔性叉指电极（302）、一个柔性封装层B（303）、一对柔性导线B（304）；柔性敏感层（301）层叠于对应动力结构的第一个柔性隔热层（201）的背面；柔性叉指电极（302）层叠于柔性敏感层（301）的正面；柔性封装层B（303）同时层叠于对应动力结构的第一个柔性隔热层（201）的背面、柔性敏感层（301）的正面、柔性叉指电极（302）的正面；一对柔性导线B（304）均埋设于柔性封装层B（303）的内部；一对柔性导线B（304）的首端分别与柔性叉指电极（302）的两极连接；一对柔性导线B（304）的尾端均向外引出；
手套（1）为双层结构；十四个动力结构均夹设于手套（1）的指背里层和指背外层之间，且十四个动力结构一一对应地位于手套（1）的九个指间关节部位和五个掌指关节部位；每对柔性导线A（203）的尾端、每个薄膜温度传感器（206）的两端、每根柔性水管（208）的两端、每对柔性导线B（304）的尾端均穿过手套（1）的指背外层向外引出；每根传动骨架（210）均沿对应的手指方向设置；每个柔性封装层B（303）均与手套（1）的指背外层接触。
2.根据权利要求1所述的一种自动辅助抓握的夹层式仿生软体抓手，其特征在于：手套（1）的里层采用聚酯纤维制成；手套（1）的外层采用涤纶制成。
3.根据权利要求1所述的一种自动辅助抓握的夹层式仿生软体抓手，其特征在于：所述柔性隔热层（201）的厚度为2mm；所述凹腔的深度为1mm；所述液晶弹性体驱动层（205）的厚度为0.5mm；所述柔性水冷却层（207）的厚度为1.5mm。
4.一种自动辅助抓握的夹层式仿生软体抓手的制备方法，该方法用于制备如权利要求1所述的一种自动辅助抓握的夹层式仿生软体抓手，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
步骤1：制备第一个驱动器；具体步骤如下：
步骤1.1：将ESSIL296硅橡胶注入模具内，并将第一对柔性导线A（203）浸没于ESSIL296硅橡胶中，然后固化成型，制得正面开设有第一个凹腔的第一个柔性隔热层（201）；
步骤1.2：在第一个凹腔的底面均匀喷涂碳纳米管导电发热溶液，然后加热使其基载液挥发，制得第一个柔性电加热层（202）；
步骤1.3：利用KH550水解硅烷偶联剂溶液对第一个柔性隔热层（201）和第一个柔性电加热层（202）进行低表面能处理；
步骤1.4：将预先制备好的Ecoflex00-50预聚混合物浇筑于第一个柔性隔热层（201）的正面和第一个柔性电加热层（202）的正面，然后固化成型，制得第一个柔性封装层A（204）；
步骤1.5：将预先制备好的液晶弹性体混合液注入模具内，然后固化成型，制得第一对液晶弹性体驱动层（205）；
步骤1.6：利用KH550水解硅烷偶联剂溶液对第一个柔性封装层A（204）和第一对液晶弹性体驱动层（205）进行低表面能处理，然后将第一对液晶弹性体驱动层（205）并排粘合于第一个柔性封装层A（204）的正面；
步骤1.7：将预先选取的第一个薄膜温度传感器（206）粘合于第一个柔性封装层A（204）的正面，并保证第一个薄膜温度传感器（206）位于第一对液晶弹性体驱动层（205）之间；
步骤1.8：将预先制备好的Ecoflex00-50预聚混合物浇筑于第一个柔性封装层A（204）的正面、第一对液晶弹性体驱动层（205）的正面、第一个薄膜温度传感器（206）的正面，并将第一根柔性水管（208）浸没于Ecoflex00-50预聚混合物中，然后在85℃下固化成型，制得第一个柔性水冷却层（207）；然后，在第一个柔性水冷却层（207）的正面边缘开设第一对豁槽，由此制得第一个驱动器；
步骤2：制备第二个驱动器；具体步骤如下：
步骤2.1：将ESSIL296硅橡胶注入模具内，并将第二对柔性导线A（203）浸没于ESSIL296硅橡胶中，然后固化成型，制得正面开设有第二个凹腔的第二个柔性隔热层（201）；
步骤2.2：在第二个凹腔的底面均匀喷涂碳纳米管导电发热溶液，然后加热使其基载液挥发，制得第二个柔性电加热层（202）；
步骤2.3：利用KH550水解硅烷偶联剂溶液对第二个柔性隔热层（201）和第二个柔性电加热层（202）进行低表面能处理；
步骤2.4：将预先制备好的Ecoflex00-50预聚混合物浇筑于第二个柔性隔热层（201）的正面和第二个柔性电加热层（202）的正面，然后固化成型，制得第二个柔性封装层A（204）；
步骤2.5：将预先制备好的液晶弹性体混合液注入模具内，然后固化成型，制得第二对液晶弹性体驱动层（205）；
步骤2.6：利用KH550水解硅烷偶联剂溶液对第二个柔性封装层A（204）和第二对液晶弹性体驱动层（205）进行低表面能处理，然后将第二对液晶弹性体驱动层（205）并排粘合于第二个柔性封装层A（204）的正面；
步骤2.7：将预先选取的第二个薄膜温度传感器（206）粘合于第二个柔性封装层A（204）的正面，并保证第二个薄膜温度传感器（206）位于第二对液晶弹性体驱动层（205）之间；
步骤2.8：将预先制备好的Ecoflex00-50预聚混合物浇筑于第二个柔性封装层A（204）的正面、第二对液晶弹性体驱动层（205）的正面、第二个薄膜温度传感器（206）的正面，并将第二根柔性水管（208）浸没于Ecoflex00-50预聚混合物中，然后在24℃下固化成型，制得第二个柔性水冷却层（207）；然后，在第二个柔性水冷却层（207）的正面边缘开设第二对豁槽，由此制得第二个驱动器；
步骤3：制备可变刚度网格层（209）；具体步骤如下：
将低熔点合金加热熔化后注入模具内，然后热压成型，制得可变刚度网格层（209）；
步骤4：制备一对传动骨架（210）；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，制得一对传动骨架（210）；
步骤5：将可变刚度网格层（209）放置于两个柔性水冷却层（207）的正面之间，并将两个柔性水冷却层（207）的正面相互粘合，使得两对豁槽对接构成一对凹孔，然后将一对传动骨架（210）分别插设于一对凹孔内；
步骤6：制备一个应变传感器；具体步骤如下：
步骤6.1：制备柔性敏感层（301）；具体步骤如下：
将聚二甲基硅氧烷、银纳米片、还原氧化石墨烯按质量比10:10:1混合后搅拌均匀，制得混合浆料，然后通过刮涂法在第一个柔性隔热层（201）的背面制得由混合浆料制成的柔性敏感层（301）；
步骤6.2：制备柔性叉指电极（302）；具体步骤如下：
通过刮涂法制得由ESSIL296硅橡胶制成的基底，并利用压电式喷墨打印机在基底上打印出柔性叉指电极（302），然后将柔性叉指电极（302）转印到柔性敏感层（301）的正面；
步骤6.3：制备柔性封装层B（303）；具体步骤如下：
将预先制备好的Ecoflex00-50预聚混合物浇筑于第一个柔性隔热层（201）的背面、柔性敏感层（301）的正面、柔性叉指电极（302）的正面，并将一对柔性导线B（304）浸没于Ecoflex00-50预聚混合物中，然后固化成型，制得柔性封装层B（303），由此制得一个应变传感器，从而制得一个动力结构；
步骤7：重复执行步骤1至步骤6，制得十四个动力结构；
步骤8：将十四个动力结构缝制于手套（1）的指背里层和指背外层之间，一方面保证十四个动力结构一一对应地位于手套（1）的九个指间关节部位和五个掌指关节部位，另一方面保证每对柔性导线A（203）的尾端、每个薄膜温度传感器（206）的两端、每根柔性水管（208）的两端、每对柔性导线B（304）的尾端均穿过手套（1）的指背外层向外引出，第三方面保证每根传动骨架（210）均沿对应的手指方向设置，第四方面保证每个柔性封装层B（303）均与手套（1）的指背外层接触。
5.根据权利要求4所述的一种自动辅助抓握的夹层式仿生软体抓手的制备方法，其特征在于：所述Ecoflex00-50预聚混合物的制备步骤如下：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。
6.根据权利要求4所述的一种自动辅助抓握的夹层式仿生软体抓手的制备方法，其特征在于：所述液晶弹性体混合液的制备步骤如下：首先，将液晶单体与甲苯按质量比115:36在烧杯中混合，制得液晶单体混合液；然后，将液晶单体混合液置于100℃的烘台上加热20min，依次向液晶单体混合液中加入四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯、α-羟基异丁酰苯、多巴胺，磁力搅拌3min，真空脱气2min，制得液晶弹性体混合液；所述四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯作为交联剂，且所述四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯与液晶单体混合液的质量比为1:151；所述α-羟基异丁酰苯作为光引发剂，且所述α-羟基异丁酰苯与液晶单体混合液的质量比为25:151；所述多巴胺作为催化剂。
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- 2024-04-11 CN CN202410430792.XA patent/CN118024306B/zh active Active
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Also Published As
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