[發明專利]一種新型多功能預應力柔性氣動機器人及其加工方法

有效

• 申請號: 202010151190.2
• 申請日: 2020-03-06
• 公開（公告）號: CN111331765B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 蔣淑蘭;彭勇;錢林茂;夏莉
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: B29C35/02
• 分類號: B29C35/02;B29C41/04;B29C55/00;B29C65/48;B29C69/00;B25J9/00
• 代理公司: 成都虹盛匯泉專利代理有限公司 51268
• 代理人: 鐘玉巧

本發明公開了一種新型多功能預應力柔性氣動機器人及其加工方法，包括以下步驟：S1、柔性彈性體的制備，利用橡膠彈性體溶液制備片狀結構并固化；S2、預應力彈性體的制備，拉伸柔性彈性體并固化；S3、將柔性彈性體和預應力彈性體搭建組合，并連接為內部空心的單元體結構；S4、多功能預應力柔性氣動機器人的制備，將多個單元體結構進行連接組合成預應力柔性氣動機器人。通過向單元體結構內注入氣體以膨脹體積，抵消機器人中存儲的彈性能量，釋放氣壓后實現快速形狀恢復，使得機器人具備爬行、夾持、抓取等功能。該機器人具有制備成本低、制備簡單和模塊化加工的優點，能夠顯著提高其大變形運動后的致動效率，具有很強的實用價值和廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及柔性機器人技術領域，具體而言，涉及一種新型多功能預應力柔性氣動機器人及其加工方法。

背景技術

傳統的機器人均是使用諸如鋼、鋁等剛性材料制成的。現已被用于幫助人們完成一些難以處理的工作，例如，重物的拾取和放置。通過對這些機器人編程，可使它們重復的高精確的完成某些工作。但是，這些剛性機器人在進行作業的過程中，可能會因為一些故障或者誤操作而對人造成傷害或者摔壞搬運的物體。由柔性材料制成的柔軟機器人具有與生物相似的高順應性和適應性。這些軟性材料可響應于外部刺激而變形，并且由于其簡單的機理，輕巧的結構而表現出巨大的優勢。

為了開發柔性機器人不同的功能，目前已經發展了幾種柔性致動技術。例如，水凝膠是用水溶脹的交聯聚合物，可以對多種刺激做出反應，包括濃度，溫度和pH值。它們通過吸收或釋放水分子來改變體積的原理進行致動。這種工作機制使其適合在水環境中使用。然而，由于它們的響應緩慢和輸出的力較小，其實際應用受到限制。形狀記憶合金和形狀記憶聚合物會因溫度變化而產生變形。它們可以保持變形的形狀，直到增加熱量以恢復其原始形狀。但是，形狀記憶合金和形狀記憶聚合物機器人的低效率和慢響應速率限制了它們作為軟機器人的性能。氣動機器人是一種高度可擴展且適應性強的柔性機器人。它們通常包括一個氣壓驅動的柔性腔。一旦在該柔性腔內施加壓力，機器人將會變形并一直保持變形后的形狀。空氣的廣泛可用性使得這種機器人有望用于開發廉價而強大的柔性機器人。然而，為了保持氣動機器人的致動效果，大多數情況下都需要持續向柔性腔內加壓，不斷消耗功率。而且，使用柔性氣動夾具連續向柔性腔內施加所需的壓力會導致泄漏或其他機械故障的發生。針對上述問題，有必要研究一種新型多功能預應力柔性氣動機器人來解決這些問題。

因此，本發明提出一種新型多功能預應力柔性氣動機器人及其加工方法。通過將彈性但不可拉伸的片材附著在預拉伸的彈性體上，而后將預拉伸的彈性體與未拉伸的彈性體進行多種組合，利用彈性體的拉伸來儲存彈性能量并加工多功能預應力柔性氣動機器人。這種機器人能夠制造零功率柔性夾持器和管道爬行器。零功率夾持器能利用其預應力彈性體層中儲存的彈性能量，以零功率承受高達自身重量數十倍的力。管道爬行器可以在管道內行走。同時，由于在氣動控制期間抵消了預應力柔性氣動機器人中存儲的彈性能量，在釋放氣體壓力后，可以實現快速地形狀恢復，從而顯著提高了大變形運動后柔性機器人的致動率。本發明通過將彈性但不可拉伸的片材(紙，紡織品或塑料)附著在預應力彈性體的加工方法，成功制備出不同形狀的多功能預應力柔性氣動機器人。

發明內容

本發明的目的在于提供一種新型多功能預應力柔性氣動機器人及其加工方法，其成本低、加工高效并易于操作，能夠制造零功率的預應力柔性氣動管道爬行器和預應力柔性氣動零功率夾持器，預應力柔性氣動管道爬行器可以在管道內爬行，預應力柔性氣動零功率夾持器能利用其儲存的彈性能量，以零功率承受高達自身重量數十倍的力；此外，在氣動響應過程中，可以實現快速地形狀恢復，這種加工方法的制造成本低，操作簡單，加工效率高且易于大規模加工生產。

本發明的實施例是這樣實現的：

一種新型多功能預應力柔性氣動機器人及其加工方法，其特征在于，加工方法包括以下步驟：