一种基于层流堵塞机理的3D可变形变刚度蒙皮及其制备方法

一种基于层流堵塞机理的3d可变形变刚度蒙皮及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种基于层流堵塞机理的3d可变形变刚度蒙皮及其制备方法。

背景技术：

2.软体机器人因其高灵活性、延展性、适应性和安全性而引起机器人领域以及相关领域的广泛兴趣，广泛应用于医疗、军事、工业等各个领域。软体机器人技术是机器人技术的一个分支领域，一般由柔性和自适应材料制作，本体柔软，但也因为本体刚度不足严重的限制了软体机器人的发展。变刚度机器人是在软体机器人上增加变刚度模块，使其兼具两者的优势，既能够有较好的柔性，又可以具有较大刚度。针对现在软体机器人领域变刚度研究，阻塞变刚度方法因为其设计简单、成本低、不需要依赖温度等优势被广泛应用于软体机器人变刚度的需求中。
3.堵塞变刚度方法能实现流体状态和固体状态之间相互转化。在软机器人中有三种不同类型的堵塞机制：颗粒堵塞、层流堵塞和纤维堵塞。这三种方法结构类似，都是薄膜内充满不可拉伸材料；原理相同，均是利用施加负压，增加弹性薄膜内材料的剪应力；目前应用较多的是颗粒堵塞和层流堵塞，颗粒堵塞在流体状态下呈高变形性，对外界适形能力强，但需要大量的堵塞颗粒，重量大，控制不精确；目前层流堵塞可提供的刚度变化范围较大，但变形能力较差，对环境的适应性较弱。

技术实现要素：

4.鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于层流堵塞机理的3d可变形变刚度蒙皮及其制备方法，通过对层流堵塞元件结构的改进，使蒙皮具有较好的柔性，同时在需要较大刚度时，又可以提供较大的刚度，从而具有较好的环境适应能力。
5.本发明的技术方案如下：一种基于层流堵塞机理的3d可变形变刚度蒙皮，包括下层硅橡胶膜、一组立柱、一组离散式堵塞元件、真空管及上层硅橡胶膜，所述下层硅橡胶膜的表面上设有一组立柱，每个立柱上套设有若干层离散式堵塞元件，其中多层离散式堵塞元件构成了堵塞层，所述真空管的一端设置于下层硅橡胶膜上，其另一端与真空泵连接，所述上层硅橡胶膜包覆密封于下层硅橡胶膜上。
6.进一步地，所述的一种基于层流堵塞机理的3d可变形变刚度蒙皮，其特征在于所述离散式堵塞元件的形状为六边形、圆形或者矩形，且其材料为pet。
7.本发明还提出了一种基于层流堵塞机理的3d可变形变刚度蒙皮的制备方法，包括如下步骤：1）根据预设的皮肤尺寸，采用激光切割加工方法分别制作下层硅橡胶膜的模具一和上层硅橡胶膜的模具二，制作完成后备用；2）制作立柱和离散式堵塞元件，备用；
3）将两种硅橡胶倒入烧杯中，用玻璃棒搅拌混合，待充分混合后将其放入真空干燥箱进行抽真空处理，直至烧杯内无气泡冒出，然后缓慢地将混合物倒入1）步骤中制作好的模具一和模具二内，直至混合物到达边缘处，接着将两模具放置于平整表面上固化，待固化结束后得到下层硅橡胶膜和上层硅橡胶膜，备用；4）根据预先布局要求，用镊子将2）步骤制作的立柱固定于3）步骤制备的下层硅橡胶膜的表面上，然后将2）制作的离散式堵塞元件固定于立柱上，再用硅橡胶粘合剂密封立柱的顶部；5）待步骤4）完成过后，于下层硅橡胶膜表面上设置真空管，然盖上3）步骤制备的上层硅橡胶膜，并按压边缘进行密封，即可得到所要制备的蒙皮；6）对5）步骤制备的蒙皮进行气密性测试。
8.进一步地，1）步骤中模具一和模具二结构相同，且均为透明模具。
9.进一步地，2）步骤的具体操作如下：用激光切割机将pet裁剪成若干个离散式堵塞元件；将硅橡胶管剪成若干个10 mm长的立柱。
10.进一步地，3）步骤中两种硅橡胶的体积比为1:1；将充分混合的两种硅橡胶在-0.1mpa的负压条件下放置2-3分钟，直至烧杯内无气泡冒出；模具一和模具二内的物料固化时间7h。
11.进一步地，4）步骤中在立柱的外表面周围涂上粘合剂形成一个环。
12.进一步地，5）步骤中真空管的一端位于下层硅橡胶膜上，且该端部为于最边缘立柱的外面。
13.进一步地，6）步骤中如果蒙皮泄露，用装有硅橡胶的注射器进行填补。
14.与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：1）采用本发明的技术方案，通过采用离散式堵塞元件代替传统整片式堵塞元件，且采用多层堵塞元件，通过本发明的方法制备的蒙皮具有较好的柔性，同时在需要较大刚度时，又可以提供较大的刚度，从而具有较好的环境适应能力；2）当蒙皮内部为大气压时，即不进行抽真空时，蒙皮具有柔性，可以实现3d变形，包络不同外形轮廓的物体，此时蒙皮能够实现可逆的多向拉伸，具备较好的适形性；3）当对蒙皮进行抽真空时，蒙皮内部离散的堵塞元件被压紧，蒙皮刚度增大，此时蒙皮可以保持住激活前的形状与轮廓，并且具备更强的承载力。
附图说明
15.图1为本发明变刚度蒙皮侧式结构示意图；图2为本发明中六边形离散式堵塞元件的变刚度蒙皮俯视结构示意图；图3为本发明大气压下蒙皮内部结构堵塞层的结构示意图；图4为本发明负压下蒙皮内部结构堵塞层的结构示意图；图5为不同离散式堵塞元件变刚度效果对比图；图6为不同负压下蒙皮刚度对比；图7为变刚度蒙皮实现可拉伸可折叠示意图；图8为变刚度蒙皮实现3d可变形卷曲包络示意图；图9为变刚度蒙皮能够适形不同轮廓的物体且具备一定承载力示意图。
16.图中：1、下层硅橡胶膜；2、立柱；3、离散式堵塞元件；4、真空管；5、上层硅橡胶膜；6、堵塞层。
具体实施方式
17.下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明，但本发明所保护的范围不限于所述范围。
18.如图1-2所示，一种基于层流堵塞机理的3d可变形变刚度蒙皮，包括下层硅橡胶膜1、一组立柱2、一组离散式堵塞元件3、真空管4及上层硅橡胶膜5，下层硅橡胶膜1的表面上设有一组立柱2，每个立柱2上套设有若干层离散式堵塞元件3，其中多层离散式堵塞元件3构成了堵塞层6，真空管4的一端设置于下层硅橡胶膜1上，其另一端与真空泵连接，上层硅橡胶膜5包覆密封于下层硅橡胶膜1上。
19.本发明的一种基于层流堵塞机理的3d可变形变更度蒙皮，所述离散式堵塞元件3的形状为六边形、圆形或者矩形，且其材料为pet。
20.由图3-4所述，当在大气压下时（即未对蒙皮施加负压），所有堵塞层6离散且可以相互自由滑移，整体柔软呈现可拉伸性，当在负压下时（即对蒙皮抽真空），硅胶模和堵塞层6均压紧并且存在小变形，各层被压紧，摩擦变大，整体变硬呈现小变形。
21.本发明还提出了一种基于层流堵塞机理的3d可变形变刚度蒙皮的制备方法，包括如下步骤：1）根据预设的皮肤尺寸，采用激光切割加工方法分别制作下层硅橡胶膜1的模具一和上层硅橡胶膜5的模具二，制作完成后备用；其中模具一和模具二结构相同，且均为透明模具；2）制作立柱2和离散式堵塞元件3，备用；具体地用激光切割机将pet裁剪成若干个离散式堵塞元件3；将硅橡胶管剪成若干个10 mm长的立柱2；3）将两种硅橡胶倒入烧杯中，用玻璃棒搅拌混合，待充分混合后将其放入真空干燥箱进行抽真空处理，直至烧杯内无气泡冒出，然后缓慢地将混合物倒入1）步骤中制作好的模具一和模具二内，直至混合物到达边缘处，接着将两模具放置于平整表面上固化，待固化结束后得到下层硅橡胶膜1和上层硅橡胶膜5，备用；其中两种硅橡胶的体积比为1:1；将充分混合的两种硅橡胶在-0.1mpa的负压条件下放置2-3分钟，直至烧杯内无气泡冒出；模具一和模具二内的物料固化时间7h；4）根据预先布局要求，用镊子将2）步骤制作的立柱2固定于3）步骤制备的下层硅橡胶膜1的表面上，然后将2）制作的离散式堵塞元件3固定于立柱2上，再用硅橡胶粘合剂密封立柱2的顶部，在立柱2的外表面周围涂上粘合剂形成一个环，防止离散式堵塞元件3掉落；5）待步骤4）完成过后，于下层硅橡胶膜1表面上设置真空管4，其中真空管4的一端位于1上，且该端部为于最边缘立柱2）的外面，然盖上3）步骤制备的上层硅橡胶膜5，并按压边缘进行密封，即可得到所要制备的蒙皮；6）对5）步骤制备的蒙皮进行气密性测试。
22.实施例1
预设皮肤尺寸为150 mm
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150 mm，有效堵塞区域的尺寸为 130 mm
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130 mm。
23.1）根据预设的皮肤尺寸，采用激光切割加工方法分别制作下层硅橡胶膜1的透明模具一和上层硅橡胶膜5的透明模具二，根据实际皮肤尺寸1:1打印预先设计的稿纸，将其放在透明模具下指导后续的步骤；2）用激光切割机将pet裁剪成若干个六边形离散式堵塞元件3；将直径为2mm的硅橡胶管剪成若干个10 mm长的立柱2；3）将smooth-on公司的slow a和b两种组份硅橡胶按照体积比为1:1的比例倒入烧杯，用玻璃棒顺时针搅拌充分混合，根据经验，该尺寸需要40 g的ds slow才能保证膜在足够薄的情况下不易撕裂，搅拌后放入真空干燥箱进行抽真空处理，在-0.1mpa的负压条件下放置2~3分钟，直至烧杯内无气泡冒出，然后缓慢地将混合物倒入透明模具一和透明模具二中，直到它到达边缘，接着放置于平整表面上固化7小时以形成下层硅橡胶膜1和上层硅橡胶膜二5；4）根据预先布局要求，用镊子将制作的立柱2固定于下层硅橡胶膜1的表面上，然后将六边形离散式堵塞元件3固定于立柱2上，再用硅橡胶粘合剂密封立柱2的顶部，在立柱1的外表面周围涂上粘合剂形成一个环，防止离散式堵塞元件3掉落；5）于下层硅橡胶膜1表面上设置真空管4，其中真空管4的一端位于下层硅橡胶膜1上，且该端部为于最边缘立柱2的外面，其另一端与真空泵连接，然盖上制备的上层硅橡胶膜5，并按压边缘进行密封，即可得到所要制备的蒙皮一；6）对于制备的蒙皮一进行气密性测试，如果蒙皮泄露，用装有硅橡胶的注射器进行填补。
24.实施例2预设皮肤尺寸为150 mm
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150 mm，有效堵塞区域的尺寸为130 mm
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130 mm。
25.1）根据预设的皮肤尺寸，采用激光切割加工方法分别制作下层硅橡胶膜1的透明模具一和上层硅橡胶膜5的透明模具二，根据实际皮肤尺寸1:1打印预先设计的稿纸，将其放在透明模具下指导后续的步骤；2）用激光切割机将pet裁剪成若干个圆形离散式堵塞元件3(圆形堵塞元件与实施例1六边形共中点，为六边形外接圆大小)；将直径为2mm的硅橡胶管剪成若干个10 mm长的立柱2；3）将smooth-on公司的slow a和b两种组份硅橡胶按照体积比为1:1的比例倒入烧杯，用玻璃棒顺时针搅拌充分混合，根据经验，该尺寸需要40 g的ds slow才能保证膜在足够薄的情况下不易撕裂，搅拌后放入真空干燥箱进行抽真空处理，在-0.1mpa的负压条件下放置2~3分钟，直至烧杯内无气泡冒出，然后缓慢地将混合物倒入透明模具一和透明模具二中，直到它到达边缘，接着放置于平整表面上固化7小时以形成下层硅橡胶膜1和上层硅橡胶膜二5；4）根据预先布局要求，用镊子将制作的立柱2固定于下层硅橡胶膜1的表面上，然后将六边形离散式堵塞元件3固定于立柱2上，再用硅橡胶粘合剂密封立柱2的顶部，在立柱2的外表面周围涂上粘合剂形成一个环，防止离散式堵塞元件3掉落；5）于下层硅橡胶膜1表面上设置真空管4，其中真空管4的一端位于下层硅橡胶膜1上，且该端部为于最边缘立柱2的外面，其另一端与真空泵连接，然盖上制备的上层硅橡胶
膜5，并按压边缘进行密封，即可得到所要制备的蒙皮二；6）对于制备的蒙皮二进行气密性测试，如果蒙皮泄露，用装有硅橡胶的注射器进行填补。
26.实施例3预设皮肤尺寸为150 mm
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150 mm，有效堵塞区域的尺寸为 130 mm
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130 mm。
27.1）根据预设的皮肤尺寸，采用激光切割加工方法分别制作下层硅橡胶膜1的透明模具一和上层硅橡胶膜5的透明模具二，根据实际皮肤尺寸1:1打印预先设计的稿纸，将其放在透明模具下指导后续的步骤；2）用激光切割机将pet裁剪成若干个矩形离散式堵塞元件3(矩形堵塞元件与实施例1六边形共中点，对角线为六边形外接圆直径大小)；将直径为2mm的硅橡胶管剪成若干个10 mm长的立柱2；3）将smooth-on公司的slow a和b两种组份硅橡胶按照体积比为1:1的比例倒入烧杯，用玻璃棒顺时针搅拌充分混合，根据经验，该尺寸需要40 g的ds slow才能保证膜在足够薄的情况下不易撕裂，搅拌后放入真空干燥箱进行抽真空处理，在-0.1mpa的负压条件下放置2~3分钟，直至烧杯内无气泡冒出，然后缓慢地将混合物倒入透明模具一和透明模具二中，直到它到达边缘，接着放置于平整表面上固化7小时以形成下层硅橡胶膜1和上层硅橡胶膜二5；4）根据预先布局要求，用镊子将制作的立柱2固定于下层硅橡胶膜1的表面上，然后将六边形离散式堵塞元件3固定于立柱2上，再用硅橡胶粘合剂密封立柱2的顶部，在立柱2的外表面周围涂上粘合剂形成一个环，防止离散式堵塞元件3掉落；5）于下层硅橡胶膜1表面上设置真空管4，其中真空管4的一端位于下层硅橡胶膜1上，且该端部为于最边缘立柱2的外面，其另一端与真空泵连接，然盖上制备的上层硅橡胶膜5，并按压边缘进行密封，即可得到所要制备的蒙皮三；6）对于制备的蒙皮进行气密性测试，如果蒙皮泄露，用装有硅橡胶的注射器进行填补。
28.对实验1-3制备的蒙皮一-蒙皮三通过气密性测试，由图5可知，堵塞元件采用六边形pet，相比圆形和矩形的堵塞元件，六边形的空间利用率高，类似蜂窝结构，从而堵塞层与层之间重叠面积最大，蒙皮变刚度效果最好。
29.对蒙皮一进行施加不同的负压，由图6可知，负压越大变刚度效果越好，直到-80kpa时效果稳定，本发明可以通过控制施加负压来调整蒙皮的整体刚度。
30.如图7所示，蒙皮一在大气压状态下，具有一定的柔性，能实现可逆地多向拉伸、可弯曲、可折叠；如图8所示，在给定形状后激活蒙皮一，刚度增大，蒙皮一能抵抗变形的力，保持住给定的3d形状，可以当作一些功能性的工具，比如用作临时的液体容器，有效面积为130
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130mm的蒙皮一最大可包络直径为80mm的球体；并且如图9所示，蒙皮一可适应不同轮廓的物体，并在激活后保持其轮廓不改变并具备一定的承载力，体现了较好的适形性和刚性。

技术特征：

1.一种基于层流堵塞机理的3d可变形变刚度蒙皮，其特征在于包括下层硅橡胶膜（1）、一组立柱（2）、一组离散式堵塞元件（3）、真空管（4）及上层硅橡胶膜（5），所述下层硅橡胶膜（1）的表面上设有一组立柱（2），每个立柱（2）上套设有若干层离散式堵塞元件（3），其中多层离散式堵塞元件（3）构成了堵塞层（6），所述真空管（4）的一端设置于下层硅橡胶膜（1）上，其另一端与真空泵连接，所述上层硅橡胶膜（5）包覆密封于下层硅橡胶膜（1）上。2.根据权利要求1所述的一种基于层流堵塞机理的3d可变形变刚度蒙皮，其特征在于所述离散式堵塞元件（3）的形状为六边形、圆形或者矩形，且其材料为pet。3.一种如权利要求1所述的基于层流堵塞机理的3d可变形变刚度蒙皮的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1）根据预设的皮肤尺寸，采用激光切割加工方法分别制作下层硅橡胶膜（1）的模具一和上层硅橡胶膜（5）的模具二，制作完成后备用；2）制作立柱（2）和离散式堵塞元件（3），备用；3）将两种硅橡胶倒入烧杯中，用玻璃棒搅拌混合，待充分混合后将其放入真空干燥箱进行抽真空处理，直至烧杯内无气泡冒出，然后缓慢地将混合物倒入1）步骤中制作好的模具一和模具二内，直至混合物到达边缘处，接着将两模具放置于平整表面上固化，待固化结束后得到下层硅橡胶膜（1）和上层硅橡胶膜（5），备用；4）根据预先布局要求，用镊子将2）步骤制作的立柱（2）固定于3）步骤制备的下层硅橡胶膜（1）的表面上，然后将2）制作的离散式堵塞元件（3）固定于立柱（2）上，再用硅橡胶粘合剂密封立柱（2）的顶部；5）待步骤4）完成过后，于下层硅橡胶膜（1）表面上设置真空管（4），然盖上3）步骤制备的上层硅橡胶膜（5），并按压边缘进行密封，即可得到所要制备的蒙皮；6）对5）步骤制备的蒙皮进行气密性测试。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于1）步骤中模具一和模具二结构相同，且均为透明模具。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于2）步骤的具体操作如下：用激光切割机将pet裁剪成若干个离散式堵塞元件（3）；将硅橡胶管剪成若干个10 mm长的立柱（2）。6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于3）步骤中两种硅橡胶的体积比为1:1；将充分混合的两种硅橡胶在-0.1mpa的负压条件下放置2-3分钟，直至烧杯内无气泡冒出；模具一和模具二内的物料固化时间7h。7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于4）步骤中在立柱（2）的外表面周围涂上粘合剂形成一个环。8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于5）步骤中真空管（4）的一端位于下层硅橡胶膜（1）上，且该端部为于最边缘立柱（2）的外面。9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于6）步骤中如果蒙皮泄露，用装有硅橡胶的注射器进行填补。

技术总结

本发明公开了一种基于层流堵塞机理的3D可变形变刚度蒙皮及其制备方法，涉及机器人技术领域，包括下层硅橡胶膜、一组立柱、一组离散式堵塞元件、真空管及上层硅橡胶膜，所述下层硅橡胶膜的表面上设有一组立柱，每个立柱上套设有若干层离散式堵塞元件，其中多层离散式堵塞元件构成了堵塞层，所述真空管的一端设置于下层硅橡胶膜上，其另一端与真空泵连接，所述上层硅橡胶膜包覆密封于下层硅橡胶膜上，通过采用离散式堵塞元件代替传统整片式堵塞元件，且采用多层堵塞元件，使蒙皮具有较好的柔性，同时在需要较大刚度时，又可以提供较大的刚度，从而具有较好的环境适应能力。从而具有较好的环境适应能力。从而具有较好的环境适应能力。