CN114670185A - 一种无约束轻量化柔性电热气动致动器及柔性夹爪 - Google Patents

一种无约束轻量化柔性电热气动致动器及柔性夹爪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无约束轻量化柔性电热气动致动器及柔性夹爪。该致动器包括依次叠置的第一弹性层、储液层、第一限制层、加热层和第二限制层。第一弹性层与储液层相对侧面的边缘处密封连接。所述储液层中吸附有转换液；转换液的沸点为30℃～50℃。当转换液气化时，在第一弹性层与储液层之间形成膨胀气腔；第一限制层和第二限制层限制制动器的长度和宽度发生变化；膨胀气腔胀大使得致动器发生弯曲。本发明中使用多孔纳米纤维垫吸附沸点较低的转换液；通过将转换液加热至沸腾气化的方式，使得致动器内产生气体，发生膨胀弯曲；通过转换液的加热与冷却即可实现致动器的重复弯曲和伸直，实现了弯曲致动器的小型化和轻量化。

Description

一种无约束轻量化柔性电热气动致动器及柔性夹爪
技术领域
本发明属于软体机器人技术领域，具体涉及一种应适用于在需柔性接触条件中轻量化、可便携、无外部栓连气泵的气动致动器及柔性夹爪。
背景技术
柔性致动器是软机器人的核心，近几年得到了迅速的发展。柔性致动器的驱动方式有很多种，其中目前最常见最成熟的驱动方式是气动驱动。气动式驱动通常是使用外部气泵，向软致动器提供高压气源。然而，在实践中，由于外部气泵的笨重和其相关机械部件的使用使得该软致动器的不具有轻量化、可携带性和可移植性等特点。而针对该问题，近些年也有利用外部热源或磁场等产生或输入气体进行气动驱动。但该种方式仍然没有解决气动驱动器的不易携带性等问题。因此本发明提出一种在可拉伸材料构成的密闭结构，可在其内部提供气源。其外部只需要连接一块小型电池供能，实现气动致动器的轻量化、可移植性功能。
发明内容
本发明的目的是提出一种实现轻量化、可携带性气动柔性驱动器***的方法和结构，并提出一种该结构及其材料的制作流程。
第一方面，本发明提供一种无约束轻量化柔性电热气动致动器，其包括依次叠置的第一弹性层、储液层、第一限制层、加热层和第二限制层。第一弹性层与储液层相对侧面的边缘处密封连接。所述储液层中吸附有转换液；转换液的沸点为30℃～50℃。当转换液气化时，在第一弹性层与储液层之间形成膨胀气腔；第一限制层和第二限制层限制制动器的长度和宽度发生变化；膨胀气腔胀大使得致动器发生弯曲。
作为优选，该无约束轻量化柔性电热气动致动器还包括第二弹性层；第二弹性层设置在第二限制层远离加热层的一侧。
作为优选，第一弹性层和第二弹性层的材质均为硅胶。第一弹性层的杨氏模量小于第二弹性层的杨氏模量。
作为优选，所述的加热层采用电热丝。
作为优选，第一弹性层的两条长度边缘上均设置有限制条；两个限制条相互对称，且两个限制条的中部之间的间距小于两个限制条的端部之间的间距。
作为优选，所述储液层采用吸附有转换液的多孔纳米纤维垫。
作为优选，所述的多孔纳米纤维垫由聚丙烯腈和N,N-二甲基甲酰胺通过静电纺丝制成。
作为优选，所述的转换液优选Novec 7000溶液。
作为优选，储液层、第一限制层和第二限制层长宽尺寸相同，且小于第一弹性层和第二弹性层的长宽尺寸。第一弹性层与第二弹性层的相对侧面边缘处连接在一起。
该无约束轻量化柔性电热气动致动器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将聚丙烯腈溶液溶解在N,N-二甲基甲酰胺溶液中，形成聚合物溶液；将聚合物溶液加入点胶机中。点胶机输出聚合物丝，聚合物丝落在转动的滚筒收集器上；将滚筒收集器上形成筒状聚合物层取下并裁剪后滴入转换液，形成储液层。
步骤二、利用模具固化硅胶，并在固化过程中在两侧加入限制条，形成第一弹性层
步骤三、将第一弹性层、储液层、第一限制层、加热层、第二限制层依次粘接在一起。
步骤四、利用模具在第二限制层远离加热层一侧固化成型第二弹性层。
第二方面，本发明提供一个无约束的柔性夹爪，其包括基座和多个前述的无约束轻量化柔性电热气动致动器；三个致动器的内端均与基座固定，并沿着基座中心轴线的周向均布。三个致动器中的第一弹性层均朝向远离基座中心轴线的一侧。
本发明具有的有益效果是：
1.本发明中使用多孔纳米纤维垫吸附沸点较低的转换液；通过将转换液加热至沸腾气化的方式，使得致动器内产生气体，发生膨胀弯曲；通过转换液的加热与冷却即可实现致动器的重复弯曲和伸直，实现了弯曲致动器的小型化和轻量化。
2.本发明利用含液体的纳米纤维材料和加热层在其内部实现电-热-气转换，且小型电池及电路***即可完成对致动器的供能与控制，实现轻量化气动驱动，进而摆脱传统柔性气动致动器栓接外部笨重驱动器，实现便携式轻量化自驱动。
4.本发明针对该致动器结构及其材料提出一种多孔纳米纤维垫制作方法及整个致动器的制作流程，能够简单地完成致动器结构的制备并且使其具有较高的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的致动器的***图。
图2为本发明实施例1提供的致动器的截面示意图。
图3为本发明实施例1提供的致动器在弯曲状态下的结构示意图。
图4为本发明实施例1提供的致动器的制备流程图。
图5为本发明实施例2提供的柔性夹爪的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步说明。
实施例1
如图1和2所示，一种无约束轻量化柔性电热气动致动器，用于实现单向的弯曲致动，包括依次叠置的第一弹性层1、储液层2、第一限制层3、加热层4、第二限制层5和第二弹性层6。第一弹性层1和第二弹性层6的材质均为硅胶。第一弹性层1与储液层2相对侧面的边缘处密封粘接在一起；第一弹性层1与储液层2相对侧面的中间位置仅接触，使得第一弹性层1与储液层2之间能够产生膨胀气腔7。加热层采用电热丝，由小型电池及电路***8供电。
如图1和2所示，第一弹性层1包括硅胶薄膜1-1和限制条1-2。硅胶薄膜采用低杨氏模量且具有高拉伸率的硅胶材料制成的约1mm厚的薄膜。硅胶薄膜1-1的两条长度边缘处均设置有限制条1-2；限制条1-2中部的宽度大于两端的宽度。限制条1-2采用格子状排布的不可拉伸纤维层。
如图1所示，所述储液层2采用吸附有转换液的多孔纳米纤维垫；转换液具有挥发性和低沸点(30℃～50℃)；多孔纳米纤维垫由聚丙烯腈和N,N-二甲基甲酰胺通过静电纺丝制成。转换液优选Novec 7000溶液；Novec 7000溶液的沸点为35℃，能够在较低温度下完成气液转换。当转换液受热气化时，将胀大第一弹性层1与储液层2之间的膨胀气腔7；由于致动器受到约束限制条1-2、第一限制层3和第二限制层5的约束，故膨胀气腔7的膨胀主要带动致动器整体沿自身长度方向发生弯曲。
所述第一限制层3与第二限制层5材料相同，均为柔性、可拉伸性较低的厚度为300μm的薄膜，该两者允许致动器发生弯曲，但限制致动器的长度和宽度发生变化。第一限制层3与第二限制层5均具有较高的疏水性、耐高温。
加热层4具体采用呈矩形环状，具有可弯折稳定性和低电阻率的电热丝。第二弹性层6采用硅胶材料制成的薄膜。第二弹性层6的杨氏模量大于第一弹性层1的杨氏模量。所述储液层2、第一限制层3、加热层4和第二限制层5的外轮廓面积及形状相同。所述第一弹性层1、第二弹性层6的外轮廓面积大于储液层2等层结构。第一弹性层1与第二弹性层6的边缘处粘接固定在一起，将储液层2、第一限制层3、加热层4和第二限制层5封装在内部。
如图2和3所示，该致动器工作环境为室温，其驱动原理与工作方式具体如下：
步骤一、如图2所示，控制小型电池及电路***8断路，即加热层4不通电，处于不工作状态。储液层2在室温下，其包含的转换液处于液态状态。膨胀气腔7不会发生膨胀变化。
步骤二、如图3所示，需要致动器弯曲时，小型电池及电路***8通路，即加热层4通电，处于工作状态。加热层4工作，产生热量。储液层2在高温下，其包含的转换液因受热由液态迅速转化为气态。此时，产生的气体对膨胀气腔7的四周产生作用力，随着气体不断增加，作用力越大。此时，由于第一弹性层1具有较高的可拉伸率，而第一限制3层与第二限制层5几乎不会发生拉伸等弹性变形。因此，在发生膨胀气腔7发生不对称膨胀即第一弹性层1受力发生膨胀变形，第一限制层3只发生弯曲变形。因此，该致动器发生弯曲变形。
步骤三、需要致动器伸直时，控制小型电池及电路***8断路，加热层4停止加热，膨胀气腔内的温度在热交换的作用下降低，膨胀气腔7内的气体凝结为液体，并被重新吸附到储液层2中。膨胀气腔7的体积减小至初始状态，致动器由弯曲状态恢复到伸直状态。
该无约束轻量化柔性电热气动致动器的制备方法，包括以下步骤
步骤一、如图4的a部分所示，将聚丙烯腈溶液溶解在N,N-二甲基甲酰胺溶液中，形成聚合物溶液；将聚合物溶液加入点胶机11中。点胶机11输出聚合物丝，聚合物丝落在转动的半径为200mm的滚筒收集器12上；所述滚筒收集器12的转速为200r/min。所述点胶机11的针孔型号为18G，施加8kV的电位差来释放聚合物溶液。滚筒收集器12与点胶机11针孔出口之间的距离为150mm。在聚合物溶液中施加直流电进行充电和静电纺丝。所述点胶机11以800μL/h的固定流量流出纺丝聚合物。最后形成PAN-NF薄板，然后在PAN-NF薄板上充分滴入Novec 7000溶液，最终形成储液层2。
步骤二、如图4的b部分所示，将第一种硅胶溶液倒入模具13中并固化，形成硅胶薄膜1-1；在硅胶固化的过程中，向硅胶薄膜1-1的两侧分别贴入限制条1-2，形成第一弹性层1。
步骤三、如图4的c-g部分所示，将第一弹性层1、储液层2、第一限制层3、加热层4、第二限制层5依次粘接在一起。
步骤四、如图4的h部分所示，在模具中倒入第二种硅胶溶液并固化，使得第二限制层5的外侧形成第二弹性层6，至此得到完整的致动器，如图4的i部分所示。第二种硅胶相比于第一种硅胶，硬度和杨氏模量更大。
实施例2
一个无约束的柔性夹爪，包括基座10和三个如实施例1所述的无约束轻量化柔性电热气动致动器；三个致动器的内端均与基座10固定，并沿着基座10中心轴线的周向均布。三个致动器中的第一弹性层1均朝向远离基座10中心轴线的一侧。三个致动器共用同一个小型电池及电路***8。当致动器中的加热层4通电时，致动器的外端同步向内侧弯曲，形成抓取动作。

Claims (10)

1.一种无约束轻量化柔性电热气动致动器，其特征在于：包括依次叠置的第一弹性层(1)、储液层(2)、第一限制层(3)、加热层(4)和第二限制层(5)；第一弹性层(1)与储液层(2)相对侧面的边缘处密封连接；所述储液层(2)中吸附有转换液；转换液的沸点为30℃～50℃；当转换液气化时，在第一弹性层(1)与储液层(2)之间形成膨胀气腔(7)；第一限制层(3)和第二限制层(5)限制制动器的长度和宽度发生变化；膨胀气腔(7)胀大使得致动器发生弯曲。
2.根据权利要求1所述的一种无约束轻量化柔性电热气动致动器，其特征在于：还包括第二弹性层(6)；第二弹性层(6)设置在第二限制层(5)远离加热层(4)的一侧；第一弹性层(1)和第二弹性层(6)的材质均为硅胶；第一弹性层(1)的杨氏模量小于第二弹性层(6)的杨氏模量。
3.根据权利要求1所述的一种无约束轻量化柔性电热气动致动器，其特征在于：所述的加热层采用电热丝。
4.根据权利要求1所述的一种无约束轻量化柔性电热气动致动器，其特征在于：所述第一弹性层(1)的两条长度边缘上均设置有限制条(1-2)；两个限制条(1-2)相互对称，且两个限制条(1-2)的中部之间的间距小于两个限制条(1-2)的端部之间的间距。
5.根据权利要求1所述的一种无约束轻量化柔性电热气动致动器，其特征在于：所述储液层(2)采用吸附有转换液的多孔纳米纤维垫。
6.根据权利要求5所述的一种无约束轻量化柔性电热气动致动器，其特征在于：所述的多孔纳米纤维垫由聚丙烯腈和N,N-二甲基甲酰胺通过静电纺丝制成。
7.根据权利要求1所述的一种无约束轻量化柔性电热气动致动器，其特征在于：所述的转换液优选Novec 7000溶液。
8.根据权利要求1所述的一种无约束轻量化柔性电热气动致动器，其特征在于：储液层(2)、第一限制层(3)和第二限制层(5)长宽尺寸相同，且小于第一弹性层(1)和第二弹性层(6)的长宽尺寸；第一弹性层(1)与第二弹性层(6)的相对侧面边缘处连接在一起。
9.根据权利要求1所述的一种无约束轻量化柔性电热气动致动器，其特征在于：制备过程包括以下步骤：
步骤一、将聚丙烯腈溶液溶解在N,N-二甲基甲酰胺溶液中，形成聚合物溶液；将聚合物溶液加入点胶机(11)中；点胶机(11)输出聚合物丝，聚合物丝落在转动的滚筒收集器(12)上；将滚筒收集器(12)上形成筒状聚合物层取下并裁剪后滴入转换液，形成储液层(2)；
步骤二、利用模具固化硅胶，并在固化过程中在两侧加入限制条，形成第一弹性层(1)
步骤三、将第一弹性层(1)、储液层(2)、第一限制层(3)、加热层(4)、第二限制层(5)依次粘接在一起；
步骤四、利用模具在第二限制层(5)远离加热层(4)一侧固化成型第二弹性层(6)。
10.一种柔性夹爪，其特征在于：包括基座(10)和多个如权利要求1-9中任意一条所述的无约束轻量化柔性电热气动致动器；三个致动器的内端均与基座(10)固定，并沿着基座(10)中心轴线的周向均布；三个致动器中的第一弹性层(1)均朝向远离基座(10)中心轴线的一侧。
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