一种基于SMP的仿生贝壳软体机械爪及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种仿生贝壳软体机械爪及其制造方法。包括通用单元和驱动单元，通用单元中部设置有驱动单元，所述的通用单元为长条状，通用单元连中部设置有折痕，并在折痕处开设通槽，通槽中布置驱动单元，驱动单元分别连接于通用单元通槽的两个槽边。本发明专利技术利用熔融沉积成型4D打印，通过形状记忆聚合物在热水浴中的激发变形，实现了模仿贝壳结构实现柔性抓取的功能。取的功能。取的功能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SMP的仿生贝壳软体机械爪及其制造方法


[0001]本专利技术提出了一种机械爪及其制造方法，尤其是提出了一种基于SMP的仿生贝壳软体机械爪及其制造方法。

技术介绍

[0002]传统的抓取类装置主要有利用机械传动结构的机械手爪、利用气动驱动的吸盘等。但在新兴的应用领域中存在着相当多的弊端，机械手设计困难，更新速度较快，难以实现对于易碎、易变形物品的无损抓取；吸盘抓取则存在着对表面平整度的较高要求，应用场景较窄。
[0003]为了弥补上述抓取装置的不足，软体机械爪应运而生，其柔性抓取的特点使其可以有效地针对易碎易变形物体及表面不平整光洁的物体进行抓取。

技术实现思路

[0004]为了解决
技术介绍
中存在的问题，克服传统的气动和液动的问题和弊端，本专利技术提出一种利用SMP的4D打印柔性机械手的制造，实现柔性机械手的变形。本专利技术利用熔融沉积成型(Fused Deposition Modelling,FDM)4D打印，通过形状记忆聚合物(Shape Memory Polymer，SMP)的在热水浴中的激发变形，实现了模仿贝壳结构实现柔性抓取的功能。
[0005]本专利技术对初始结构进行了设计，使用SMP实现仿生贝壳软体机械爪结构折叠技术。复杂仿生结构的制造需要SMP的同时配置、智能材料的刺激和打印过程的编程。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一、一种基于SMP的仿生贝壳软体机械爪：
[0008]机械爪包括通用单元和驱动单元，通用单元中部设置有驱动单元，所述的通用单元为长条状，通用单元中部设置有一条折痕，通用单元中部开设通槽，通槽中布置驱动单元，驱动单元分别连接于通用单元通槽在折痕两侧的两个槽边。
[0009]本专利技术将初始的粗产品结构分为驱动单元和通用单元，驱动单元可在外部刺激下发生应变实现变形运动，通用单元作为支撑和限制。
[0010]所述的驱动单元采用双层结构，双层结构分为上部和下部，上部和下部的打印方向是垂直的，使得上部和下部的填充图案分别是水平条纹和垂直条纹。
[0011]连接在通用单元通槽的两个槽边之间的所述驱动单元包括两个形状记忆条和间隙，形状记忆条平行布置且各自两端分别连接于通用单元通槽在折痕两侧的两个槽边之间，两个形状记忆条之间、形状记忆条和通用单元间均具有间隙。
[0012]二、仿生贝壳软体机械爪的制造方法，所述的制造方法采用以下4D打印方式制备而成：
[0013]1)选取形状记忆聚合物材料和非形状记忆聚合物材料作为打印的线材，根据需打印的产品模型先3D打印出通用单元，然后在通用单元之间打印出驱动单元，从而完成3D打印后获得粗产品；
[0014]打印后的粗产品结构被分为通用单元和负责驱动转换的驱动单元。
[0015]2)取下3D打印获得的粗产品，对驱动单元进行刺激使得驱动单元弯曲带动两个通用单元被翻转合拢变形，直至4D变形完全完成，获得4D打印产品。
[0016]所述1)中，采用非形状记忆聚合物材料打印出通用单元，采用形状记忆聚合物材料打印出驱动单元。
[0017]对驱动单元进行刺激，使得驱动单元结构变形，进而带动通用单元也变形。
[0018]所述对驱动单元进行刺激，具体是对驱动单元进行温度加热。
[0019]所述的温度加热是使用水浴加热的方式。
[0020]在4D打印中，每层材料的热膨胀系数是通过改变工艺参数来控制的。与线性热膨胀系数最相关的参数是打印温度、打印行高、打印线宽和打印填充图案。双层驱动单元的基本转换原理源于两层之间应力的各向异性，这是由热膨胀或记忆行为提供的。
[0021]在4D打印变形中对三维打印参数的控制是一个复合过程；单个参数对变形的影响是片面的。此外，打印图案在第二次刺激期间控制三维坐标平面中的应变方向。除了部分模式外，两个方向的应变基本相同。为了实现双层结构中的最大应变，双层驱动单元中的上部和下部填充图案分别是水平条纹和垂直条纹。驱动单元中的水平和垂直条纹是相同的打印参数，打印方向是垂直的。
[0022]所述形状记忆聚合物材料玻璃化转变温度为65℃，室温模量为3523Mpa，玻璃化转变温度为183℃。实验选择打印温度为195℃，打印线高度为50μm，刺激温度为90℃，打印线宽度为0.4mm。
[0023]本专利技术的有益效果是：
[0024]在本专利技术中，通过设计SMP材料的区域轮廓和形状记忆特性，设计了仿生贝壳软体机械爪4D打印结构和方式，本专利技术实现了利用SMP材料聚乳酸(Polylactic acid，PLA)，模仿贝壳设计仿生结构，实现了FDM的4D打印。
[0025]本专利技术实现了温度刺激下的SMP变形与仿生机械爪柔性抓取。
附图说明
[0026]图1为仿生结构与驱动单元结构示意图，为具有可编程执行器的仿生结构；
[0027]图2为工艺参数对应变的影响图；(a)表示打印温度
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应力关系图，(b)表示打印高度
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应力关系图，(c)表示打印宽度
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应力关系图；
[0028]图3为本专利技术打印的仿生贝壳软体机械爪的变形过程示意图。(a)图为初始结构包括通用单元和驱动单元，(b)图为具有通用单元和驱动单元的变形后结构；
[0029]图中：通用单元1、驱动单元2、形状记忆条21、间隙22；折痕3。
具体实施方式
[0030]下面结合附图和具体实施对本专利技术作进一步说明。
[0031]如图1所示，包括通用单元1和驱动单元2，通用单元1中部设置有驱动单元2，所述的通用单元1为长条状，通用单元1中部设置有一条折痕3，通用单元1中部开设通槽，通槽横跨过折痕3布置，且折痕3也位于通槽的中间，通槽中布置驱动单元2，驱动单元2分别连接于通用单元1通槽在折痕3两侧的两个槽边，在驱动单元的作用下通用单元会沿着折痕对折实
现夹取运动。
[0032]驱动单元2采用双层结构，双层结构分为上部和下部，上部和下部的打印方向是垂直的，使得上部和下部的填充图案分别是水平条纹和垂直条纹，在受刺激的时候可以发生预期的弯曲应变。水平条纹和垂直条纹是相同的打印参数，但打印方向是垂直的，这样能够实现双层结构中的最大应变。
[0033]连接在两个通用单元1之间的驱动单元2包括两个形状记忆条21和间隙22，形状记忆条21平行布置且各自两端分别连接于两个通用单元1之间，两个形状记忆条21之间、形状记忆条和通用单元1间均具有间隙22，间隙22也属于驱动单元2的一部分。
[0034]本专利技术具体实施采用以下4D打印方式制备而成：
[0035]1)选取形状记忆聚合物材料和非形状记忆聚合物材料作为打印的线材，根据需打印的产品模型先3D打印出通用单元1，然后在通用单元1之间打印出驱动单元2，从而完成3D打印后获得粗产品，如图3(a)所示；
[0036]具体采用非形状记忆聚合物材料打印出通用单元1，采用形状记忆聚合物材料打印出驱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SMP的仿生贝壳软体机械爪，其特征在于：包括通用单元(1)和驱动单元(2)，通用单元(1)中部设置有驱动单元(2)，所述的通用单元(1)为长条状，通用单元(1)中部设置有一条折痕(3)，通用单元(1)中部开设通槽，通槽中布置驱动单元(2)，驱动单元(2)分别连接于通用单元(1)通槽在折痕(3)两侧的两个槽边。2.根据权利要求1所述的一种基于SMP的仿生贝壳软体机械爪，其特征在于：所述的驱动单元(2)采用双层结构，双层结构分为上部和下部，上部和下部的打印方向是垂直的，使得上部和下部的填充图案分别是水平条纹和垂直条纹。3.根据权利要求1所述的一种基于SMP的仿生贝壳软体机械爪，其特征在于：连接在通用单元(1)通槽的两个槽边之间的所述驱动单元(2)包括两个形状记忆条(21)和间隙(22)，形状记忆条(21)平行布置且各自两端分别连接于通用单元(1)通槽在折痕(3)两侧的两个槽边之间，两个形状记忆条(21)之间、形状记忆条和通用单元(1)间均具有间隙(22)。4.应用于权利要求1
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3任一所述仿生贝壳软体机械爪的制造方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯毅雄，洪兆溪，郭奥，邱皓，
申请(专利权)人：湖州绿色智能制造产业技术研究院，
类型：发明
国别省市：