CN111716341B - 一种磁致变刚度软体机器人驱动模块及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种磁致变刚度软体机器人驱动模块及其制造方法，包括磁致变刚度层、二自由度气动驱动器、磁芯、密封固定装置。磁致变刚度层、二自由度气动驱动器进行一次打印成型；磁芯可与驱动器一起变形，对其通电可施加磁场。安装进二自由度气动驱动器后再与密封固定装置装配得到一端固定的磁致变刚度软体机器人驱动模块，磁致变刚度层能够实现电磁场作用下的快速、可逆、可控刚度调节能力。由于其硬度大于二自由度气动驱动器且位置在气腔道外侧，可限制二自由度气动驱动器的径向过度膨胀和轴向过度伸长，使其气动弯曲变形可控。本发明采用一体化构型，高度集成化无需外部磁场装置，结构紧凑可靠，解决变刚度驱动器的一体化难题，实现2自由度运动和刚度调节能力并存。
Description
技术领域
本发明属于软体机器人技术领域，涉及一种磁致变刚度软体机器人驱动模块及制造方法。
背景技术
软体机器人技术是近年来机器人领域的新兴前沿方向之一。软体机器人设计灵感来源于象鼻子、章鱼触手、尺蠖等软体生物。因此，软体机器人不再采用刚性结构关节，而是主要以硅橡胶、水凝胶等软质材料作为本体，具有良好的人-机-环境交互性和安全性，在航空航天、水下作业、高端制造、生物医疗等领域具有广阔的应用前景。然而，当前软体机器人在实际应用方面却存在“柔有余，刚不足”的设计问题，阻碍了软体机器人的应用进程。因此，为使软体机器人兼具友好交互性和操作载荷能力，具有可变刚度调节能力的软体机器人成为一个热点研究方向。
2017年，新加坡国立大学任洪亮等在申请号为201710258747.0的发明专利中，提出一种通过控制折纸结构内部腔道的正负压力实现致动器刚度调节的方法，但其折纸结构制作较复杂，驱动速度较慢。2019年，大连理工大学董旭峰等在申请号为201910853243.2的发明专利中，提出了一种利用电流变液制成的变刚度层，从而实现弯曲变形驱动器在电控下的刚度调节能力，但电流变液存在团聚稳定性和沉降稳定性差的问题，制造过程也并不容易。
综上所述，快速、可控、可逆、一体化的变刚度能力及灵活运动能力成为软体机器人变刚度驱动器设计的技术目标。目前，变刚度驱动器设计的综合性能仍有待提高。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种磁致变刚度软体机器人驱动模块及制造方法。该方法采用一种以PDMS、高纯羟基铁粉为原料的磁致变刚度层，实现电磁场作用下的快速、可逆、可控刚度调节能力；采用一种变刚度驱动器的一体化设计构型，实现2自由度运动和刚度调节能力并存的软体机器人气动驱动器；提出直接墨水书写的3D打印工艺步骤，实现变刚度驱动器模块的制造。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种磁致变刚度软体机器人驱动模块，包括磁致变刚度层1、二自由度气动驱动器2、磁芯3、密封固定装置4；磁致变刚度层1、二自由度气动驱动器2为驱动模块的主体，采用直接墨水书写的3D打印一体化成型，再将磁芯3封装在中心，最后与密封固定装置4连接，装配成磁致变刚度软体机器人驱动模块。
所述的磁致变刚度层1是由可磁化颗粒和硅橡胶基体组成的磁控智能弹性体，其中间部分为弧形结构、上下两端为扇形结构，其中下方扇形结构中部设有弧形开口，用于通过二自由度气动驱动器2的连接部分204。所述可磁化颗粒为亚微米级的羟基铁粉，橡胶基体为PDMS。
所述的二自由度气动驱动器2主体外形为圆柱体，包括气腔道201、磁致变刚度层腔道202、磁芯腔道203、连接部分204四部分。所述圆柱体中心沿轴向设有圆柱形腔道，圆柱形腔道上端面开口、下端面封闭，作为磁芯腔道203，用于容纳磁芯3。所述圆柱体的上、下表面沿圆柱形腔道周向等间隔设有三个扇形凹槽，扇形凹槽与磁致变刚度层1上下两端的扇形结构配合，且上端面扇形凹槽圆心角小于下端面扇形凹槽圆心角。所述圆柱体内部沿纵向等间隔设有三个贯穿的弧形腔道。所述连接部分204包括三组，设于圆柱体结构内部三个弧形腔道内，每组包括外侧和内侧两个具有一定弧度的板状结构，且连接部分204长度大于二自由度气动驱动器2长度，连接部分204上端与二自由度气动驱动器2上端面扇形凹槽下表面接触，下端凸出部分插入密封固定装置4的弧形凹槽内。所述外侧板状结构与弧形腔道外侧面之间的区域为磁致变刚度层腔道202，用于放置磁致变刚度层1，磁致变刚度层1中间弧形结构的长度与磁致变刚度层腔道202相同，打印时两个模型合并，直接一体成型；所述两个板状结构之间的区域为气腔道201，用于容纳驱动气体，且气腔道201顶部封闭、底部贯穿，连接部分204底部通过与密封固定装置4配合可以将其贯穿处密封；所述内侧板状结构与圆柱体内部弧形腔道的内侧面接触。
所述的磁芯3作为磁场发生装置，由硅钢片301和硅胶层302粘结层叠制成，且外侧面缠有铜导电线圈303，封装在磁芯腔道203中与二自由度气动驱动器2一体化。其中，硅钢片301和硅胶层302交替的结构可以保证磁芯3有一定的变形能力，不会影响驱动器的整体变形。对缠绕在磁芯3外周的铜导电线圈303施加电流，磁芯3产生磁场，使磁致变刚度层1和磁芯3形成闭合磁路；在强磁场作用下，磁致变刚度层1中的可磁化颗粒被磁化，粒子间相互作用能增加，从而使磁致变刚度层1的刚度提升，进而有效提升驱动模块的整体刚度；通过调节铜导电线圈303匝数和电流大小，可以实现刚度动态调节。去除磁场作用后，可磁化颗粒退磁，粒子间的相互作用能减少至零，从而使磁致变刚度层1退磁，恢复至初始状态。如图8所示，在施加磁场时，由于磁致变刚度层1上下两端的截面面积更大扇形结构，能够保证磁芯3通电时与其构成闭环磁路。
所述的密封固定装置4包括外法兰盘401、中间密封夹板402、内法兰盘403。所述外法兰盘401为中空的梯形圆台结构，中空处放置中间密封夹板402、内法兰盘403，且中间密封夹板402位于外法兰盘401、内法兰盘403之间。所述的外法兰盘401凸起圆周结构上沿圆周方向等间隔设有三个外法兰盘连接孔401-1，中间密封夹板402、内法兰盘403的相对应位置设有中间密封夹板连接孔402-1、内法兰盘连接孔403-1，螺栓沿水平方向依次穿过外法兰盘连接孔401-1、中间密封夹板连接孔402-1、内法兰盘连接孔403-1与连接部分204进行配合连接，并起到密封作用。所述的外法兰盘401外环还等间隔设有8个外法兰盘安装孔401-2，用于将磁致变刚度软体机器人驱动模块的端部固定。所述的中间密封夹板402为圆环结构，其圆周的两侧面上等间隔设有三组弧形的凹槽结构，每组凹槽结构均包括一个靠近内法兰盘403的内凹槽结构和一个靠近外法兰盘401的外凹槽结构，用于通过连接部分204的两个弧形板状结构；每组凹槽结构中间设有通气孔402-2，(通气孔402-2为垂直方向)，用于与SP-20快插接头连接，且通气孔402-2与气腔道201相通。
一种磁致变刚度软体机器人驱动模块的制造方法，包括以下步骤：
第一步：制备磁致变刚度层1的打印原料
所述的磁致变刚度层1的打印原料包括PDMS、气相二氧化硅、高纯羟基铁粉。所述高纯羟基铁粉的粒度小于10um、纯度≧Fe99.99％、外表为黑色超细粉末，不含有任何杂质。所述PDMS选用美国道康宁Syglard184硅橡胶，包括基本组分A、固化剂B，两种组分混合后，能够在室温下48小时内固化。
材料的制备流程如下：首先，按照10:1:6:1.25的质量比例分别添加基本组分A、固化剂B、高纯羟基铁粉、气相二氧化硅于烧杯中进行充分搅拌，其中，气相二氧化硅作为触变剂的加入可以使得原料获得直接墨水书写所需的力学性能。然后，将搅拌好的打印原料放入真空箱中进行室温下5-10分钟的去除气泡处理。最后，得到磁致变刚度层1的打印原料，外观为较粘稠的黑色胶体。
第二步：制备二自由度气动驱动器2的打印原料
所述的二自由度气动驱动器2的打印原料包括PDMS、气相二氧化硅。所述PDMS选用美国道康宁184硅橡胶，由A、B两种组分构成，包括基本组分A，固化剂B。
材料制备流程与磁致变刚度层1的打印原料制备相似：首先，按照10:1:1.25的质量比例分别添加基本组分A、固化剂B、气相二氧化硅于烧杯中进行充分搅拌，其中，气相二氧化硅作为触变剂的加入可以使得原料获得直接墨水书写所需的力学性能。然后，将搅拌好的打印原料放入真空箱中进行室温下5-10分钟的去除气泡处理。最后，得到二自由度气动驱动器2的打印材料，外观为较粘稠的灰白色胶体。
第三步：磁致变刚度层1和二自由度气动驱动器2的3D打印成型
所述磁致变刚度层1、二自由度气动驱动器2可以从下到上连续一体打印成形，具体为：首先，将第一步和第二步制备得到的磁致变刚度层1、二自由度气动驱动器2对应的打印原料装到两个低温打印头中。其次，将两个模型切片组合，分别赋予两个打印头磁致变刚度层1、二自由度气动驱动器2的打印原料属性。所述的气腔道201打印时正常留出空间，磁致变刚度层腔道202位置对应的磁致变刚度层1直接跟随二自由度气动驱动器2进行逐层打印，打印完成后二者结合为一体。
第四步：对磁芯3进行制作和封装
首先，采用二自由度气动驱动器2的打印原料打印5个硅胶层302。待硅胶层302固化后与5个硅钢片301交替粘结制作成磁芯3。然后，在磁芯3周围缠绕铜导电线圈303。最后，待第三步打印成型的磁致变刚度层1、二自由度气动驱动器2固化完成后，向磁芯腔道203内放入缠有铜导电线圈303的磁芯3，再向磁芯腔道203的剩余空间注入液态隔热硅胶，等待其完全固化后即完成封装。
第五步：装配密封固定装置4
首先，将内法兰盘403对准连接部分204的内圈中心，进行胶合固定。其次，将中间密封夹板402套在连接部分204和内法兰盘403中间，并对准中间密封夹板连接孔402-1和内法兰盘连接孔403-1。再次，将外法兰盘401套在中间密封夹板402和连接部分204外圈，旋转至外法兰盘连接孔401-1、中间密封夹板连接孔402-1对齐。最后，用三个螺栓通过外法兰盘连接孔401-1、中间密封夹板连接孔402-1、内法兰盘连接孔403-1将外法兰盘401、中间密封夹板402、内法兰盘403与连接部分204连接固定。在二自由度气动驱动器2和密封固定装置4的侧面连接缝隙通过玻璃胶密封，防止发生大变形时漏气。
第六步：对磁致变刚度软体机器人驱动模块进行气动控制和磁致刚度调节
将三个SP-20快插接头通过螺纹连接至通气孔402-2，通气孔402-2与气腔道201相通；每个SP-20快插接头单独外接气管，外部连接比例阀和气泵，从而实现三通道高压气体气动驱动模块化，使磁致变刚度软体机器人驱动模块具有单独控制和协同控制能力。
进一步的，所述磁致变刚度层1的硬度要高于二自由度气动驱动器2的硬度，具有限制二自由度气动驱动器2径向过度膨胀、轴向过度伸长的作用，使二自由度气动驱动器气动弯曲变形更加可控；同时，磁致变刚度层1有利于增加磁致变刚度软体机器人驱动模块的载荷能力。
本发明的有益效果是：采用磁致变刚度原理设计了一种可变刚度软体机器人驱动器模块，并提出了制造工艺方法。该变刚度软体机器人驱动器模块能够在高压气体驱动下实现2自由度的弯曲，可以作为连续体机器人或多指灵巧手的基础驱动单元；在内部磁芯3的铜导电线圈303励磁生成磁场后，驱动器模块依靠磁致变刚度层1实现了快速响应、可控、可逆的刚度调节能力；该变刚度软体机器人驱动器模块属于高度集成的一体化单元模块，无须外部磁场装置，设计结构紧凑、可靠，其设计原理具有通用性，可用于其他运动形式的变刚度软体机器人。
附图说明
图1为本发明磁致变刚度软体机器人驱动模块整体结构示意图；
图2为本发明磁致变刚度软体机器人驱动模块内部结构示意图；
图3为密封固定装置结构示意图；
图4为二自由度气动驱动器结构示意图；
图5为磁芯结构示意图；
图6为二自由度气动驱动器的俯视图及其剖视图；
图7为二自由度气动驱动器的底部视图；
图8为磁致变刚度层的结构示意图；
图中：1磁致变刚度层；2二自由度气动驱动器；3磁芯；4密封固定装置；401外法兰盘；402中间密封夹板；403内法兰盘；401-2外法兰盘安装孔；401-1外法兰盘连接孔；402-1中间密封夹板连接孔；403-1内法兰盘连接孔；402-2通气孔；201气腔道；202磁致变刚度层腔道；203磁芯腔道；204连接部分；301硅钢片；302硅胶层；303铜导电线圈。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式，但本发明的保护范围不限于此。
本发明所述的一种磁致变刚度软体机器人驱动模块由磁致变刚度层1、二自由度气动驱动器2、磁芯3、密封固定装置4组成，主体采用直接墨水书写的3D打印成型。其中，磁致变刚度层1、二自由度气动驱动器2的结构设计满足打印一体成型，不需要单独制作组合，具有紧凑、可靠，简单的优点。
所述的磁致变刚度层1中间为长112mm的弧形柱体、上下两端分别为长4mm的扇形柱体，镶嵌在二自由度气动驱动器2中，其中下方扇形结构中部设有弧形开口，用于通过二自由度气动驱动器2的连接部分204。其为亚微米级的羟基铁粉分散至PDMS基质的一种磁控智能弹性体。在磁芯3产生的磁场作用下，可磁性颗粒被磁化，使颗粒能磁化矢量与施加的磁场对齐，粒子间的相互作用能增加，从而使其刚度提升。在磁场消失后，可磁化颗粒退磁，粒子间相互作用能减少至零，可以恢复初始状态；高纯羟基铁粉的存在也使得磁致变刚度层1硬度变高，从而起到限制驱动器径向、轴向过度变形的作用。如图8所示，在施加磁场时，所述的磁致变刚度层1上下两端为表面积更大的扇形结构，可以保证磁芯3通电时与其构成沿磁芯轴线、沿扇形的水平方向、沿弧形柱体的纵向、沿扇形的水平方向的闭环磁路。
所述的二自由度气动驱动器2是磁致变刚度软体机器人驱动模块的主体部分，外形近似为直径60mm圆柱体结构，包括气腔道201、磁致变刚度层腔道202、磁芯腔道203、连接部分204。所述的圆柱体结构沿纵向等间隔(120°)设有三个贯穿的弧形腔道结构，且上下两端还有沿水平等间隔阵列的三个扇形凹槽结构，这些是用于容纳磁致变刚度层1的磁致变刚度层腔道202；所述连接部分204是设于圆柱体结构内部三个弧形腔道内的三组板状结构，且连接部分204长度比二自由度气动驱动器2多出20mm，连接部分204上端与二自由度气动驱动器2上端面扇形凹槽下表面接触，下端凸出部分插入密封固定装置4的弧形凹槽内。所述外侧板状结构与弧形腔道外侧面之间的区域为磁致变刚度层腔道202，用于放置磁致变刚度层1，打印时两个模型合并，直接一体成型；所述一组两个板状结构之间的区域为气腔道201，用于容纳驱动气体，且气腔道201顶部封闭、底部贯穿，长度为110mm，连接部分204底部通过与密封固定装置4配合可以将其贯穿处密封；所述内侧板状结构与圆柱体内部弧形腔道的内侧面接触。所述的磁芯腔道203是位于二自由度气动驱动器2轴心、底部贯穿的深度为70mm的圆柱形腔道，用于容纳磁芯3，后续再由隔热硅胶填满。
如图5所示，所述的磁芯3由硅钢片301和硅胶层302互相层叠组成。对其缠绕的铜导电线圈303通电可以施加磁场；
所述的密封固定装置4由外法兰盘401、中间密封夹板402、内法兰盘403组成。所述外法兰盘401的中空处用于容纳中间密封夹板402、内法兰盘403，且中间密封夹板402位于内法兰盘403外圈。所述的外法兰盘401凸起圆周结构上沿圆周方向等间隔设有三个外法兰盘连接孔401-1，中间密封夹板402、内法兰盘403的相对应位置同样设有中间密封夹板连接孔402-1、内法兰盘连接孔403-1，螺栓沿水平方向依次穿过外法兰盘连接孔401-1、中间密封夹板连接孔402-1、内法兰盘连接孔403-1与连接部分204进行配合连接，并起到密封作用。所述的外法兰盘401外环还等间隔设有8个外法兰盘安装孔401-2，用于将磁致变刚度软体机器人驱动模块的端部固定。所述的中间密封夹板402的圆周的两侧面上等间隔设有三组弧形的凹槽结构，每组凹槽结构均包括一个靠近内法兰盘403内凹槽结构和一个靠近外法兰盘401外凹槽结构，且内凹槽结构弧长小于外凹槽结构；每组凹槽结构中间设有通气孔402-2，(通气孔402-2为垂直方向)，用于与SP-20快插接头连接，且通气孔402-2与气腔道201相通。其中，外法兰盘401凸起圆周结构与二自由度气动驱动器2的直径相同。
一种磁致变刚度软体机器人驱动模块制造方法，具体为：
第一步：制备磁致变刚度层1的打印原料
所述磁致变刚度层1为亚微米级的羟基铁粉分散至PDMS基质的一种磁控智能弹性体。其打印原料以PDMS为主要组成部分，气相二氧化硅、高纯羟基铁粉用于改变其性能；所述高纯羟基铁粉的粒度小于10um、纯度≧Fe99.99％、外表为黑色超细粉末，不含有任何杂质。所述PDMS选用美国道康宁Syglard184硅橡胶，由A、B两种组分构成——包括基本组分A，固化剂B。两种组分混合后，能够在室温下48小时内固化。材料的制备流程如下：首先，按照10:1:6:1.25的质量比例分别添加基本组分A、固化剂B、高纯羟基铁粉、气相二氧化硅于烧杯中进行充分搅拌。其中，气相二氧化硅作为触变剂的加入可以使得原料获得直接墨水书写所需的力学性能。气相二氧化硅在加入前用金属筛网筛分，防止团聚的气相二氧化硅堵塞打印针头；然后，将搅拌好的打印原料放入真空箱中进行室温下5-10分钟的去除气泡处理，保证打印原料肉眼看不见气泡；至此，磁致变刚度层1的打印原料制备完成，外观为较粘稠的黑色胶体。
第二步：制备二自由度气动驱动器2的打印原料
所述二自由度气动驱动器2的打印材料由PDMS，气相二氧化硅组成。所述PDMS选用美国道康宁184硅橡胶，由A、B两种组分构成，包括基本组分A，固化剂B。材料制备流程与磁致变刚度层1的材料制备相似：首先，按照10:1:1.25的质量比例分别添加基本组分A、固化剂B、气相二氧化硅于烧杯中进行充分搅拌。其中，气相二氧化硅作为触变剂的加入可以使得原料获得直接墨水书写所需的力学性能；然后，将搅拌好的打印原料放入真空箱中进行室温下5-10分钟的去除气泡处理；至此，材料配置完成，外观为较粘稠的灰白色胶体。
第三步：磁致变刚度层1和二自由度气动驱动器2的3D打印成型
首先，在打印机的切片软件中将磁致变刚度层1，二自由度气动驱动器2的模型切片组合。其次，将制备的两种材料置于两个低温打印头中并在控制软件中将两个打印头分别赋予其材料属性。最后，根据试打印的情况修改速度、压力等参数，然后开始打印；二自由度气动驱动器2的材料耗费较多，一个料筒的材料不足以完成打印，要在打印过程中再次配置材料。所述磁致变刚度软体机器人驱动模块包括的主要结构——磁致变刚度层1，二自由度气动驱动器2可以组合为一体从下到上连续一体打印成形。所述的气腔道201打印时正常留出空间，磁致变刚度层腔道202位置对应的磁致变刚度层1直接跟随二自由度气动驱动器2进行逐层打印，打印完成后二者结合为一体，无需粘结组合等繁琐步骤。
第四步：对磁芯3进行制作和封装
首先，采用二自由度气动驱动器2的材料打印5个硅胶层302。待固化后与5个硅钢片301交替粘结制作成磁芯3，并在其周围缠上铜导电线圈303；所述的磁致变刚度层1、二自由度气动驱动器2固化完成后，向所述的磁芯腔道203放入制作好的磁芯3，再向磁芯腔道203的剩余空间注入液态隔热硅胶，等待其完全固化后完成封装。磁芯3包含的硅钢片301和硅胶层302层叠的结构，是防止单独采用硅钢片材料会过硬而阻碍二自由度气动驱动器2的变形；由于磁芯在通电时会发热，可能会融化驱动器的硅橡胶材料，所以用隔热硅胶进行保护。
第五步：装配密封固定装置4
所述的密封固定装置4包括外法兰盘401、中间密封夹板402、内法兰盘403，如图3所示。所述的内法兰盘403外圈直径为30mm，与连接部分204的内侧直径相同；所述的外法兰盘401外圈直径60mm、内圈直径42mm，底座直径80mm。所述的外法兰盘安装孔401-2可用于将所述的磁致变刚度软体机器人驱动模块一端固定；具体的装配过程如下：首先，将内法兰盘403对准连接部分204的中心，进行胶合固定。其次，将中间密封夹板402套在连接部分204和内法兰盘403中间，并对准中间密封夹板连接孔402-1和内法兰盘连接孔403-1。再次，将外法兰盘401套在中间密封夹板402外圈，旋转至外法兰盘连接孔401-1、中间密封夹板连接孔402-1对齐。最后，用三个螺栓通过外法兰盘连接孔401-1、中间密封夹板连接孔402-1、内法兰盘连接孔403-1将外法兰盘401、中间密封夹板402、内法兰盘403与连接部分204连接固定。
进一步，二自由度气动驱动器2的圆柱侧面上，与密封固定装置4的连接处涂上玻璃胶密封，防止大变形时产生漏气。
第六步：对磁致变刚度软体机器人驱动模块进行气动控制和磁致刚度调节
将三个SP-20快插接头通过螺纹连接至通气孔402-2，所述的通气孔402-2保证输入的驱动气体能进入气腔道201；每个SP-20快插接头单独外接气管，外部连接比例阀和气泵，从而实现三通道高压气体气动驱动模块化，使磁致变刚度软体机器人驱动模块具有单独控制和协同控制能力。对三个气腔道201同时通气，磁致变刚度软体机器人驱动模块会轴向伸长；对气腔道201其中一个或两个施加气压后，气腔道201通气与不通气的气腔对应的磁致变刚度软体机器人驱动模块部分会产生不对称的伸长，因此整体发生弯曲。其中，磁致变刚度层1的硬度要高于二自由度气动驱动器2的硬度，起到了限制二自由度气动驱动器2通气后产生的径向和轴向过度膨胀，增加磁致变刚度软体机器人驱动模块的输出载荷能力。
通过对磁芯3进行通电施加磁场，磁致变刚度层1会磁化而提升刚度。经测试，在常态下，磁致变刚度层1的零场模量为320Kpa；在100mT磁场的激励下，其弹性模量为450KPa；在200mT磁场的激励下，其弹性模量为650KPa；在300mT磁场的激励下，其弹性模量为800KPa。可见磁致变刚度层1在磁场激励下能有效提升其刚度，且刚度提升幅度可通过磁场强度加以控制，从而可以实现在运动过程中，对磁致变刚度软体机器人驱动模块进行实时刚度调节。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种磁致变刚度软体机器人驱动模块，其特征在于，包括磁致变刚度层(1)、二自由度气动驱动器(2)、磁芯(3)、密封固定装置(4)；磁致变刚度层(1)、二自由度气动驱动器(2)为驱动模块的主体，一体化成型后将磁芯(3)封装在其中心，最后与密封固定装置(4)连接，装配成磁致变刚度软体机器人驱动模块；
所述的磁致变刚度层(1)是由可磁化颗粒和硅橡胶基体组成的磁控智能弹性体，磁控智能弹性体的中间部分为弧形结构、上下两端为扇形结构，其中，下方扇形结构中部设有弧形开口，用于通过二自由度气动驱动器(2)的连接部分(204)；
所述的二自由度气动驱动器(2)主体外形为圆柱体，包括气腔道(201)、磁致变刚度层腔道(202)、磁芯腔道(203)、连接部分(204)四部分；所述圆柱体中心沿轴向设有圆柱形腔道，圆柱形腔道上端面开口、下端面封闭，作为磁芯腔道(203)，用于容纳磁芯(3)；所述圆柱体的上、下表面沿圆柱形腔道周向等间隔设有三个扇形凹槽，扇形凹槽与磁致变刚度层(1)上下两端的扇形结构配合；所述圆柱体内部沿纵向等间隔设有三个贯穿的弧形腔道；所述连接部分(204)包括三组，设于三个弧形腔道内，每组均包括两个具有弧度的板状结构，一个板状结构与弧形腔道外侧面之间的区域为磁致变刚度层腔道(202)，用于放置磁致变刚度层(1)，另一个板状结构与圆柱体内部弧形腔道的内侧面接触，两个板状结构之间的区域为气腔道(201)，用于容纳驱动气体，且气腔道(201)顶部封闭、底部贯穿；所述连接部分(204)长度大于二自由度气动驱动器(2)长度，连接部分(204)上端与二自由度气动驱动器(2)上端面扇形凹槽下表面接触，下端凸出部分插入密封固定装置(4)的弧形凹槽内；
所述的磁芯(3)作为磁场发生装置，由硅钢片(301)通过和硅胶层(302)粘结层叠制成，且外侧面缠有铜导电线圈(303)，封装在磁芯腔道(203)中与二自由度气动驱动器(2)一体化；通过调节铜导电线圈(303)匝数和电流大小，可以调节驱动模块的刚度；
所述的密封固定装置(4)包括外法兰盘(401)、中间密封夹板(402)、内法兰盘(403)；所述外法兰盘(401)为中空的梯形圆台结构，中空处放置中间密封夹板(402)、内法兰盘(403)；所述的外法兰盘(401)凸起结构上设有连接孔，中间密封夹板(402)、内法兰盘(403)的相对应位置设有连接孔，螺栓沿水平方向依次穿过上述连接孔与连接部分(204)进行配合连接，并起到密封作用；所述的外法兰盘(401)外环上设有安装孔，用于将磁致变刚度软体机器人驱动模块的端部固定；所述的中间密封夹板(402)为圆环结构，其圆周的两侧面上均等间隔设有三个弧形凹槽结构，用于插入连接部分(204)的弧形板状结构；圆环结构上还设有与气腔道(201)相通的通气孔(402-2)，用于与SP-20快插接头连接。
2.根据权利要求1所述的一种磁致变刚度软体机器人驱动模块，其特征在于，所述的可磁化颗粒为亚微米级的羟基铁粉，橡胶基体为PDMS。
3.根据权利要求1或2所述的一种磁致变刚度软体机器人驱动模块的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：制备磁致变刚度层(1)的打印原料
所述的磁致变刚度层(1)的打印原料包括硅橡胶、气相二氧化硅、高纯羟基铁粉，其中硅橡胶包括基本组分、固化剂；将基本组分A、固化剂B、高纯羟基铁粉、气相二氧化硅按照10:1:6:1.25的质量比混合后，放入真空箱中进行去气泡处理，得到磁致变刚度层(1)的打印原料；
第二步：制备二自由度气动驱动器(2)的打印原料
所述的二自由度气动驱动器(2)的打印原料包括硅橡胶、气相二氧化硅，其中硅橡胶包括基本组分、固化剂；将基本组分A、固化剂B、气相二氧化硅按照10:1:1.25的质量比混合后，放入真空箱中进行去气泡处理，得到二自由度气动驱动器(2)的打印原料；
第三步：磁致变刚度层(1)和二自由度气动驱动器(2)的3D打印成型
首先，将磁致变刚度层(1)和二自由度气动驱动器(2)的打印原料装到两个低温打印头中；其次，将两个模型切片组合，赋予两个打印头磁致变刚度层(1)、二自由度气动驱动器(2)的打印原料属性；所述气腔道(201)打印时正常留出空间，与磁致变刚度层腔道(202)位置对应的磁致变刚度层(1)直接跟随二自由度气动驱动器(2)进行逐层打印，打印完成后二者结合为一体；
第四步：对磁芯(3)进行制作和封装
首先，采用二自由度气动驱动器(2)的打印原料打印5个硅胶层(302)；待硅胶层(302)固化后与5个硅钢片(301)交替粘结制作成磁芯(3)；然后，在磁芯(3)周围缠绕铜导电线圈(303)；最后，待第三步打印成型的磁致变刚度层(1)、二自由度气动驱动器(2)固化完成后，向磁芯腔道(203)内放入缠有铜导电线圈(303)的磁芯(3)，再向磁芯腔道(203)的剩余空间注入液态隔热硅胶，等待其完全固化后完成封装；
第五步：装配密封固定装置(4)
首先，将内法兰盘(403)对准连接部分(204)的内圈中心，进行胶合固定；其次，将中间密封夹板(402)套在连接部分(204)和内法兰盘(403)中间，并对准中间密封夹板连接孔和内法兰盘连接孔；再次，将外法兰盘(401)套在中间密封夹板(402)和连接部分(204)外圈，旋转至外法兰盘连接孔、中间密封夹板连接孔对齐；最后，通过螺栓将外法兰盘(401)、中间密封夹板(402)、内法兰盘(403)与连接部分(204)连接固定；在二自由度气动驱动器(2)和密封固定装置(4)的侧面连接缝隙通过玻璃胶密封；
第六步：对磁致变刚度软体机器人驱动模块进行气动控制和磁致刚度调节
将三个SP-20快插接头通过螺纹连接至通气孔(402-2)，每个SP-20快插接头单独外接气管，外部连接比例阀和气泵，从而实现三通道高压气体气动驱动模块化。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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