制造具有斜向腔室的柔性气动网络执行器

摘要

本文介绍了一种具有斜向腔室的软体气动网络驱动器的制备方法。该驱动器能够产生耦合的弯曲和扭转运动，从而拓展了其在软体机器人领域的应用。

摘要

柔性气动网络驱动器因其大弯曲变形和低输入需求，已成为软体机器人领域最具前景的驱动装置之一。然而，其在二维（2-D）空间中单调的弯曲运动形式限制了其广泛应用。本文介绍了一种具有斜向腔室的柔性气动网络驱动器的详细制备方法，以探索其在三维（3-D）空间中的运动特性。斜向腔室的设计使驱动器具备可调节的耦合弯曲与扭转能力，从而有望在柔性机械臂中实现灵巧运动，并用于仿生机器人及医疗设备的开发。该制备工艺基于模具成型法，包括硅橡胶弹性体的配制、腔室与基底部分的制作、驱动器组装、管路连接、泄漏检测以及驱动器修复等步骤。该制备方法通过仅对模具进行少量修改，即可实现一系列驱动器的快速制造。测试结果表明，所制备的驱动器质量高，具有显著的弯曲和扭转性能。夹持器实验验证了该驱动器在适应不同直径物体以及提供足够摩擦力方面的优势。

引言

软体气动执行器（SPAs）是一类可通过输入气压实现驱动的柔性装置^1,2。它们可以使用多种材料制备，例如硅基弹性体³，织物⁴，形状记忆聚合物⁵和介电弹性体⁶研究人员受益于其柔顺性、灵巧的运动能力以及简单的制造方法⁷，使得SPAs已成为软体机器人应用中最具前景的装置之一^8,9. 软体驱动器可实现多种复杂的运动，例如爬行¹⁰，旋转¹¹和滚动¹² 基于多种类型的形变，包括拉伸、膨胀、弯曲和扭转^13,14. 为了实现不同类型的运动，SPA 被设计成不同的结构，例如具有平行通道的线性本体¹⁵，一种带有纤维增强的单体腔室¹⁶以及重复子腔室的网络¹⁷其中，具有重复子腔室网络结构的软体气动网络执行器（SPAs）因能在相对较低的输入压力下产生较大的形变而被广泛应用。然而，在以往的大多数设计中，这类执行器仅能产生二维空间内的弯曲运动，极大地限制了其应用范围。

一种柔性气动网络驱动器由线性排列并通过内部通道相连的多个腔室组成。每个立方腔室包含一对相对的薄壁，其厚度小于另一对壁，从而在垂直于薄壁的方向上产生双侧膨胀。最初，腔室的薄壁垂直于驱动器本体的长轴，并沿长轴方向膨胀。这些共线的腔室膨胀以及不可延伸的基底共同导致驱动器发生整体纯弯曲。为了探索驱动器在三维空间中的运动，可通过调整腔室的取向，使薄壁侧不再垂直于驱动器的长轴（图1A），从而使每个腔室的膨胀方向偏离长轴且不再共线。所有平行但非共线的膨胀将驱动器的运动转变为三维空间中的耦合弯曲与扭转运动¹⁸。这种耦合运动赋予驱动器更高的柔顺性和灵活性，使其成为柔性机械臂、仿生机器人及医疗设备等实际应用的理想候选。

本方案展示了具有斜向腔室的柔性气动网络驱动器的制备方法。内容包括硅胶弹性体的准备、腔室和基底部分的制作、驱动器的组装、管路连接、泄漏检测，以及必要时对驱动器进行修复。该方法也可用于制备常规的柔性气动网络驱动器及其他类型的柔性驱动器，仅需对模具方法进行一些简单修改即可实现。我们提供了制备具有30°斜向腔室的柔性气动驱动器的详细步骤。针对不同应用需求，可根据相同方案制备具有不同腔室角度的驱动器。此外，这些驱动器可组合使用，构成满足多种需求的多驱动器系统。

方案

注意：本方案提供了软体气动网络执行器的制备流程。在开始制备前，需预先使用计算机辅助设计（CAD）软件设计并3D打印一组模具以及若干执行器-管路连接件。模具如图1B所示。

1. 硅橡胶弹性体的制备

1. 在同一个混合容器中称取5 g硅胶弹性体B组分和45 g A组分[A:B重量比为9:1]（图2A）。使用注射器确保各组分比例准确。
   注意：不同硅胶弹性体的混合比例可能不同。若采用其他类型的硅胶弹性体，应相应调整各组分比例。
2. 使用行星式离心混合器充分混合硅胶弹性体。
   注意：可将硅胶弹性体置于低温环境中储存，以延长其可操作时间。

2. 腔室部件的制备

1. 将硅橡胶产品的脱模剂均匀喷涂在模具A部分和B部分的表面。
2. 组装用于制作腔室的模具A部分和B部分，用夹子夹紧模具两端，防止硅橡胶泄漏。
3. 用注射器吸取5 mL硅橡胶，缓慢注入模具的孔中，以制作连接端（执行器一端用于连接管路的圆柱形结构）。随后将整个模具填充满硅橡胶（图2B）。
   注意：保持较低的流速，并缓慢往复推动，使硅橡胶充分进入模具的微小结构中。
4. 用针尖刺破表面形成的气泡，直至肉眼不可见气泡为止（图2C）。
5. 用刀片沿模具上表面刮去多余的硅橡胶。
6. 将模具放入70 °C的烘箱中，直至硅橡胶完全固化。
7. 使用注射器将硅橡胶注入执行器表面出现的气泡和孔洞中。
8. 刮去表面多余的硅橡胶。
9. 将模具再次放入70 °C的烘箱中，直至硅橡胶完全固化。

3. 基础部件制备

1. 将硅胶弹性体产品的脱模剂均匀喷涂在模具部件 C 的表面。
2. 将硅胶弹性体倒入模具的 C 部分。
3. 用针尖刺破表面形成气泡，直至无可见气泡为止。
4. 用刀片沿模具上表面刮去多余的硅胶弹性体。
5. 将模具置于 70 °C 的烘箱中，直至硅胶弹性体完全固化。

4. 执行器组装

1. 在基底部件的一面均匀地倒入一层厚度为 1 mm 的硅胶弹性体。
2. 将腔室部件放置在基底部件上。使用注射器将硅胶弹性体注入腔室部件与基底部件之间的空隙中（图 2D）。
3. 将驱动器置于 70 °C 的烘箱中，直至硅胶弹性体完全固化。

5. 管路连接

1. 轻敲3D打印的执行器-管路连接件，使其能够接纳气动接头公端螺纹杆的插入式安装。
2. 使用针头沿气缸中心线刺穿执行器的连接端。用钢棒扩大孔径至约2 mm。
3. 将执行器-管路连接件旋入执行器（图2E）。
4. 将一段管路插入气动接头公端螺纹杆的插入式接口中。

6. 泄漏检查与修复

1. 将执行器连接到气源。
2. 将整个执行器放入水中并加压（图 2F）。观察是否有气泡产生，以判断是否存在泄漏。
3. 使用注射器将硅橡胶注入泄漏点。将执行器置于70 °C的烘箱中，直至硅橡胶完全固化。
4. 如有需要，重复步骤6.1 - 6.3。

结果

单个驱动器：
为验证制造方法并展示驱动器的功能，制备并测试了 30°、45° 和 60° 的驱动器。实验装置中，采用空气泵来激活阀门，阀门与驱动器相连以控制其内部压力。单个驱动器在其连接端固定，并垂直放置。在对驱动器加压过程中，使用两台数码相机从不同角度记录其位置。通过分析这些位置（图 3A）可知，驱动器的运动可通过两个参数描述：弯曲角度和扭转角度。这两个参数可定量区分不同腔室角度驱动器的性能差异。

弯曲与扭转测试（图3B 和 3C) 展示了执行器在三维空间中的运动。弯曲角度是指执行器在激活状态下身体轴线与未激活状态下的原始身体轴线之间的夹角。¹⁸扭曲角是致动状态下尖端线与非致动状态下原始尖端线之间的夹角...

讨论

本文介绍了一种用于制备具有斜向腔室的软体气动网络执行器的方法流程。按照该流程，可在3小时内独立完成一个执行器的制备。流程中的关键步骤可概括如下：（i）按比例配制硅橡胶弹性体并充分混合；（ii）将硅橡胶弹性体倒入模具中，用于成型腔体部分和基底部分；（iii）刺破暴露表面上的气泡，并刮除暴露表面上多余的硅橡胶弹性体；（iv）将硅橡胶弹性体放入烘箱中固化；（v）利用硅橡胶弹性体将两个部分粘接在一起，并再次在烘箱中进行固化，完成制备过程；（vi）将执行器连接至气源以检查是否存在泄漏。若发现泄漏，应使用硅橡胶弹性体进行修复。

为确保所制备执行器的质量和驱动性能，以下将讨论本方案中的几个关键步骤，包括材料的选择、气泡的消除以及保证气密性的连接方法。

硅胶弹性体应具有较大的拉伸伸长率，以确保驱动器的变形能力。此外，硅胶弹性体在液态时应具有良好的流动性，以便能够顺利浇注到模具的毫米级结构中。本方案第1节所选用的硅胶弹性体在液态时具有低黏度，并可实现高达700%的拉伸变形。该硅胶弹性体可用其他满足上述要求的合适材料替代。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
硅酮弹性体	Wacker	ELASTOSIL M4601 A/B	执行器的材料
注射器	上海仁迈生物科技有限公司	10 ml	用于将硅橡胶注入模具孔中，以制备连接端
精密天平	上海霍创	UTP-313	用于称量硅橡胶
行星式离心真空搅拌机	THINKY	ARE-310	用于混合硅橡胶并在混合后脱泡
脱模剂	Smooth-on	释放 200	便于脱模使用
针	上海仁济医疗器械		用于刺破表面形成的气泡
手术刀片	M&安普&G 成光文具	ASS91325	用于刮除模具上表面多余的硅橡胶
真空烘箱	宁波SI仪器	DZF-6050	用于缩短硅橡胶的固化时间
雄性快插接头用于气动接头的推入式安装	浙江BLCH气动科学 &科技	PC4-01	用于连接管路与3D打印驱动器管路接头
导管	SMC	TU0425	用于驱动执行器
真空泵	浙江BLCH气动科学 &科技		作为空气来源使用
压力阀	浙江BLCH气动科学 &科技	IR1000-01BG	用于调节输入气压