阅读说明：本技术 基于三维打印技术和电流变材料打印软体机械手的方法 (Method for printing soft manipulator based on three-dimensional printing technology and electrorheological material ) 是由 黄睿涛 施建平 冯春梅 杨继全 邱鑫 李娜 杨建飞 汤浩 杨帅 于 2020-12-10 设计创作，主要内容包括：本发明的一种基于三维打印技术和电流变材料打印软体机械手的方法,包括S1,建模：首先对软体机械手进行建模,留出内部通道及电极位置；然后将建模切片,传输至多材料三维打印系统；S2,模型打印：多材料三维打印机打印软体机械手的主体部分,同时用填充材料将内部通道和电极位置填充；S3,去除填充材料：将初步打印完成的模型采用水浴加热的方式,将通道内的填充材料融化、去除；S4,安装电极：制备液态电流变材料并将制备好的液态电流变材料注入内部通道中,并在内部通道的两端安装电极,完成软体机械手的制作。本发明将可以改变材料状态的电流变材料应用于软体机械手中,能够在需要时,加强软体机械手的刚性,使其适用于更多环境中。(The invention discloses a method for printing a software manipulator based on a three-dimensional printing technology and an electrorheological material, which comprises the following steps of S1: firstly, modeling a soft mechanical arm, and reserving an internal channel and an electrode position; then, transmitting the modeling slice to a multi-material three-dimensional printing system; s2, model printing: printing the main body part of the soft manipulator by the multi-material three-dimensional printer, and filling the internal channel and the electrode position with filling materials; s3, removing the filling material: melting and removing the filling material in the channel of the model subjected to preliminary printing in a water bath heating mode; s4, mounting an electrode: preparing a liquid electro-rheological material, injecting the prepared liquid electro-rheological material into the internal channel, and installing electrodes at two ends of the internal channel to complete the manufacture of the soft manipulator. The electrorheological material capable of changing the material state is applied to the soft manipulator, so that the rigidity of the soft manipulator can be enhanced when needed, and the soft manipulator is suitable for more environments.)

基于三维打印技术和电流变材料打印软体机械手的方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，尤其涉及一种基于三维打印技术和电流变材料打印软体机械手的方法。

背景技术

三维打印技术，又称为3d打印，起步于上世纪90年代中期，不同于传统制造业的“减材”制造思路，采用“增材”堆积成型的方式，在许多特殊结构的生产中具有优势，与传统制造业形成互补，共同推动现代制造业的转型。

三维打印技术的原理可总结为模型搭建，分层制造，逐层叠加。模型搭建主要由软件实现，而从单层制造和叠加的特征分类来看，目前具有应用前景和潜力的主要分为5类：SLA-立体光固化成型、FDM-容积成型、LOM-分层实体制造、3DP-三维粉末粘接和SLS-选择性激光烧结。各种制造方式所适用的材料也并不相同，目前SLA技术主要采用液态光敏树脂，FDM技术主要使用丝状热熔性塑料，LOM使用薄膜材料，SLS使用金属粉末，而3DP可使用金属粉末或塑料粉末等。并非所有的材料都适用于三维打印技术，所以从另一个角度来说，材料本身的物理特性又会限制不同技术的应用。值得一提的是，树脂、硅胶等材料的打印已经逐步走向了成熟，应用于一些软体机器人的制造。

电流变材料在1947年被一个叫温斯洛的美国人发现，他用石膏、石灰和碳粉加在橄榄油中，然后加水搅拌成一种悬浮液，在试验中，他意外地发现这种悬浮液在没有加上电场时，可以像水或油一样自由流动；可是当一加上电场时，几毫秒内就立即由自由流动的液体变成固体；而且随电场强度和电压的增加，固体的强度也增加。同时这种现象也能“反过来”进行，即当撤消电场时，它又能立即由固体变回到液体。目前，电流变材料在汽车离合器和刹车的应用上已经有了广泛研究，近几年电流变材料在智能制造领域又有了新的发展，美国密执安大学材料冶金系的教授菲利斯科甚至预言：“电流变体有可能产生比半导体更大的革命。

软体机器人目前以纯气动式为主，尽管不需要任何电子器件控制就能够活动，但气动系统本身仍需要供能。除此以外，软体机器人在实际应用中仍存在大量问题。以软体机械手为例，当抓取重量较大的不规则物体时，机械手的柔性反而降低了可靠度，缺乏足够的刚性在抓取过程中固定物体。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种基于三维打印技术和电流变材料打印软体机械手的方法，将可以改变材料状态的电流变材料应用于软体机器人中，能够在需要时，加强软体机械手的刚性，使其适用于更多环境中。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于三维打印技术和电流变材料打印软体机械手的方法，包括如下步骤：

S1，建模：首先用建模软件对软体机械手进行建模，在建模时就要留出内部通道及电极位置；然后利用切片软件将建模切片，传输至多材料三维打印系统；

S2，模型打印：多材料三维打印机利用高熔点基底材料，打印软体机械手的主体部分，同时利用低熔点填充材料将内部通道和电极位置填充起来；

S3，去除填充材料：将初步打印完成的模型采用水浴加热的方式，利用基底材料和填充材料熔点不同的原理，将通道内的填充材料融化、去除；

S4，安装电极和注入电流变材料：制备液态电流变材料并将制备好的液态电流变材料注入内部通道中，并在内部通道的两端安装电极，完成软体机械手的制作。

进一步的，S1中，所述建模软件选用solidworks三维建模软件，所述切片软件采用Slic3r切片软件。

进一步的，S2中，所述基底材料采用高熔点的硅胶材料；所述填充材料采用低熔点的糖。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

将电流变材料应用于软体机械手中，能够增加软体机械手的刚性，使其适用于更多的环境下，同时利用三维打印技术为软体机器人的制造提供了一个新的思路。

附图说明

图1为单条机械手打印模型示意图；

图2为多条机械手的软体机器人示意图；

图3为软体机器人工作时的状态示意图。

图中，1、软体机械手；2、电极；3、内部通道；4、气动控制系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

一种基于三维打印技术和电流变材料打印软体机械手的方法，如图1、2和3所示，包括如下步骤：

S1，建模：首先用建模软件对软体机械手进行建模，在建模时就要留出内部通道及电极位置；然后利用切片软件将建模切片，传输至多材料三维打印系统；S1中，所述建模软件选用solidworks三维建模软件，所述切片软件采用Slic3r切片软件。

S2，模型打印：多材料三维打印机利用高熔点基底材料，打印软体机械手的主体部分，同时利用低熔点填充材料将内部通道和电极位置填充起来；S2中，所述基底材料采用高熔点的硅胶材料；所述填充材料采用低熔点的糖。

S3，去除填充材料：将初步打印完成的模型采用水浴加热的方式，利用基底材料和填充材料熔点不同的原理，将通道内的填充材料融化、去除。

S4，安装电极和注入电流变材料：制备液态电流变材料并将制备好的液态电流变材料注入内部通道中，并在内部通道的两端安装电极，完成软体机械手的制作。

具体实施说明：

本发明通过三维打印技术实现。首先对需要成型的软体机械手通过建模软件，进行建模，在软体机械手需要改变刚性的部分设计合适的内部通道及电极安装位置，然后将模型传输至多材料三维打印机。打印材料分为两种：选用硅胶材料作为基底材料，选用糖等低熔点材料作为填充材料，单层打印逐层叠加，初步形成模型。由于硅胶材料作为基底材料具有较高的熔点，而填充材料的熔点较低，因此利用熔点不同的原理，通过水浴加热的方式，将低熔点的牺牲材料完全去除，实现软体机械手内部通道的留空。

将制备电流变材料注入留空的软体机械手的内部通道，并在通道两端设有电极，同时内部设有电源，用于改变施加在电流变材料上的电压大小。同时，我们仍采用传统软体机械手气动的控制方式，即气动控制系统，当不在电流变材料上施加电压时，由于此时电流变材料为液体并不会产生过大阻力影响机械手动作，因此电流变材料填充的软体机械手控制与一般软体机械手控制无异，当需要增加软体机械手刚性时，通过改变电流变材料两端的电压，使其变为固态，增加硬度，可以加固软体机械手需要增强刚性的部分。这样，从整体上来看，就可以改变软体机械手的刚性，使软体机械手的动作有更高的灵活度。通过控制电源，令不同大小的电压等级施加在电流变材料的两端，就可以依据具体情况来改变机械手的刚性，使其适用于更多的环境。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。