一种基于3D打印的气动驱动机器人多指灵巧手制造工艺的制作方法

本发明属于机器人多指灵巧手制造技术领域，具体涉及一种基于3d打印的气动驱动方式的机器人多指灵巧手(robotmulti-fingereddexteroushand)制造工艺。

背景技术：

3d打印又称为增材制造，是近30年来兴起并快速发展的一类基于逐层材料累加原理的先进制造方法。根据美国材料与试验协会f42委员会(astmcommitteef42)的定义，3d打印总共包含7项子技术：材料挤出(materialextrusion)、材料喷射(materialjetting)、粘合剂喷射(binderjetting)、容器式光聚合(vatphotopolymerization)、层叠制造(sheetlamination)、粉末床融合(powderbedfusion)、定向能量沉积(directedenergyfusion)。其中，材料挤出、容器式光聚合和粉末床融合技术应用最为广泛。尤其是材料挤出式3d打印，由于其较低的设备成本、较广的材料选择和较好的成型件性能等优势，近几年来获得了广泛的应用。

3d打印是一种以数字模型文件为基础，通过逐层材料堆积的方式来构造实际物体的技术。材料挤出式技术基于材料在流动态(如熔融态、溶液等)下，受压力作用下挤出、逐层堆积并固化(如玻璃态转变、结晶、溶剂挥发等)，从而构建3d物体。在材料挤出式3d打印中应用较为广泛的一项技术称为熔融堆积成型(fuseddepositionmodeling)或熔融线材制造(fusedfilamentfabrication)，其基本原理是：将热塑性高分子的线材利用齿轮传送到一个高温的热端将高分子熔融，热端沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料局部熔合，这一过程会不断逐层重复，从而构建三维物体。每一个层片都是在前一层上堆积而成，前一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助的支撑结构，对后续层提供定位和支撑，以保证成形过程的顺利实现。

机器人末端执行器(end-effector)，是机器人用来直接执行各种操作和任务的器件。传统的工业机器人末端执行器在执行抓取目标物体的操作时，主要通过施加较大压力从而产生较大摩擦力来实现，不适合用于脆、嫩或有生命体的对象。随着机器人技术的进一步发展，以人手为原型，模拟人手功能和结构，设计具有多关节、多手指的多自由度机器人末端执行器，称之为机器人多指灵巧手。多指灵巧手主要采取以下三种驱动方式：(1)电机驱动方式；(2)气动驱动方式；(3)新型智能材料驱动方式，(见参考文献1：王志恒，基于fpa的新型气动机器人多指灵巧手研究[d].杭州：浙江大学，2011.)，其中气动驱动方式的原理是：连通多指灵巧手的封闭气室，形成内部正压或负压，内外压差促使物件发生相应弯曲或伸展变形，见图1，该模型有一个主干，在主干的一侧分布一定数量的分支；各分支内为空腔，相互连通形成一个气室，并预留一个管道与外界连通。

日本东芝公司(toshiba)开发研制了三自由度气动人工肌肉fma(flexiblemicroactuator)，(见参考文献2：suzumorik,iikuras,tanakah.flexiblemicroactuatorforminiaturerobots[a].proceedingsofieeeinternationalconferenceonmicroelectromechanicalsystems[c].nara,ieeepress,1991:204–209.)，其主要由天然橡胶管构成，胶管内分步3个气室，调整3个气室的气压可以形成不同方向上的弯曲。尽管fma可以做到毫米级产品，但是细小结构中分布气室，并嵌入尼龙纤维，使得加工工艺异常复杂、技术难度高，成本昂贵。

美国专利us5568957中，公开了一种模仿人手形状的多指灵巧手构件，其五个手指的内芯由封闭管道连通，外围包裹着另一个气室。通过调整两个气室的气压，完成抓取和释放动作。但该专利没有提及构件的加工工艺。

美国专利us9464642b2中，采用两种柔性材料拼合成具有特定气室的构件，提供了丰富的实际应用展示，同时该技术采用了3d打印技术制造型壳，然后在型壳中固化硅胶等柔性材料。但是该专利将多指灵巧手的构件分拆成型，增加了工艺的复杂性；且物件需在型壳中固化成型，不能一次成型复杂模型，使得结构设计受限。

气动驱动式多指灵巧手物件内部有一个或几个封闭空间，通过连通不同气压条件，物件出现对应的形变状态。软弹性材料用作加工气动驱动式多指灵巧手物件的优点突出，一方面气室可以充分形变，实现机器人多指灵巧手的抓取或释放动作，另一方面柔软弹性质感极大的方面抓取脆、嫩或有生命体的对象。

3d打印技术可以快速、直接精准的将三维设计转化为实物模型，方便了机器人手的设计工作，特别适合智能机器人的开发工作。材料挤出式3d打印、容器式光聚合3d打印、粉末床融合3d打印都可以加工软弹性材料，材料挤出式的优点是打印物件力学强度高，使用方便，可以同时使用两种材料。图2展示的是双喷嘴材料挤出式3d打印设备，软弹性材料和硬质材料一体成型，既满足弹性形变，又在特定区域提供强度，为气动驱动式多指灵巧手的设计方案提供更多选择空间。

常见的材料挤出式3d打印机可以使用的打印线材硬度不小于邵氏硬度50d的软弹性线材。通过配方调整和设备改进，可打印邵氏硬度在40d左右的线材。软弹性材料通过双螺杆和单螺杆设备加工，获得线径均一的软弹性线材。多指灵巧手物件可以根据实际需求选用不同硬度的线材产品。三维设计软件用于设计多指灵巧手物件，选取合适硬度的软弹性线材和3d打印机，调整摆放方式、支撑结构、填充度和打印速度等打印参数，获得打印质量尚佳的物件。

然而，由于材料挤出式3d打印机是通过将线材熔融，并从喷嘴挤出，然后一层层地堆积熔融物料，最终形成物件。在成型过程中，熔融物料在部分区域冷却较快，或堆积不均匀，造成相关区域粘合不充分，出现大量孔隙。尽管绝大多数孔隙不被看到，但是物件的气密性差，难以形成足够的内外压差。所以3d打印物件能否用做气动驱动式多指灵巧手物件，打印物件的气密性是问题的关键。

技术实现要素：

本发明针对背景技术中存在的3d打印物件气密性差的技术问题而提供一种基于3d打印的气动驱动方式的机器人多指灵巧手的快速制造工艺。本发明提供的制造工艺可以为3d打印物件气密性差的技术问题提供良好的解决方案。

本发明制造工艺的技术原理在于：采用材料挤出式3d打印技术，利用两个挤出头分别提供软弹性材料和硬质材料，最终制成有气室的构件；随后通过表面处理工艺，提高气室的密封性能，让其可以承受一定的气压，使得构件能够在压缩空气驱动下完成收缩或舒张等动作。

本发明提供了一种基于3d打印技术的气动驱动机器人多指灵巧手制造工艺，其包含但不限于以下步骤：(1)采用3d打印技术得到气动驱动式机器人多指灵巧手物件；(2)对所述3d打印物件进行液体表面处理，所述3d打印物件能溶解或部分溶解于液体中，所述液体能和水互溶。

优选地，本发明所述液体选自水、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正戊醇、苯甲醇、丁醇、四氢呋喃、丙酮、丁酮、甲乙酮、环已酮、二氯甲烷、氯仿、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺中一种或多种。

更优选地，本发明所述液体表面处理采用的液体包含有二甲基乙酰胺，且二甲基乙酰胺的质量分数大于等于50％。

在本发明一个较佳实施例中，本发明所述液体表面处理所采用的液体，按质量分数计，由如下组分及含量组成：二甲基乙酰胺50％-85％、乙酸乙酯10％-40％、丁酮5％-20％。

在本发明一个较佳实施例中，本发明使用的液体表面处理方法选择液体涂抹、液体雾化、液体浸泡、溶液涂覆中的一种。

在本发明一个较佳实施例中，步骤(1)中所述3d打印技术选自材料挤出式3d打印、容器式光聚合3d打印、粉末床融合3d打印中的一种，优选材料挤出式3d打印。步骤(1)中所述3d打印物件，其构成材料包括软弹性体材料和硬质材料，所述的软弹性材料选自苯乙烯类热塑性弹性体、聚氨酯类热塑性弹性体、聚烯烃类热塑性弹性体、聚酰胺类热塑性弹性体、聚酯类热塑性弹性体中的一种或多种；优选苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(sbs)、苯乙烯-异戊二烯-乙烯嵌段共聚物(sis)、苯乙烯-(氢化)丁二烯嵌段共聚物(sebs)、热塑性硫化橡胶(tpv)、热塑性聚氨酯弹性体(tpu)、热塑性聚酯弹性体(tpee)、聚酰胺类热塑性弹性体(tpae)中的一种或多种；更优选热塑性聚氨酯弹性体(tpu)；所述的硬质材料包括以下一种或多种硬质材料：聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物abs、聚碳酸酯、聚酰胺、聚己内酯、聚苯乙烯、碳纤维、玻纤、硝酸纤维素；优选聚乳酸、聚碳酸酯、聚酰胺、聚己内酯中的一种或多种。

在本发明一个较佳实施例中，使用液体浸泡的表面处理方法，液体浸泡时间小于等于1分钟。

在本发明一个较佳实施例中，还包括步骤(3)：将经过液体表面处理的物件进行通风干燥处理，通风处理的环境温度20-40℃之间，通风处理的时间在1-4小时之间。

在本发明一个较佳实施例中，还包括步骤(4)：对干燥后的物件继续进行水处理，使用的水处理是热水煮、冷水冲洗、冷水浸泡中的一种或多种；优选使用的水处理是冷水浸泡，冷水浸泡的时间在1-5小时之间。

在本发明一个较佳实施例中，还包括步骤(5)：对水处理后的物件进行干燥处理，干燥温度在40-60℃之间，干燥时间在3-10小时之间。

本发明的有益效果是：

1)本发明通过溶剂(液体)将打印物件表面溶解，在表面生成一层密实的保护层，可以有效提高物件气密性，去除了3d打印件的孔隙，提高了3d打印物件气密性，使得3d打印技术可以用于制造气动驱动式机器人多指灵巧手，方便了机器人手的设计工作，可以制造单方向、多方向或复合型复杂机械人多指灵巧手，特别适合于智能柔性机器人开发工作。

2)本发明的多种灵巧手构件中软弹性材料和硬质材料的使用量和结构不受限制，采用3d打印一体化成型，简化了多指灵巧手的制造工艺。

3)本发明在液体中增加劣溶剂，控制劣溶剂的比例，降低液体溶解物件的速度，使液体浸泡过程更可控，避免物件在液体浸泡过程中被过分溶解，导致物件的变形；同时可增加高挥发性的劣溶剂含量，有助于提高液体浸泡处理后的挥发速度，便于后期去除溶剂。

附图说明

图1为多指灵巧手物件在正负气压条件下的形变示意图，1a是多指灵巧手物件的横切面；1b是在连通负压情况下物件发生的形变图；1c是在连通正压情况下物件发生的形变图；1d是多指灵巧手物件的模型设计切面图，9a为分支，9b为主干。

图2是多指灵巧手物件在3d打印设备中成型示意图，2和3分别是软弹性材料和硬质材料制成的3d打印线材，10是可以两种线材一次成型的材料挤出式3d打印机，10a和10b分别是两个挤出喷嘴对应两种打印线材，11是3d打印成型的多指灵巧手物件。

图3是多指灵巧手物件管道支架示意图，由一个中心出口分出四个分出口。

图4是多指灵巧手物件在不同气压下的状态，4a为正常气压下，4b为连通负压状态，4c为连通正压状态。

图5是硬质材料在多指灵巧手物件中不同分布示意图，12a是软弹性材料，12b是硬质材料；5a图中硬质材料分布在分支中，5b图中硬质材料分布在主干中。

图6是双侧型多指灵巧手物件截面示意图，双侧型物件在主干两侧对称分布一定数量的分支，形成两个对称气室。

图7是三侧型多指灵巧手物件空间结构图，物件主干在三个方向伸出分支，形成三个气室，并分别有管道与外界连通，通过施加不同气压，多指灵巧手可以做出3个方向的形变。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于3d打印技术的气动驱动机器人多指灵巧手制造工艺，其包含但不限于以下步骤：(1)采用3d打印技术得到气动驱动式机器人多指灵巧手物件；(2)对所述3d打印物件进行液体表面处理，所述3d打印物件能溶解或部分溶解于液体中，所述液体能和水互溶。

本发明通过溶剂(液体)将打印物件表面溶解，在表面生成一层密实的保护层，可以有效提高物件气密性。液体涂抹指使用工具将液体涂抹在物件表面，形成浓溶液层，优点是液体施加程度可控，缺点是部分区域难以均匀涂抹。液体雾化指用雾化器将液体雾化成微滴，微滴粘附在物件表面，优点是施加方向相对均匀，缺点是速度较慢，部分区域难以形成浓溶液均匀层。液体浸泡指将物件浸没在液体中，优点是施加区域均匀，速度快，缺点是易造成表面侵蚀。溶液涂覆指将物件原料配置成浓溶液，用工具将浓溶液涂覆在物件表面，优点是密封层厚，缺点是涂抹困难，易粘连。

本发明优选液体浸泡的方法进行物件表面处理。液体的施加量及施加方式很重要，少量液体难以形成整体的保护膜，过多的液体会侵蚀表面，造成物件变形、破损、粘连等缺陷。虽然液体浸泡容易造成物件表面侵蚀，但发明人通过大量实验发现：可在液体中增加劣溶剂，控制劣溶剂的比例，可降低液体溶解物件的速度，使液体浸泡过程更可控，避免物件在液体浸泡过程中被过分溶解，导致物件的变形；同时可增加高挥发性的劣溶剂含量，有助于提高液体浸泡处理后的挥发速度，便于后期去除溶剂。

本发明液体表面处理所采用的液体优选为如下一种或多种：水、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正戊醇、苯甲醇、丁醇、四氢呋喃、丙酮、丁酮、甲乙酮、环已酮、二氯甲烷、氯仿、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺。优选液体为丁酮、乙酸乙酯、二甲基乙酰胺或包含其中一种或多种。这些液体溶剂可以和水互溶，所以水可以有效去除物件中的液体残留，可采用的手段有冷水冲洗、冷水浸泡或者热水煮等。而且经过液体浸泡处理的物件，需要通风干燥一段时间才可以开始水处理过程。因为物件表面刚经过液体浸泡，表面有一层浓溶液。如果过早接触液体水，水会快速萃取浓溶液中的溶剂，造成表面层的高分子不规则沉降，形成鼓包分层等不可逆缺陷。其中，通风处理的环境温度20-40℃之间，通风处理的时间在1-4小时之间；使用的水处理是热水煮、冷水冲洗、冷水浸泡中的一种或多种；优选使用的水处理是冷水浸泡，冷水浸泡的时间在1-5小时之间。最后，将经过水处理的物件放在烘箱中干燥除水，干燥温度在40-60℃之间，干燥时间在3-10小时之间，避免过高的温度，防止物件变形和收缩。

本发明选择polymakerpolyflex^tm线材，polymakerpolyflex^tm是一款硬度55d的热塑性聚氨酯(tpu)线材，适用于大多数桌面式3d打印机。选取图1d的多指灵巧手模型，使用图2的3d打印技术，优化打印参数，获取表面质量尚可的tpu物件。

良溶剂可以将tpu物件表面快速溶为一体。tpu材料的良溶剂有二甲基乙酰胺和二甲基甲酰胺等，tpu材料的劣溶剂有丙酮、丁酮、乙酸乙酯和四氢呋喃等。对获取的3d打印tpu物件进行液体表面处理，优选地，该液体表面处理所采用的液体为丁酮、乙酸乙酯、二甲基乙酰胺或包含其中一种或多种。更优选地，由于二甲基乙酰胺的毒性较低，因此选作二甲基乙酰胺为处理tpu物件的主要溶剂，即液体表面处理优先采用包含有二甲基乙酰胺的液体，且优选二甲基乙酰胺的质量分数大于等于50％。实验发现：当二甲基乙酰胺的质量分数低于约50％时，由于良溶剂含量偏小导致溶解速度极慢，肉眼无法正常观察到tpu物件的表面变化。尽管无限增加时间能有所发现，但这存在明显的时间浪费，同时长时间浸泡劣溶剂会使物件内部的薄壁结构发生不可逆变化，溶胀的薄壁无法在后续除溶剂过程中恢复原状，彻底破坏了多指灵巧手物件的功能性。

二甲基乙酰胺的沸点为166℃，室温条件下基本不挥发，而乙酸乙酯和丁酮的挥发速率快，有利于在液体浸泡处理后，物件表面部分溶剂快速挥发并促进成膜。因此为了有效降低tpu物件表面的溶解速率，便于更好地掌握tpu物件的表面处理程度，去除tpu物件的孔隙，提高tpu物件气密性，优选质量百分含量为50％-85％的二甲基乙酰胺并添加10％-30％的乙酸乙酯和5％-20％的丁酮配置混合溶剂液体，从而防止出现破坏气密性的溶洞、管道薄壁间的粘连和变形、物件表面的鼓包等缺陷。

实施例1

按质量分数计，选择二甲基乙酰胺85％、乙酸乙酯10％和丁酮5％配置成混合溶剂液体，对tpu物件进行表面液体浸泡处理，浸泡时间1分钟。tpu物件表面变化情况：溶解较快，表面可以成膜，去除溶剂过程较为缓慢。

实施例2

按质量分数计，选择二甲基乙酰胺70％、乙酸乙酯20％和丁酮10％配置成混合溶剂液体，对tpu物件进行表面液体浸泡处理，浸泡时间55s。tpu物件表面变化情况：表面变化速度适中，操控方便，成膜速度快，气密性优良。

实施例3

按质量分数计，选择二甲基乙酰胺60％、乙酸乙酯30％和丁酮10％配置成混合溶剂液体，对tpu物件进行表面液体浸泡处理，浸泡时间55s。tpu物件表面变化情况：表面处理速度较慢，物件气密性良好。

实施例4

按质量分数计，选择二甲基乙酰胺50％、乙酸乙酯30％和丁酮20％配置成混合溶剂液体，对tpu物件进行表面液体浸泡处理，浸泡时间55s。tpu物件表面变化情况：表面处理速度缓慢，部分表面会不平整，物件气密性尚可。

实施例5

按质量分数计，选择二甲基乙酰胺40％、乙酸乙酯30％和丁酮30％配置成混合溶剂液体，对tpu物件进行表面液体浸泡处理。tpu物件表面变化情况：短时处理，无法完全封闭孔隙，物件气密性变差；长时处理，物件有变形。

配比合适的混合液体必不可少，同时液体浸泡时间也很关键，短时处理和长时对tpu物件表面变化影响较大，处理时间优选不超过1分钟。当物件长时间浸泡在混合液体中时，首先受到影响的是物件内部构成封闭管路的薄壁件，混合液体的溶解和溶胀都会使薄壁件发生不可逆破坏；其次，良溶剂会扩散渗透至物件内部5mm深处，在后续表面成膜的情况下，残留在物件深处的溶剂难以通过水浸泡和水萃取的过程中去除，最终使得物件污染。

实施例6

polymakerpolyflex^tm材料成膜性能出色，具有一定的力学性能。经过混合溶剂液体浸泡处理的物件，室温环境下放置在通风区域1-4小时，使得物件表面的浓溶液充分成膜，可适当提高温度用来加速溶剂挥发，抑制缺陷产生，提高处理效率。该材料耐水和耐热性能出色，可以经受长时间的冷水或热水处理，充分去除物件表面的溶剂。随后在40-60℃的烘箱中干燥3-10小时。

用polymakerpolyflex^tm材料打印图3结构，下端四个分出口分别连接四个多指灵巧手物件，中心出口连通负压或正压。如图4所示，4a为多指灵巧手连通大气压状态，4b为多指灵巧手连通负压状态，4c为多指灵巧手连通正压状态；可以看出多指灵巧手物件在正负压情况下做出伸展和抓取动作。本发明通过实施例2的溶剂将打印物件表面溶解，在物件表面生成一层密实的保护层，可以有效提高物件气密性，去除3d打印物件的孔隙，提高了3d打印物件气密性。

施加材料由polymakerpolyflex^tm材料打印，为软弹性材料，避免对抓取对象产生划痕或施力过大造成破损。通过控制气压大小，决定多指灵巧手的抓取程度，可以对脆、嫩和有生命体的对象施加，极大的扩大了机器人多指灵巧手的应用领域。本发明的多种灵巧手构件中软弹性材料和硬质材料的使用量和结构不受限制，采用3d打印一体化成型，简化了多指灵巧手的制造工艺。

实施例7

使用polymakerpolyflex^tm做软弹性材料，通常软弹性材料的硬度越小，其溶剂(液体)溶解速率就越快。polymakerpolymax^tm做硬质材料，类比图5的方式，在多指灵巧手物件中添加硬质材料。polymakerpolyflex^tm是tpu材质，而polymakerpolymax^tm是聚乳酸(pla)材料，两者的粘结性能出色，可以使用双喷嘴3d打印设备一体成型。其中polymakerpolyflex^tm主要分布在外侧，包裹硬质polymakerpolymax^tm材料，确保物件表面可以经液体浸泡达到密封效果，对物件的液体表面处理类比实施例6。

polymakerpolymax^tm材料在多指灵巧手物件内部主要起两个作用：1)提高部分节点的力学强度，2)规范多指灵巧手物件的膨胀和收缩方向。如图5a，在多指灵巧手物件的分支上添加硬质材料，提高多指灵巧手的分支的力学强度，增大抓取对象的力度。或如图5b，在物件的主干上纵向添加不同长度和宽度的polymax结构，可以达到类似手指指节的作用，从而优化多指灵巧手的变形节点和角度。

实施例8

如图6和图7所示，多指灵巧手物件结构可以设计为两侧型和三侧型。相比于单侧型物件，多个气室有两点突出优势，一、提供多个方向的变形，扩展应用范围；二、施加相反气压，可以增大形变的强度，提高抓取释放动作的效率。3d打印的突出优势在于复杂结构的打印难度和打印简单结构基本一致，所以极大的方便于制造各种结构类型的多指灵巧手物件。

使用polyflex打印多指灵巧手物件的主题部分，采用本发明申请人先前开发的pva水溶性支撑材料帮助3d打印成型；然后，放入超声振荡的水溶液中，3小时左右，pva支撑材料溶出；后续对物件的处理类比实施例6，不做赘述。

多个气室分别连通不同气压条件，物件产生对应变形。类比图3的管道支架模型，设计双管道或三管道的支架，将多个物件组合，形成多自由度的多指灵巧手物件。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。