33、软材料3D打印与可变刚度软执行器的研究进展

软材料3D打印与可变刚度软执行器的研究进展

可变刚度软执行器的设计与实验

可变刚度软执行器在机器人领域具有重要的应用价值。其中心骨架采用热塑性聚氨酯（TPU）通过3D打印制成，由于TPU模量低，骨架具有良好的柔韧性，最大弯曲角度可达270°。在骨架两侧粘贴了两对针 - 插座层，这些层由0.2毫米厚的Dura - Lar薄膜切割成特定形状。针 - 插座层的头部与骨架分离，避免了传统层中出现的意外随机移动。

执行器被0.5毫米厚的乳胶膜包裹，膜的开口侧与固定装置紧密连接，固定装置采用100%填充密度的树脂以确保气密性，并将电机固定在内部。通过在固定装置底部粘贴空气管来提供真空。

为了评估执行器的可变刚度和柔顺性，进行了一系列实验。搭建了一个平台来驱动执行器并测量其变形，该平台包括视觉测量系统（Motive相机）和固定执行器的支架。Motive相机检测预先粘贴在执行器上的标记位置，并在执行器尖端施加逐渐增加的重量。

执行器内的气压通过阀门的开启时间控制，并结合压力传感器的反馈。空气由气泵抽出，压力由薄膜压力传感器同步测量，当压力达到目标值时，阀门关闭。

还进行了灵巧抓取实验，将不同形状和刚度的日常物品传递给由该执行器组成的三指抓手。实验重复三次，抓取时间超过3秒，以验证抓手的灵巧性。

实验结果表明，在不同真空压力下，执行器的力 - 位移曲线在低力时近似线性，随着力的增加变为非线性。在20 kPa真空压力下，执行器表现出最大的线性区域，能够承受更大的力。由可变刚度执行器组成的三指抓手成功抓取了不同形状和刚度的物体，展示了其良好的柔顺性。

以下是执行器实验的流程：
1. 搭建实验平台，包括视觉测量系统