关键词：硅橡胶;;柔性机械臂;;气动性能
摘 要：机器人技术在近几十年快速发展,已经应用于生产生活中,而机械臂作为机器人重要的执行末端,可执行抓捕,举重,装配等任务。目前广泛应用于工业生产的多为传统的刚性机械臂,由合金结构的多个运动副构成,主要通过控制运动副控制其运动。但当运动复杂是会使刚性结构复杂化,质量、体积均增大,灵活性较差。模仿软体动物的柔性机械臂,体积质量较小,结构、驱动简单,运动灵活,可在狭小环境下进行操作,弥补了刚性机械臂在空间有限、操作精密、易碎物品上的不足。本文从材料角度考虑,利用了硅橡胶材料的超弹性,不同硅橡胶材料间在弹性模量、断裂延伸率上的差异设计柔性机械臂的复合结构,中心采用强度较高的PDMS硅橡胶支撑整个机械臂,外层选取弹性较好的Ecoflex系列硅橡胶在较低的气压下实现弯曲抓捕。并使用ABAQUS有限元模拟的方法对充气通道的形状进行了设计优化,对弧形气道、圆形气道及变截面弧形气道充气后的弯曲行为进行了有限元模拟,并计算了每种结构的气压-曲率曲线,模拟结果表明弧形气道能在较小气压下达到更大的曲率。对柔性机械臂用的两种硅橡胶的固化工艺进行研究,研究固化时间、固化温度、AB两组分比例对硅橡胶结构和性能的影响。研究了固化温度40℃-120℃、固化时间0.5-24h、A、B组分比例0.8-1.2对Ecoflex系列硅橡胶、PDMS硅橡胶力学性能的影响,通过DMA、红外、XPS研究了玻璃化转变温度、化学基团和表面元素的变化,揭示了固化工艺对力学性能和内部结构的影响。得出Ecoflex 00-30最优固化工艺为60℃,4h,Ecoflex 00-50最优固化工艺为60℃,3h,PDMS最优固化工艺为60℃,20h。此外为了确保柔性机械臂在工作过程中的稳定性,对两类硅橡胶老化后的力学性能进行测量、并通过DMA、红外光谱、XPS分析老化前后玻璃化转变温度、化学基团、表面成分的变化,分析老化机理,得出老化后主Ecoflex系列硅橡胶要是主链Si-O-Si键的断裂,PDMS硅橡胶主要是支链的断裂。柔性机械臂为两种材料的复合结构,研究了两种材料在全固化、半固化工艺下的结合情况,得出Ecoflex 00-30-PDMS-Ecoflex 00-30复合结构在60℃下全固化工艺性能力学较好。在此研究基础上,选取全固化工艺采用模具浇注的方式进行了柔性机械臂的制备。将制备好的柔性机械臂在气动平台上进行了气动实验,研究了快速、慢速充气方式、不同外层材料对柔性机械臂运动行为及循环性能的影响,对其弯曲抓捕行为进行综合评估。得出Ecoflex00-50所需气压较Ecoflex00-30大,慢速充气下的循环性能优于快速充气。
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