基于混合3D打印的智能软体机器人的研究

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机器人作为工业信息化社会重要一环正在受到越来越多的关注。其中,软体机器人因为其特有的优势而发展迅速。现有的软体机器人大多只具有特定的简单结构,而感知与交互能力依然匮乏。因此,如何开发出具有感知与交互能力的智能软体机器人是学术界一直在探索的问题。具有功能性电子皮肤和软执行器的软体机器人能够以自适应、智能和高可靠性的方式与人类和非结构化动态环境进行安全交互。然而,尽管机器人本体很柔软,但是现有的大多数软体机器人的驱动或传感部件都具有固有的硬度,比如压强调节部件和刚性电路板。这种不同结构间存在着模量不匹配的情况经常会干扰机器人的正常运动,从而导致其性能的缺失。本文针对智能软体机器人制造过程中出现的问题,基于传统的直写式3D打印平台设计搭建了适用于多种功能材料打印的3D打印平台,该打印平台能够实现混合3D打印。而针对当下软体机器人结构单一、功能简单的问题,基于该打印平台设计制造了一种具有功能性电子皮肤的软体机器人。其具有可编程的变形能力,能够在外界磁场的作用下实现可控运动。打印在其表面的功能性电子皮肤使它具备了与外部环境感知与交互的能力。本文章的具体研究内容分为以下几个部分:(1)为了解决智能软体机器人一体化制造问题,设计搭建了一套最小打印精度能够达到100μm的混合3D打印平台,该混合3D打印平台能够对多种材料进行打印。包括:1)作为软体机器人基底的磁弹性墨水;2)打印软体机器人功能性电子皮肤使用到的柔性导电互连线材料;3)具有磁热响应功能的复合弹性墨水和具有热响应功能的水凝胶材料,并且该设备能够根据编程实现电子元器件的精准摆放与定位。(2)探究了用于智能软体机器人打印的功能性材料的特性,以及打印过程中不同参数对打印效果的影响。最终确定了打印智能软体机器人各组件所需要的特定参数,如打印速度,挤出压强等。(3)采用混合3D打印的方式设计制造了一种能够在磁场控制下完成爬行运动的智能软体机器人。并对软体机器人的运动模式以及功能进行了分析与验证。这种软体机器人的组件包括:1)可编程磁畴方向的磁控软体驱动器;2)具有特定功能的柔性电子皮肤,它能够实时感知外界环境的温度变化,温度感知误差小于0.2℃;3)具有热响应功能的水凝胶,通过感应加热,当温度到达34℃时能够发生收缩释放出其中包裹的功能性成分,如药物等。得益于各功能层之间合理的结构设计,采用混合3D打印技术制造的小型智能软体机器人能够实现磁场下的可控运动以及与外部环境的感知与交互能力。采用混合3D打印的方式制造的智能软体机器人实现了软体机器人驱动单元和功能性电子皮肤的有机整合,在不损失软体机器人顺应性的前提下拓展了其应用边界。
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