【摘 要】
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软体机器人因其独特的驱动方式、柔性的功能结构、高度的灵活性等特点,在辅助医疗、环境勘探、物品抓持等方面具有广阔的使用前景。但是随着软体机器人的设计日趋复杂化、功能日趋多样化,原有的制造方案已经不能满足新型的具有复杂功能结构的软体机器人的制造。3D打印作为一种新型的制造工艺,由于其层层叠加的独特制造工艺,近年来在软体机器人的制造领域发展迅速,逐渐成为未来软体机器人制造领域的重要方向。但是传统的3D打
【基金项目】
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《面向软体机器人的多材料混合3D打印基础研究》（国家自然科学基金面上项目——编号61773274）；
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软体机器人因其独特的驱动方式、柔性的功能结构、高度的灵活性等特点,在辅助医疗、环境勘探、物品抓持等方面具有广阔的使用前景。但是随着软体机器人的设计日趋复杂化、功能日趋多样化,原有的制造方案已经不能满足新型的具有复杂功能结构的软体机器人的制造。3D打印作为一种新型的制造工艺,由于其层层叠加的独特制造工艺,近年来在软体机器人的制造领域发展迅速,逐渐成为未来软体机器人制造领域的重要方向。但是传统的3D打印制造软体机器人只能打印结构简单的单一材料软体机器人,很难实现复合材料功能性软体机器人一体化打印。为解决目前所存在的问题,实现由多种功能性的部件,传感元件、控制元件以及执行元件等组成的新型软体机器人系统的制造,本课题提出一种基于多材料3D打印的软体机器人制造方法,从搭建3D打印平台、打印墨水性能分析以及建模仿真、工艺参数优化实验等方面详细论述了软体机器人复合材料3D打印的可行性,并最终打印成功了基于复合材料的软体机器人及柔性功能器件。本课题的主要工作内容如下:（1）搭建了两款适用于不同性能软材料的多喷头软材料3D打印工作平台,实现了硅胶类软体材料以及液态金属类功能性材料的3D打印制造。根据工艺需求设计并改装了软材料挤出模块、三轴运动模块、软硬件控制模块等,并对开源固件进行修改以适应软体多材料3D打印需求。（2）对Ecoflex-0030、PDMS硅胶类软材料以及功能性液态金属进行分析测试,通过添加改性剂调控其流变性质,得到了最适合软材料打印的墨水制备方案与材料详细配比;其次针对软材料墨水挤出的过程,使用Comsol的流体仿真模块对直管型喷嘴以及锥形喷嘴的墨水流动情况进行了仿真分析,得到不同针头类型、喷嘴直径以及挤出参数与软体材料最终流速的关系。（3）对多材料3D打印过程中涉及到的软材料以及功能性软材料进行了工艺参数优化实验,得到相应软材料的最优工艺参数组合,从而保证软材料3D打印高质量固化成型。工艺参数优化实验探究了软材料3D打印过程中挤出气压、喷头移动速度、层高等工艺参数对主体软材料Ecoflex-0030硅胶成型质量的影响;针对功能性材料,分别研究了包括打印相对高度,固化温度以及喷口流速等工艺参数对PDMS基底厚度、平整度以及液态金属成型质量的影响。（4）利用多材料3D打印技术,制造了若干款基于复合材料的软体机器人,包括应变栅结构的液态金属基柔性应变传感器、基于压力控制的复合材料气压控制阀以及基于Yeoh模型的多气囊式软体抓手。详细介绍了每个软体机器人的设计原理以及其3D打印制造方法,进行了功能性验证实验,并得到其详细的性能曲线。最后将上述柔性功能器件集成为一套集传感、控制以及执行的人机交互三指软体手系统,该系统能在手势控制的基础上实现对不同大小以及质量物体的柔性抓取。证明了文中提到的多材料3D打印机平台系统,可以达到高效、精确、一体化的打印复合材料以及软体机器人的能力。□本课题提出一种基于多材料3D打印的软体机器人制造方法,从搭建3D打印平台、打印墨水性能分析以及建模仿真、工艺参数优化实验等方面详细论述了软体机器人复合材料3D打印的可行性,并最终打印成功了基于复合材料的软体机器人及柔性功能器件。
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