[发明专利]一种磁致变刚度软体机器人驱动模块及其制造方法

权利要求书

1.一种磁致变刚度软体机器人驱动模块，其特征在于，包括磁致变刚度层(1)、二自由度气动驱动器(2)、磁芯(3)、密封固定装置(4)；磁致变刚度层(1)、二自由度气动驱动器(2)为驱动模块的主体，一体化成型后将磁芯(3)封装在其中心，最后与密封固定装置(4)连接，装配成磁致变刚度软体机器人驱动模块；

所述的磁致变刚度层(1)是由可磁化颗粒和硅橡胶基体组成的磁控智能弹性体，磁控智能弹性体的中间部分为弧形结构、上下两端为扇形结构，其中，下方扇形结构中部设有弧形开口，用于通过二自由度气动驱动器(2)的连接部分(204)；

所述的二自由度气动驱动器(2)主体外形为圆柱体，包括气腔道(201)、磁致变刚度层腔道(202)、磁芯腔道(203)、连接部分(204)四部分；所述圆柱体中心沿轴向设有圆柱形腔道，圆柱形腔道上端面开口、下端面封闭，作为磁芯腔道(203)，用于容纳磁芯(3)；所述圆柱体的上、下表面沿圆柱形腔道周向等间隔设有三个扇形凹槽，扇形凹槽与磁致变刚度层(1)上下两端的扇形结构配合；所述圆柱体内部沿纵向等间隔设有三个贯穿的弧形腔道；所述连接部分(204)包括三组，设于三个弧形腔道内，每组均包括两个具有弧度的板状结构，一个板状结构与弧形腔道外侧面之间的区域为磁致变刚度层腔道(202)，用于放置磁致变刚度层(1)，另一个板状结构与圆柱体内部弧形腔道的内侧面接触，两个板状结构之间的区域为气腔道(201)，用于容纳驱动气体，且气腔道(201)顶部封闭、底部贯穿；所述连接部分(204)长度大于二自由度气动驱动器(2)长度，连接部分(204)上端与二自由度气动驱动器(2)上端面扇形凹槽下表面接触，下端凸出部分插入密封固定装置(4)的弧形凹槽内；

所述的磁芯(3)作为磁场发生装置，由硅钢片(301)通过和硅胶层(302)粘结层叠制成，且外侧面缠有铜导电线圈(303)，封装在磁芯腔道(203)中与二自由度气动驱动器(2)一体化；通过调节铜导电线圈(303)匝数和电流大小，可以调节驱动模块的刚度；

所述的密封固定装置(4)包括外法兰盘(401)、中间密封夹板(402)、内法兰盘(403)；所述外法兰盘(401)为中空的梯形圆台结构，中空处放置中间密封夹板(402)、内法兰盘(403)；所述的外法兰盘(401)凸起结构上设有连接孔，中间密封夹板(402)、内法兰盘(403)的相对应位置设有连接孔，螺栓沿水平方向依次穿过上述连接孔与连接部分(204)进行配合连接，并起到密封作用；所述的外法兰盘(401)外环上设有安装孔，用于将磁致变刚度软体机器人驱动模块的端部固定；所述的中间密封夹板(402)为圆环结构，其圆周的两侧面上均等间隔设有三个弧形凹槽结构，用于插入连接部分(204)的弧形板状结构；圆环结构上还设有与气腔道(201)相通的通气孔(402-2)，用于与SP-20快插接头连接。

2.根据权利要求1所述的一种磁致变刚度软体机器人驱动模块，其特征在于，所述的可磁化颗粒为亚微米级的羟基铁粉，橡胶基体为PDMS。

3.根据权利要求1或2所述的一种磁致变刚度软体机器人驱动模块的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：制备磁致变刚度层(1)的打印原料

所述的磁致变刚度层(1)的打印原料包括硅橡胶、气相二氧化硅、高纯羟基铁粉，其中硅橡胶包括基本组分、固化剂；将基本组分A、固化剂B、高纯羟基铁粉、气相二氧化硅按照10:1:6:1.25的质量比混合后，放入真空箱中进行去气泡处理，得到磁致变刚度层(1)的打印原料；

第二步：制备二自由度气动驱动器(2)的打印原料

所述的二自由度气动驱动器(2)的打印原料包括硅橡胶、气相二氧化硅，其中硅橡胶包括基本组分、固化剂；将基本组分A、固化剂B、气相二氧化硅按照10:1:1.25的质量比混合后，放入真空箱中进行去气泡处理，得到二自由度气动驱动器(2)的打印原料；

第三步：磁致变刚度层(1)和二自由度气动驱动器(2)的3D打印成型

首先，将磁致变刚度层(1)和二自由度气动驱动器(2)的打印原料装到两个低温打印头中；其次，将两个模型切片组合，赋予两个打印头磁致变刚度层(1)、二自由度气动驱动器(2)的打印原料属性；所述气腔道(201)打印时正常留出空间，与磁致变刚度层腔道(202)位置对应的磁致变刚度层(1)直接跟随二自由度气动驱动器(2)进行逐层打印，打印完成后二者结合为一体；

第四步：对磁芯(3)进行制作和封装

首先，采用二自由度气动驱动器(2)的打印原料打印5个硅胶层(302)；待硅胶层(302)固化后与5个硅钢片(301)交替粘结制作成磁芯(3)；然后，在磁芯(3)周围缠绕铜导电线圈(303)；最后，待第三步打印成型的磁致变刚度层(1)、二自由度气动驱动器(2)固化完成后，向磁芯腔道(203)内放入缠有铜导电线圈(303)的磁芯(3)，再向磁芯腔道(203)的剩余空间注入液态隔热硅胶，等待其完全固化后完成封装；

第五步：装配密封固定装置(4)

首先，将内法兰盘(403)对准连接部分(204)的内圈中心，进行胶合固定；其次，将中间密封夹板(402)套在连接部分(204)和内法兰盘(403)中间，并对准中间密封夹板连接孔和内法兰盘连接孔；再次，将外法兰盘(401)套在中间密封夹板(402)和连接部分(204)外圈，旋转至外法兰盘连接孔、中间密封夹板连接孔对齐；最后，通过螺栓将外法兰盘(401)、中间密封夹板(402)、内法兰盘(403)与连接部分(204)连接固定；在二自由度气动驱动器(2)和密封固定装置(4)的侧面连接缝隙通过玻璃胶密封；

第六步：对磁致变刚度软体机器人驱动模块进行气动控制和磁致刚度调节

将三个SP-20快插接头通过螺纹连接至通气孔(402-2)，每个SP-20快插接头单独外接气管，外部连接比例阀和气泵，从而实现三通道高压气体气动驱动模块化。