一种铝合金机械手爪及其加工方法
技术领域
本发明涉及机械手技术领域，尤其涉及一种铝合金机械手爪及其加工方法。
背景技术
时代在进步，科技在发展。如今，人们已经不满足于以前的温饱生活，现在都追求养生之道，按摩就是养生之中最为重要的一种，所以电动按摩椅已经广泛的应用于火车站、高铁站、商场、电影厅等地方。但是自动按摩椅不能根据需要进行调整，比如按摩时它只能机械地调整到一定程度，对于某些患病人群来说不能随意按摩，因为容易加重病情。并且自动按摩椅有着体积大、质量大等缺点并不能适合家用。按摩的手法又分为：按法、摩法、推法、拿法、揉法、捏法、打法等诸多手法，这些按摩的手法很难在一个按摩椅上实施。因此，一些拟人化的按摩机械手得到了大力的发展。
按摩机械手要最大程度的实现拟人化，其材料的选用就要满足一定的刚度和强度，同时也要减轻重量。铝合金密度低，强度高，加工性良好密且工艺成熟，非常适合作为按摩机械手的主体材料。然而，按摩机械手在工作过程中，其机械爪需要与人体直接接触，长期使用其表面的磨损严重，此外人体的汗液对铝合金具有严重的腐蚀性，长久使用下会导致机械爪的过早损坏。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种铝合金机械手爪及其加工方法，以在铝合金机械手爪表面形成一层表面完整、致密，均匀的杂化膜，提高机械手爪的硬度、耐冲击性、耐腐蚀性和表面光滑度，降低汗液对铝合金机械手爪的腐蚀和磨损，延长其使用寿命。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
一种铝合金机械手爪，包括手腕、手掌、四根手指和转动连接在手掌侧面的拇指，手掌的后端转动连接在手腕上，四根手指并排安装在手掌的前端，四根手指均由手指尾骨、手指连接块和指尖构成，手指连接块的两端分别与手指尾骨和指尖的其中一个端部转动连接，手指尾骨的另一端转动连接在手掌的前端，手掌的背部安装有手背连接板，四根手指的手背面和手心面均设有手指气缸，手背面的手指气缸的气缸筒转动连接在手背连接板上、气缸轴与手指尾骨远离手指连接块的一端转动连接，手心面的手指气缸的气缸筒与手指尾骨靠近手指连接块的一端转动连接、气缸轴与指尖靠近手指连接块的一端转动连接，拇指由拇指尾骨、拇指连接块、拇指指尖和拇指转动块构成，拇指连接块的两端分别与拇指尾骨和拇指指尖的其中一个端部转动连接，拇指转动块的一端与拇指尾骨远离拇指连接块的一端连接，拇指转动块的另一端转动连接在手掌的侧面，拇指的手心面设有手指气缸，手指气缸的气缸筒与拇指尾骨靠近拇指连接块的一端转动连接、气缸轴与拇指指尖靠近拇指连接块的一端转动连接，拇指转动块与手掌的连接处设置有用于控制拇指向手掌的掌心面转动的步进电机；
指尖和拇指指尖结构尺寸均相同，指尖包括指尖前段和指尖后段，指尖前段的后端焊接有插舌，指尖后段的前端设有与插舌相匹配的插槽，插舌滑动插设于插槽内，插舌由柱形中间体和两片对称设置于柱形中间体两侧的翼板构成，柱形中间体上设有运动方向与翼板宽面平行的弹性按钮，弹性按钮位于柱形中间体远离指尖前段的一端，指尖后段上并排设置有多个可与弹性按钮相配合的锁止孔。
此外本发明还提供了一种铝合金机械手爪的加工方法，包括以下步骤：
S1、将铝合金原材熔化成金属液，将金属液分别有序地流入手腕、手掌、手指尾骨、手指连接块、拇指尾骨、拇指连接块、指尖前段、指尖后段、拇指转动块和手背连接板的型腔中低压铸造成型，得到手爪基件。
S2、用细砂纸打磨手爪基件的表面，打磨完成后用去离子水冲洗掉手爪基件表面的杂质，然后将打磨后的手爪基件浸入NaOH和Na3PO4的混合溶液中5-10min，侵泡结束后，先用去离子水冲洗手爪基件3-5min，再用乙醇溶液冲洗5-10min。
S3、将经S2处理后的手爪基件装配成型，得到手爪骨架。
S4、以手爪骨架为阳极，碳棒为阴极，0.7mol/L的草酸为电解液，在常温下，,40-45V的脉冲电场中进行氧化，以在手爪骨架表面形成一层规整有序的多孔阳极氧化铝(PAA)膜。
S5、将正硅酸乙脂与去离子水混合，配制成3-5％wt的溶液，然后将形成PAA膜的手爪骨架浸入溶液中，利用超声波搅拌10-20min后，停止搅拌，于40℃恒温条件下浸渍静置1-2h，放人120℃烘箱干燥20-30min。正硅酸乙脂在去离子水中发生水解，PAA膜表面存在不饱和残键和不同键合状态的羟基，这使得它与正硅酸乙脂水解产物中的基团能够发生键合作用，并均匀吸附在氧化铝PAA膜上，实现对基材表面多孔阳极氧化铝的改性。
S6、将表面PAA膜改性后的手爪骨架浸入加有乙醇的反应容器中，加入催化剂冰乙酸，调节PH值至4.0-4.5，再加入乙醇2-3wt％的纳米TiO2颗粒，缓缓加入乙醇1/4-1/3摩尔质量的γ-氨丙基三乙氧基硅烷，利用超声波搅拌3-5h，使吸附在氧化铝PAA膜上的正硅酸乙脂水解产物与γ-氨丙基三乙氧基硅烷在乙酸等催化剂的作用下，逐步水解、缩合，形成呈空间网状交联的杂化膜层，之后停止搅拌，以5mm/s的速度匀速向上提拉取出手爪骨架，加热烘干，然后自然冷却降温即可。
S7、将手指气缸、步进电机分别装配到S6中得到的手爪骨架上即可。
进一步，S1中的浇注条件为：浇注温度660℃，充型速度20cm/s。在铸造充型开始直至最后凝固结束的过程中，型腔里面的温度都在不断的变化，由于在型腔各处冷却速度不同，靠近冷却管道冷却条件好的部位形成等轴细晶粒，随着晶体凝固，温度梯度减小，冷却条件变差，这些部位形成的晶粒会变粗，同时金属液体中的气体无法从冷却管排除，形成缩松或缩孔，影响铸件质量。此外当速度较大时，内浇口部位会产生“喷射”现象，当速度较慢会导致金属液未充型完成，就开始凝固，甚至可能出现金属液堵住型腔壁薄的部位导致后面的部分不能完成充型，使整个制造铸件失败。
进一步，S4中脉冲电场采用周期性脉冲提供阳极氧化所需的电压，且脉冲电场采用多段式脉冲电场，氧化分三个周期(T)进行，电源参数为：第一个T内，
通过周期性脉冲提供阳极氧化所需的电压，无需更换电解液，只需要改变脉冲电压的火小和持续时间就可调整PAA纳米孔道的长短、孔洞和孔间距的大小。每个T内，通过交替通电和不通电的操作，能够让Al3+通过氧化层/电解液界面(OE界面)溶解在电解液中，减少Al3+留在OE界面处形成致密的氧化铝阻挡层的厚度。同时保证草酸的电离，一方面持续提供阳极氧化反应需要消耗的电解质离子，提高H+的扩散速率，使得电解液中电解质离子的供应速率能够满足阳极氧化反应所消耗的速率，另一方面随着PAA孔道的不断生长，能够保证到达孔底部的H+离子浓度，能够持续提升对阻挡层的腐蚀效率，使PAA膜阻挡层的腐蚀速率跟上PAA膜的生长速率，提高PAA膜的生长速率。整个氧化过程中，伴随着电压的升高，PAA从膜生长速率变快，并且可以加速浓溶液中草酸分子的电离，产生较多的H+，对PAA膜阻挡层的腐蚀作用一直较强，因而电场随着电压的增加而变强，使形成的PAA膜更加规整有序的。
进一步，每个周期T的时间为1-2h。
进一步，S5和S6中用于搅拌的超声波频率为12kHz，功率为60W。
进一步，S6中加热烘干的方法为：将手爪骨架放人100℃烘箱，以升温速率为10℃/min，升至300℃，然后保温30min。缓慢升温可让手爪骨架与涂层同步受热，防止由于涂层和手爪骨架的受热膨胀率不同引起涂层内应力的增大，最终导致涂层开裂、剥落。
本发明的有益效果：
1、本发明的指尖长度可以调节，调节操作简单，调节后稳定性强，可以更好地适用于儿童和成年人等不同身形的群体；
2、本发明能够通过在铝合金机械手爪表面形成杂化膜，杂化膜表面完整、致密，均匀，能有效提高机械手爪的硬度、耐冲击性、耐腐蚀性和表面光滑度，降低对铝合金机械手爪的腐蚀和磨损，延长其使用寿命；
3、本发明通过在杂化膜中加入纳米TiO2颗粒，能够起到持续杀菌的作用，保证机械手爪表面的清洁度。
附图说明
图1是本发明机械手爪的爆炸示意图；
图2是本发明机械手爪的立体图；
图3是本发明指尖的结构图；
图4是本发明指尖的局部剖视图；
图5是本发明指尖前段的侧视图；
其中，手腕1、手掌2、手指3、手指尾骨31、手指连接块32、指尖33、指尖前段331、指尖后段332、拇指4、拇指尾骨41、拇指连接块42、拇指指尖43、拇指转动块44、手背连接板5、手指气缸6、步进电机7、插舌8、柱形中间体81、翼板82、插槽9、弹性按钮10、锁止孔11。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明：
如图1-图5所示，一种铝合金机械手爪，包括手腕1、手掌2、四根手指3和转动连接在手掌3侧面的拇指4，手掌2的后端转动连接在手腕1上，四根手指3并排安装在手掌2的前端，四根手指3均由手指尾骨31、手指连接块32和指尖33构成，手指连接块32的两端分别与手指尾骨31和指尖33的其中一个端部转动连接，手指尾骨31的另一端转动连接在手掌2的前端，手掌2的背部安装有手背连接板5，四根手指3的手背面和手心面均设有手指气缸6，手背面的手指气缸6的气缸筒转动连接在手背连接板5上、气缸轴与手指尾骨31远离手指连接块32的一端转动连接，手心面的手指气缸6的气缸筒与手指尾骨31靠近手指连接块32的一端转动连接、气缸轴与指尖33靠近手指连接块32的一端转动连接，拇指4由拇指尾骨41、拇指连接块42、拇指指尖43和拇指转动块44构成，拇指连接块42的两端分别与拇指尾骨41和拇指指尖43的其中一个端部转动连接，拇指转动块44的一端与拇指尾骨41远离拇指连接块42的一端连接，拇指转动块44的另一端转动连接在手掌2的侧面，拇指4的手心面设有手指气缸6，手指气缸6的气缸筒与拇指尾骨41靠近拇指连接块42的一端转动连接、气缸轴与拇指指尖43靠近拇指连接块42的一端转动连接，拇指转动块44与手掌2的连接处设置有用于控制拇指4向手掌2的掌心面转动的步进电机7。
指尖33和拇指指尖43结构尺寸均相同，指尖33包括指尖前段331和指尖后段332，指尖前段331的后端焊接有插舌8，指尖后段332的前端设有与插舌8相匹配的插槽9，插舌8滑动插设于插槽9内，插舌8由柱形中间体81和两片对称设置于柱形中间体81两侧的翼板82构成，柱形中间体81上设有运动方向与翼板82宽面平行的弹性按钮10，弹性按钮10位于柱形中间体81远离指尖前段331的一端，指尖后段332上并排设置有多个可与弹性按钮10相配合的锁止孔11。
铝合金机械手爪的加工实施例一
将铝合金原材熔化成金属液，将金属液分别有序地流入手腕、手掌、手指尾骨、手指连接块、拇指尾骨、拇指连接块、指尖前段、指尖后段、拇指转动块和手背连接板的型腔中低压铸造成型，得到手爪基件；用细砂纸打磨手爪基件的表面，打磨完成后用去离子水冲洗掉手爪基件表面的杂质，然后将打磨后的手爪基件浸入NaOH和Na3PO4的混合溶液中5min，侵泡结束后，先用去离子水冲洗手爪基件3-5min，再用乙醇溶液冲洗5min；将处理后的手爪基件装配成型，得到手爪骨架；以手爪骨架为阳极，碳棒为阴极，0.7mol/L的草酸为电解液，于常温下、在周期性脉冲提电压的多段式脉冲电场中进行氧化，氧化分三个周期T进行，每个周期T的时间为1h，电源参数为：第一个T内，
铝合金机械手爪的加工实施例二
将铝合金原材熔化成金属液，将金属液分别有序地流入手腕、手掌、手指尾骨、手指连接块、拇指尾骨、拇指连接块、指尖前段、指尖后段、拇指转动块和手背连接板的型腔中低压铸造成型，得到手爪基件；用细砂纸打磨手爪基件的表面，打磨完成后用去离子水冲洗掉手爪基件表面的杂质，然后将打磨后的手爪基件浸入NaOH和Na3PO4的混合溶液中7min，侵泡结束后，先用去离子水冲洗手爪基件3-5min，再用乙醇溶液冲洗7min；将处理后的手爪基件装配成型，得到手爪骨架；以手爪骨架为阳极，碳棒为阴极，0.7mol/L的草酸为电解液，于常温下、在周期性脉冲提电压的多段式脉冲电场中进行氧化，氧化分三个周期T进行，每个周期T的时间为1.5h，电源参数为：第一个T内，
铝合金机械手爪的加工实施例三
将铝合金原材熔化成金属液，将金属液分别有序地流入手腕、手掌、手指尾骨、手指连接块、拇指尾骨、拇指连接块、指尖前段、指尖后段、拇指转动块和手背连接板的型腔中低压铸造成型，得到手爪基件；用细砂纸打磨手爪基件的表面，打磨完成后用去离子水冲洗掉手爪基件表面的杂质，然后将打磨后的手爪基件浸入NaOH和Na3PO4的混合溶液中10min，侵泡结束后，先用去离子水冲洗手爪基件5min，再用乙醇溶液冲洗10min；将处理后的手爪基件装配成型，得到手爪骨架；以手爪骨架为阳极，碳棒为阴极，0.7mol/L的草酸为电解液，于常温下、在周期性脉冲提电压的多段式脉冲电场中进行氧化，氧化分三个周期T进行，每个周期T的时间为2h，电源参数为：第一个T内，
铝合金机械手爪的加工实施例四
将铝合金原材熔化成金属液，将金属液分别有序地流入手腕、手掌、手指尾骨、手指连接块、拇指尾骨、拇指连接块、指尖前段、指尖后段、拇指转动块和手背连接板的型腔中低压铸造成型，得到手爪基件；用细砂纸打磨手爪基件的表面，打磨完成后用去离子水冲洗掉手爪基件表面的杂质，然后将打磨后的手爪基件浸入NaOH和Na3PO4的混合溶液中10min，侵泡结束后，先用去离子水冲洗手爪基件5min，再用乙醇溶液冲洗10min；将处理后的手爪基件装配成型，得到手爪骨架。
将实施例一至实施例四加工得到的具有杂化膜层的手爪骨架分别测试其膜层硬度(HV)、单位时间内磨损量(mg/min)、摩擦系数及24h盐雾腐蚀试验的表面腐蚀物重量(wt％)，结果如表1所示：
表1
由表1可知，在手爪骨架形成空间网状交联的杂化膜层后，手爪骨架的膜层硬度大大提高，单位时间内单位时间内磨损量低至0.02mg/min以下，摩擦系数降低至普通手爪骨架的2倍以上，24h盐雾腐蚀试验的表面腐蚀物重量低至0.5wt％，而普通手爪骨架高至8wt％。
将实施例一至实施例三加工得到的手爪骨架各随机选取3件，标记为1至9，分别切割成1cm×1cm的铝合金片，采用日本JISZ2801:2010标准进行抗菌性性能检测，每件手爪骨架平行测试三次，并依照标准取其绝对值，当抗菌值大于等于2时，说明抗菌率大于99％，检测结果如表2所示：
表2
由表2可知，实施例一至实施例三加工的手爪骨架表面形成了含有TiO2纳米棒的空间网状交联的杂化膜层，从中任取三件手爪骨架对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性菌的抗菌值均高于99％。
本发明能够通过在铝合金机械手爪表面形成杂化膜，杂化膜表面完整、致密，均匀，能有效提高机械手爪的硬度、耐冲击性、耐腐蚀性和表面光滑度，降低对铝合金机械手爪的腐蚀和磨损，延长其使用寿命；通过在杂化膜中加入纳米TiO2颗粒，能够起到持续杀菌的作用，保证机械手爪表面的清洁度。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
