CN105364914B - 一种基于热致形状记忆聚合物可重复使用的机械手 - Google Patents

Abstract

一种基于热致形状记忆聚合物可重复使用的机械手，主要包括基座、夹持部件、拉压部件和滑槽部件，拉压部件及夹持部件由热致形状记忆聚合物制成，基座、滑槽部件及其他紧固螺钉由普通硬质聚合物制成；利用形状记忆聚合物及杠杆原理实现了形状记忆聚合物机械手的可重复开合；具有轻便灵活，抗腐蚀能力强的特点，还能克服“硬机器”因夹持力过大可能对夹持物品所造成的破坏问题，即在夹持物品的过程中可发生大变形与物品充分接触而不会损伤物品，另外也不同于一些软质的聚合物因不能提供足够的夹持力而只能夹持很轻的物品；该机械手材料成本低廉，且重量较轻，适合于大规模生产和应用。

Description

一种基于热致形状记忆聚合物可重复使用的机械手

技术领域

本发明涉及一种聚合物机械手，具体涉及一种基于热致形状记忆聚合物可重复使用的机械手。

背景技术

机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。目前传统的机械手都主要为金属，陶瓷或结构聚合物(所谓的“硬机器”)，他们几乎可以迅速而准确地完成许多复杂动作，但是对于夹持易碎及表面要求高的物品，它们往往比较笨重，；硬机器对人类和所夹持的物品都可能造成伤害。而且对于强酸、强碱等具有腐蚀性的工作环境，金属材料的抗腐蚀性能力明显不够。

聚合物材料制成的机械手不仅轻便灵活，造价便宜，而且还具有很好的抗腐蚀能力，能够长期服役于强酸、强碱等具有腐蚀性的工作环境。而聚合物材料中的形状记忆聚合物用于制造机械手的“软机器”更是能克服“硬机器”因夹持力过大可能对夹持物品所造成的破坏问题。夹持部件在夹持物品时是一种比较软的材料，在夹持物品的过程中可发生大变形与物品充分接触而不会碰伤物品；夹持部件在夹持物品结束后，会通过降温，在保持当前形状的情况下变为一种比较硬的材料，从而提供足够的夹持力来移动物品。这样它既不会像“硬机器”可能对被夹持物品造成伤害，也不会像一些软质的聚合物因不能提供足够的夹持力而只能夹持很轻的物品。专利CN 103350423 A曾试图利用形状记忆聚合物来制作机械手，但是他利用单向形状记忆聚合物所设计的技术方案之一其实是不太合理的，难以实现。它利用一个预变形的部件(记为A)通过加热恢复形状来拉弯另一部件(记为B)，使之变形，再冷却冻结B的变形；然后再对B加热，使其变形恢复，利用B的恢复力反过来使A变形回到预变形时的状态。这其实是不可能实现的，因为如果A的恢复力足够使B被拉弯变形，那么以B的刚度在对B加热的过程中B的恢复力是不足以使A变形的。对B加热只是回到了B在降温前A使B变形的状态。不能得到发明申请人想要的效果。他最多只能供一次性使用，不能重复地张闭机械手臂。

因此，一种真正切实可行的基于形状记忆聚合物可重复使用的机械手的发明就显得非常有意义。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于热致形状记忆聚合物可重复使用的机械手，不会像“硬机器”可能对被夹持物品造成损害，可以长期在强酸强碱等腐蚀性环境下正常工作；本发明利用杠杆原理真正意义上实现了形状记忆聚合物机械手的可重复开启闭合。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于热致形状记忆聚合物可重复使用的机械手，包括基座1，拉压部件3的一端通过连接件2设置在基座1上，滑槽部件5的一端铰接在基座1上，夹持部件6一端固定在基座1上，所述拉压部件3、滑槽部件5和夹持部件6均为两个对称的设置在基座1上；所述夹持部件6上设置有两端凸出的聚合物小圆柱4，两端凸出的聚合物小圆柱4的上端供拉压部件3钩挂，当拉压部件3钩挂在两端凸出的聚合物小圆柱4上时，拉压部件3与夹持部件6相当于铰接，两端凸出的聚合物小圆柱4下端伸入滑槽部件5的滑槽中，两端凸出的聚合物小圆柱4只能在滑槽部件5的滑槽中滑动，不能沿垂直滑槽的方向运动，当夹持部件6变形时会带着滑槽部件5转动；所述滑槽部件5临近固定端处设置有供拉压部件3钩挂的上端凸出的聚合物小圆柱7，当拉压部件3钩挂在上端凸出的聚合物小圆柱7上时，拉压部件3与滑槽部件5相当于铰接；

所述连接件2为在螺钉上套上外壁带螺纹的圆环，圆环一端装有电磁线圈，该电磁线圈与基座1中设置的电磁线圈相互作用，实现利用线圈通电使外壁带螺纹的圆环沿连接件2轴向移动，圆环外壁上的螺纹与拉压部件3连接孔内部的螺纹互相啮合，当对电磁线圈通电时，外壁带螺纹的圆环在电磁力作用下轴向移动时，拉压部件3会绕连接件2旋转，电磁线圈断电时，拉压部件3与基座1相当于简单的铰接；

所述拉压部件3及夹持部件6由热致形状记忆聚合物材料制成，基座1和滑槽部件5由普通硬质聚合物材料制成。

所述热致形状记忆聚合物材料为具有形状记忆效应的聚降冰片烯、反式聚异戊二烯、苯乙烯-丁二烯共聚物或聚氨酯或它们的复合材料。

所述普通硬质聚合物材料为未经过改性或进行多种材料复合的常规聚合物、改性聚合物或聚合物复合材料。

所述拉压部件3在装配前经过预拉伸处理，并降温冻结变形。

所述拉压部件3的另一端整体为T字型，其内端靠近边缘处为一个斜面，有利于拉压部件3钩挂在两端凸出的聚合物小圆柱4和上端凸出的聚合物小圆柱7上；靠近中间为内凹面，保证拉压部件3不会意外脱落。

所述夹持部件6与拉压部件3的变形率在10～200％。

所述热致形状记忆聚合物材料的转变温度高于室温，在40～50℃为宜。

所述热致形状记忆聚合物材料的温度变化驱动用内置电阻丝或内置磁性颗粒利用电场或磁场来控制，从而控制夹持部件6和拉压部件3的变形及形状恢复。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)轻便灵活，造价便宜，而且还具有很好的抗腐蚀能力，能够长期服役于强酸、强碱等具有腐蚀性的工作环境。

(2)能克服“硬机器”因夹持力过大可能对夹持物品所造成的破坏问题，在夹持物品的过程中可发生大变形与物品充分接触而不会碰伤物品，也不会像一些软质的聚合物因不能提供足够的夹持力而只能夹持很轻的物品。

(3)利用杠杆原理真正意义上实现了形状记忆聚合物机械手的可重复开合。

附图说明

图1是本发明处于张开状态拉压部件钩挂在夹持部件上时形状记忆聚合物机械手的结构示意图之一。

图2是图1所示的机械手在不同视角下的结构示意图。

图3是本发明处于张开状态拉压部件钩挂在夹持部件上时形状记忆聚合物机械手的平面结构示意。

图4是本发明处于闭合状态拉压部件钩挂在夹持部件上时形状记忆聚合物机械手的平面结构示意。

图5是本发明处于闭合状态拉压部件钩挂在滑槽部件上时形状记忆聚合物机械手的平面结构示意。

图6是本发明处于张开状态拉压部件钩挂在滑槽部件上时形状记忆聚合物机械手的平面结构示意。

图7拉压部件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理和工作过程做进一步详细说明。

本发明提供一种轻质耐腐蚀且不易对操作人员及夹持物品造成伤害的基于热致形状记忆聚合物可重复使用的机械手。如图1、2所示夹持部件6由紧固件9固定安装在基座1上，经过预拉伸的拉压部件3钩挂在夹持部件6上，当对拉压部件3进行加热时，由于其形状记忆聚合物的特性，它要恢复到未变形时的状态，从而产生一个恢复力，使夹持部件6发生弯曲变形，到达机械手闭合的状态，给夹持部件6降温，机械手的形状就固定在闭合状态。此时若对夹持部件6进行加热，它要恢复到未变形时的状态，从而产生一个恢复力，但是这个恢复力不足以拉伸拉压部件3使之变形，它只能回到给夹持部件6降温前的状态，即机械手保持闭合，拉压部件3未拉伸的状态。因此，在机械手降温固定在闭合状态时，利用连接件2处的电磁线圈转动拉压部件3，使之钩挂在滑槽部件5上，如图6所示，这时对夹持部件6进行加热，它要恢复到未变形时的状态带着滑槽部件5旋转，此时钩挂在滑槽部件5上上端凸出的聚合物小圆柱7的拉压部件3受到拉伸。由于杠杆原理，此时钩挂在上端凸出的聚合物小圆柱7的拉压部件3比钩挂在两端凸出的聚合物小圆柱4上时所受到的拉力大上好几倍(可利用上端凸出的聚合物小圆柱7在滑槽部件5上的位置来调节放大倍数)，因此在机械手张开的同时拉压部件3又被预拉伸，就可以再重复夹持的过程。

拉压部件3的端部设计如图7所示，整体为T字型，其内端靠近边缘处为一个斜面，可以有利于拉压部件3钩挂在两端凸出的聚合物小圆柱4和上端凸出的聚合物小圆柱7；靠近中间为一个内凹的面，可以保证拉压部件3不会意外脱落。

如图1、2所示，本实施例一种基于热致形状记忆聚合物可重复使用的机械手，拉压部件3及夹持部件6由交联聚烯烃形状记忆聚合物或聚氨酯形状记忆聚合物制成，基座1、滑槽部件5及其他紧固螺钉由环氧聚合物制成。夹持部件6一端由两颗螺钉固定在基座1上，滑槽部件5一端由螺钉与基座1铰接，夹持部件6上的两端凸出的聚合物小圆柱4套在滑槽内，拉压部件3一端由一个连接件2与基座1相连，另一端钩挂在夹持部件6上的圆柱4或滑槽部件5上的圆柱7上。连接件2中的电磁线圈能控制拉压部件3的摆动，通电方向可控制摆动方向，通电电流大小可控制转动力的大小。在拉压部件3及夹持部件6中加入电阻丝或磁性颗粒，利用通电或磁场变化来控制它们的温度，从而控制形状恢复。

一开始，机械手处于张开状态如图3所示，拉压部件3经过预拉伸并降温固定在这个形状，拉压部件3钩挂在夹持部件6上(相当于铰接)，此时利用电流或磁场对拉压部件3和夹持部件6加热，拉压部件3恢复原长缩短，同时拉弯夹持部件6使机械手闭合到达如图4所示的状态，夹持部件6也由于加热变软，能“温柔”地夹住物品而不会对物品产生伤害；断开电源或磁场，机械手冷却，机械手形状固定在如图4所示的闭合状态，冷却后的夹持部件6变硬，能提供足够的夹持力使物品不会脱落；需要张开机械手时，先对连接件2中的电磁线圈通电，使拉压部件3转动钩挂到滑槽部件5上如图5所示，形成一个省力杠杆，此时再利用电流或磁场对拉压部件3和夹持部件6加热，如图6所示，弯曲的夹持部件6恢复形状，机械手张开，这时夹持部件6上的两端凸出的聚合物小圆柱4推动滑槽部件5绕紧固件8旋转，放大的力使拉压部件3被重新拉长；断开电源或磁场，机械手冷却，机械手形状固定在如图6所示的张开的状态，拉压部件3也被固定在这个预拉伸的形状，对连接件2中的电磁线圈反向通电，使拉压部件3转动重新钩挂到夹持部件6上回到如图3所示的状态，实现一个循环，再重复以上过程即可再夹持下一个物品。

上述仅是以一种基于热致形状记忆聚合物可重复使用的机械手为具体实施例，需要指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于热致形状记忆聚合物可重复使用的机械手，包括基座(1)，拉压部件(3)的一端通过连接件(2)设置在基座(1)上，滑槽部件(5)的一端铰接在基座(1)上，夹持部件(6)一端固定在基座(1)上，所述拉压部件(3)、滑槽部件(5)和夹持部件(6)均为两个对称的设置在基座(1)上；所述拉压部件(3)及夹持部件(6)由热致形状记忆聚合物材料制成，基座(1)和滑槽部件(5)由普通硬质聚合物材料制成；

其特征在于：所述夹持部件(6)上设置有两端凸出的聚合物小圆柱(4)，两端凸出的聚合物小圆柱(4)的上端供拉压部件(3)钩挂，当拉压部件(3)钩挂在两端凸出的聚合物小圆柱(4)上时，拉压部件(3)与夹持部件(6)相当于铰接，两端凸出的聚合物小圆柱(4)下端伸入滑槽部件(5)的滑槽中，两端凸出的聚合物小圆柱(4)只能在滑槽部件(5)的滑槽中地滑动，不能沿垂直滑槽的方向运动，当夹持部件(6)变形时会带着滑槽部件(5)转动；所述滑槽部件(5)临近固定端处设置有供拉压部件(3)钩挂的上端凸出的聚合物小圆柱(7)，当拉压部件(3)钩挂在上端凸出的聚合物小圆柱(7)上时，拉压部件(3)与滑槽部件(5)相当于铰接；

所述连接件(2)为在螺钉上套上外壁带螺纹的圆环，圆环一端装有电磁线圈，该电磁线圈与基座(1)中设置的电磁线圈相互作用，实现利用线圈通电使外壁带螺纹的圆环沿连接件(2)轴向移动，圆环外壁上的螺纹与拉压部件(3)连接孔内部的螺纹互相啮合，当对电磁线圈通电时，外壁带螺纹的圆环在电磁力作用下轴向移动时，拉压部件(3)会绕连接件(2)旋转，电磁线圈断电时，拉压部件(3)与基座(1)相当于简单的铰接；

2.根据权利要求1所述的一种基于热致形状记忆聚合物可重复使用的机械手，其特征在于：所述热致形状记忆聚合物材料为具有形状记忆效应的聚降冰片烯、反式聚异戊二烯、苯乙烯-丁二烯共聚物或聚氨酯或它们的复合材料。

3.根据权利要求1所述的一种基于热致形状记忆聚合物可重复使用的机械手，其特征在于：所述普通硬质聚合物材料为纯聚合物、改性聚合物或聚合物复合材料。

4.根据权利要求1所述的一种基于热致形状记忆聚合物可重复使用的机械手，其特征在于：所述拉压部件(3)在装配前经过预拉伸处理，并降温冻结变形。

5.根据权利要求1所述的一种基于热致形状记忆聚合物可重复使用的机械手，其特征在于：所述拉压部件(3)的另一端整体为T字型，其内端靠近边缘处为斜面，有利于拉压部件(3)钩挂在两端凸出的聚合物小圆柱(4)和上端凸出的聚合物小圆柱(7)上；靠近中间为内凹面，保证拉压部件(3)不会意外脱落。

6.根据权利要求1所述的一种基于热致形状记忆聚合物可重复使用的机械手，其特征在于：所述夹持部件(6)与拉压部件(3)的变形率在10～200％。

7.根据权利要求1所述的一种基于热致形状记忆聚合物可重复使用的机械手，其特征在于：所述热致形状记忆聚合物材料的转变温度高于室温。

8.根据权利要求1所述的一种基于热致形状记忆聚合物可重复使用的机械手，其特征在于：所述热致形状记忆聚合物材料的温度变化驱动用内置电阻丝或内置磁性颗粒利用电场或磁场来控制，从而控制夹持部件(6)和拉压部件(3)的变形及形状恢复。