CN105364936B - 可贴合干燥附着保持装置 - Google Patents

Abstract

描述一种抓持装置，所述保持器包括基部和可贴合卡持元件，所述可贴合卡持元件具有固定在其表面上的可贴合可释放表面附着元件。

Description

可贴合干燥附着保持装置

技术领域

本发明涉及用于固定装置/加工工具/材料操作和机器人末端执行器的工件抓持装置。

背景技术

用于加工工具、固定装置和机器人末端执行器的通用抓持器有利地采用保持装置，所述保持装置附接到各种任意形状的工件，用于在制造和组装过程期间运动和定位。通用抓持器可以采用一些形式的外部功率源，以实现抓持和释放，包括基于真空的吸取式抓持器、拟人多位数字抓持器，用于抓持和操作工件。

被动式通用抓持器要求极小的抓持规划且包括被动贴合独特工件几何形状的部件，赋予其不需要重新调整就能抓持各种不同的工件。被动式通用抓持器可以易于使用且对其环境需要极小的视觉处理。然而，抓持许多不同工件的能力通常使得被动式通用抓持器在抓持具体的任何一个工件时表现不佳。

一个被动式通用卡持抓持器采用包含在柔韧膜中的粒状材料，其通过施加卡持力而与工件的表面相符合。这种操作利用粒状材料的温度独立的类似流体的特点，所述粒状材料可在柔韧膜中施加真空时转变为类似固体的伪相。这类抓持器采用来自表面接触的静摩擦，通过贴合互锁捕获工件，且在工件表面的部分一些部分上实现气密密封时形成真空吸取。卡持抓持器采用来自表面接触的静摩擦，通过互锁捕获工件，和进行真空抽吸，以通过不采用抓持规划、视觉或传感反馈的开路构造下抓持各种形状、重量和易碎性的不同工件。

发明内容

描述一种抓持装置，所述保持器包括基部和可贴合卡持元件，所述可贴合卡持元件具有固定在其表面上的可贴合可释放表面附着元件。

本发明提供一种抓持装置，包括保持器，所述保持器包括基部和可贴合卡持元件，所述可贴合卡持元件具有固定在其表面上的可贴合可释放表面附着元件。

在所述的抓持装置中，可贴合可释放表面附着元件包括多个重叠的干燥附着装置。

在所述的抓持装置中，每一个重叠的干燥附着装置包括附接到系带的垫。

在所述的抓持装置中，垫包括安装在平面背衬层上的附着表面。

在所述的抓持装置中，平面背衬层包括具有高平面内刚性的弹性材料。

在所述的抓持装置中，附着表面包括附接在平面背衬层上的弹性体。

在所述的抓持装置中，垫包括椭圆形元件，所述椭圆形元件具有长轴和短轴，其中系带是平面片状件，且其中垫沿其长轴附接到系带。

在所述的抓持装置中，沿垫的长轴附接到系带的垫包括沿垫的长轴的直线部分附接到系带且绕垫的短轴中心定位的垫。

在所述的抓持装置中，固定在卡持元件表面上的可贴合可释放表面附着元件进一步包括，采用多个可重复使用的附接装置固定在卡持元件的表面上的可贴合可释放表面附着元件。

在所述的抓持装置中，附接到基部的贴合卡持元件包括含有粒状填充材料的密闭不渗透柔韧膜；且进一步包括基部，所述基部包括流体管道，所述流体管道连接到压力源，其中压力源响应于第一控制信号在卡持元件中产生负压力。

在所述的抓持装置中，压力源响应于与可贴合可释放表面附着元件关联的第一控制信号在卡持元件中产生负压力，所述可贴合可释放表面附着元件在保持装置被促动抵靠工件的一部分时抓持工件的所述部分。

本发明提供一种用于抓持工件的一部分的保持装置，包括：保持器，包括基部和具有可贴合可释放表面附着元件的贴合卡持元件，所述可贴合可释放表面附着元件包括在其表面上的多个重叠干燥附着装置；贴合卡持元件，附接到基部且包括密闭不渗透柔韧膜，所述柔韧膜含有粒状填充材料；可控制的压力装置，流体联接到贴合卡持元件；和控制器，与可控制的压力装置通信；其中可贴合可释放表面附着元件在保持装置被促动抵靠工件的一部分时抓持工件的所述部分。

在所述的保持装置中，附接到基部的贴合卡持元件包括含有粒状填充材料的密闭不渗透柔韧膜；且进一步包括基部，所述基部包括流体管道，所述流体管道连接到压力源，其中压力源响应于第一控制信号在卡持元件中产生负压力。

在所述的保持装置中，可贴合可释放表面附着元件包括多个重叠干燥附着装置。

在所述的保持装置中，每一个重叠干燥附着装置包括附接到系带的垫。

在所述的保持装置中，垫包括附着表面，所述附着表面安装在平面背衬层上，所述平面背衬层包括具有高平面内刚性的弹性材料。

在所述的保持装置中，垫包括椭圆形元件，所述椭圆形元件具有长轴和短轴，其中系带是平面片状件，且其中垫沿其长轴附接到系带。

在所述的保持装置中，沿垫的长轴附接到系带的垫包括沿垫的长轴的直线部分附接到系带且绕垫的短轴中心定位的垫。

本发明提供.一种用于抓持工件的保持器，包括：多个可贴合保持装置，每一个保持装置包括基部和可贴合可释放表面附着元件，所述可贴合可释放表面附着元件包括固定在其表面上的多个重叠的干燥附着装置，其中每一个可贴合卡持元件附接到其基部且包括含有粒状填充材料的密闭不渗透柔韧膜，可控制的压力装置，流体联接到可贴合卡持元件；和控制器，与可控制的压力装置通信；其中可贴合可释放表面附着元件包括多个重叠的干燥附着装置，所述干燥附着装置响应于从控制器到可控制的压力装置的命令抓持工件的一些部分；和其中可贴合保持装置中的一个具有在适用于所述工件的保持器上的运动自由度。

在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。

附图说明

参考附图通过例子描述一个或多个实施例，其中:

图1示意性地示出了根据本发明的保持装置的二维侧视图，所述保持装置包括可贴合卡持元件，所述可贴合卡持元件具有固定在其表面上的可贴合可释放表面附着元件；

图2示意性地显示了根据本发明的可贴合可释放表面附着元件的仰视图，所述表面附着元件包括柔韧基体，在所述柔韧基体上制造多个柔性干燥附着装置；

图3示意性地显示了根据本发明的单个柔性干燥附着装置的实施例的侧视图、端视图和仰视图；

图4示意性地显示了根据本发明的工件保持器的三维部分半透明的等轴视图，所述工件保持器包括可贴合卡持元件，所述可贴合卡持元件具有固定在其表面上且配置为在多个抓持位置与工件贴合接合的可贴合可释放表面附着元件，工件固定在保持器的顶部；和

图5示意性地显示了根据本发明的工件保持器三维部分半透明的等轴视图，所述工件保持器包括可贴合卡持元件，所述可贴合卡持元件具有固定在其表面上且配置为在多个抓持位置与工件贴合接合的可贴合可释放表面附着元件，工件固定在保持器的下方。

具体实施方式

现在参见附图，其中仅显示些示例性实施例的目的而不出于限制本发明的目的显示了附图，图1示意性地示出了可贴合保持装置10的二维侧视图，所述可贴合保持装置10包括固定在卡持元件50表面上的可释放表面附着元件20，所述卡持元件50可以用在机器人手臂的末端执行器上，以可控地抓持或保持在工件上或有助于保持在工件上。

卡持元件50包括气密柔韧膜52，其可密封地附接到基部56且含有粒状填充材料54。在一个实施例中，基部56附接到机器人手臂的末端执行器。可以用于制造膜52的合适材料包括乳胶、乙烯、涂层织物和金属箔等。膜材料是气密的且优选例如通过使用多层结构而抵抗撕裂。用于粒状填充材料54的合适材料包括碎玉米、磨碎的咖啡和粉状塑料等。基部56包括连接到可控制的压力源60的流体管道。压力源60响应于第一控制信号在卡持元件50中产生负压力(真空)，以实现对工件的抓持，且响应于第二控制信号而在卡持元件50中允许真空释放或产生正压力，以实现工件的释放。在一个实施例中，压力源60通过可控制的关闭阀62流体联接到卡持元件50，其中在压力源60于卡持元件50中产生真空时关闭阀62打开以实现工件抓持，在请求抓持时关闭阀62关闭，和被再次打开以允许卡持元件50中的真空释放，以实现工件的释放。

采用多个可重复使用的附接装置30(例如钩环紧固件)，可贴合可释放表面附着元件20优选固定在卡持元件50的表面上。采用可重复使用的附接装置30允许去除和更换可贴合可释放表面附着元件20。系统控制器70通过信号连接到压力源60，以实现与工件的附接和分离。在一些实施例中，采用单个可贴合可释放表面附着元件20。替换地，可采用多个可贴合可释放表面附着元件20。

卡持元件50通过接触工件和贴合工件的形状而操作。真空被施加以使得被填充的膜52真空硬化，以刚性抓持工件，且可贴合可释放表面附着元件20附着工件的表面。随后，例如在已经于工件上执行工作或其已经被转送到另一位置之后，可以施加一股或多股正压力，以将类流体到类固体相转变(卡持)逆转，使得可贴合可释放表面附着元件20从工件剥离且使得被填充的膜52返回并由此重设到可变形的待命状态。

可贴合可释放表面附着元件20包括基于壁虎脚开发的表面附着结构。壁虎脚具有天然的附着能力，其允许动物在许多环境条件下附着到各种类型的表面。通过壁虎脚上的许多毛发类型延伸部(称为刚毛)提供这种附着能力。壁虎刚毛包括具有约5微米直径的茎秆(stalk)。在末端处，每一个茎秆伸出纳米尺寸的凸起或垫，在每一个茎杆上具有大约100到1000个凸起，其每一个长度为约0.2微米。凸起和接触表面之间的附着是由于范德华力造成的。单个凸起和表面之间的吸引力可为约100纳牛(nN)。通过动物将其脚趾从末端向内卷缩离开表面，刚毛可容易地与表面分离。该剥离动作改变成千上万凸起与表面之间的迎角(angle of incidence)，降低范德华力且允许动物运动经过表面。

图2和3示意性地显示了包括多个干燥附着装置21的可贴合可释放表面附着元件20的实施例。图2显示了可贴合可释放表面附着元件20的一个实施例的仰视图，其多个以重叠构造布置的多个干燥附着装置21。图3显示了其中一个干燥附着装置21的实施例的俯视图、侧视图和仰视图。可贴合可释放表面附着元件20的每一个干燥附着装置21包括垫22，使用柔性系带(tether)24将所述垫优选附接骨架26。每一个系带24优选是平面片状件，其用合成织物制造。每一个垫22具有平面背衬层23，所述背衬层提供用于安装附着表面25的基体。平面背衬层23用弹性材料制造，所述弹性材料具有高的平面内刚性，且在一个实施例中是编织的合成织物材料。如本文采用的，术语‘刚性’是指响应于所施加的力抵抗挠曲的能力。附着表面25是弹性体，所述弹性体被浸渍到或以其他方式附接到背衬层23上，且系带24附接到与附着表面25相反的背衬层23上的垫22。骨架26提供用于附接系带24的另一端部的保持部件。每一个垫22可以是椭圆形元件，所述椭圆形元件具有长轴27和短轴28，且系带24优选沿长轴27附接到垫22，形成系带-垫连接结构29。替换地，可贴合可释放表面附着元件20包括多个干燥附着装置21，所述干燥附着装置布置为采用垫22的重叠结构，所述垫直接附接到骨架26，所述骨架附接到被填充的膜52。替换地，可贴合可释放表面附着元件20包括多个干燥附着装置21，所述干燥附着装置布置为采用垫22的重叠构造，所述垫直接附接到被填充的膜52，而不采用系带24或骨架26。通过软的弹性层的组合性能和织物层的悬垂特点(draping characteristic)可设计出大界面接触面积。进而，弹性设计提供一种机构，用于反复附接和分离循环，而不会有附着界面的载荷承受能力的恶化。

在连续接头处存在具体指定的旋转自由度，沿受力方向存在刚性而垂直于弹性材料表面存在低的挠曲刚度的设定，且能在法向和剪切受力方向实现高容量的载荷支撑，而需要接近零的预载荷，预载荷是指建立附着表面25和背衬层23之间的界面以用于支撑给定载荷所需的力的量。垫22提供干燥附着结构，其可以称为T-垫。垫22可以在剪切载荷、法向载荷和多种模式(即剥离)载荷下支撑高载荷，同时按照具体涉及的释放策略，需要极小的力和能量来释放或分离。

垫22是可贴合可释放表面附着元件20的基本结构元件，其连接到系带24。系带24优选通过系带-垫连接结构29沿受力的长轴27保持垫22的高刚性。根据具体需要，系带24和垫22之间的系带-垫连接结构29具有预定尺寸、取向和空间位置，其可被改变以控制释放策略和提供剪切和法向载荷的容许平衡。

通过适当保留了旋转自由度、垂直于附着表面25的低挠曲模量和沿载荷承受方向的高刚性，这种方法将聚合物材料的附着属性和整合机械设计相结合。缩放(scaling)关系提供了用于理解垫22在各种尺度和几何结构下的附着性能的框架，且暗示出界面的附着能力(F_C)是通过三个简单的参数控制的，这取决于界面的几何结构和材料性能。为了设计可逆的附着(其可附着到各种基体)，界面相互作用(G_C)依赖于非特异性范德华力，使得G_C成为无效的控制参数。因此，为了衡量用于附着材料的附着能力，材料系统依赖于接触面积(A)、系统顺应性(C)和增加并最大化面积与系统比例的属性，即使得A/C比最大化。由此，用于附着表面25的被选择材料优选是柔韧的，以增加与背衬层23的刚性相关的实际接触，以实现高载荷。柔韧材料能形成大范围接触，但是在受载荷时具有高的顺应性，而刚性材料不能形成大量接触。在一个实施例中，制造所述垫22包括将薄层的弹性体整合到织物表面，以在背衬层23上形成附着表面25。

系带24可以连接到垫22，以使用任何合适方法形成系带-垫连接结构29，方法例如是常规缝制、缝纫或胶粘，其允许容易地控制附接结构的尺寸、方位和空间位置。系带-垫连接结构29优选提供载荷分担和载荷承受能力，且可以通过选择缝制样式、宽度和长度而被控制。适当缝制样式包括直线缝制、Z形缝制、多Z性缝制、缎纹缝制、蜂窝形缝制、梯形缝制、双线包缝和十字缝制。

例如，系带-垫连接结构29的一个实施例是系带24与垫22的直线缝制，该垫在垫22的长轴27上中心定位且延伸到大约长轴27的弦长的大约三分之二的长度且垂直于垫22的短轴28且关于其中心定位。系带-垫连接结构29优选保持旋转自由度同时沿受力方向保持高刚性。系带-垫连接结构29优选保持沿其整个长度分担的相等载荷。在距系带-垫连接结构29足够远的距离处，系带24整合到骨架26中，该骨架是载荷承载材料，其具有高的挠曲刚度和平面内刚性。系带24和骨架26之间的连接优选是连续的，以确保沿其长度分担相等载荷。在一个实施例中，一个垫结构可以与垫或单元的阵列独立或关联地起作用，所述垫或单元阵列可以通过自由旋转的关节安装到支撑基体，例如，所述支撑基体是沿一个或多个方向刚性的。对于某些应用，例如大重量的承载架，也可以采用用于将系带24附接到垫22的多个点。

图4示意性地显示了工件保持器400的三维等轴视图，所述工件保持器可以是固定装置、加工工具或机器人末端执行器的形式，其已经配置为在多个抓持位置与工件415贴合接合。保持器400包括与参考图1和2所述的保持装置10类似的多个保持装置410。在一个实施例中，保持器400包括保持装置410中的一个。如此，每一个保持装置包括具有一个或多个可贴合可释放表面附着元件414的可贴合卡持元件412，所述表面附着元件固定在可贴合卡持元件表面上且配置为在被控制器控制时与工件贴合接合。如所示的，工件415位于保持器400的顶部且工件415通过施加到保持装置410的贴合表面的保持力而与之固定。保持装置410被显示为与保持器400的平面表面正交，但是应理解保持装置可以相对于保持器400以任何合适取向布置。进而，如元件421所示，各个保持装置410可以运动到保持器400上的不同位置，包括配置为用于在保持器400的表面上进行xy平面平移，沿z方向延伸，或绕x轴线、y轴线和/或z轴线旋转，即俯仰、偏航和/或翻滚旋转，由此具有六个运动自由度且适于具有不同几何形状的工件415。所选择的自由度可以是x、y、z平移和/或俯仰/偏航/翻滚旋转的任何组合。

图5示意性地显示了工件保持器500的三维等轴视图，所述工件保持器可以是固定装置、加工工具或机器人末端执行器的形式，其配置为在多个抓持位置与工件515贴合接合。保持器500包括与参考图1和2所述的保持装置10类似的多个贴合保持装置510。如此，每一个保持装置510包括具有一个或多个可贴合可释放表面附着元件514的可贴合卡持元件512，所述表面附着元件固定515固定在可贴合卡持元件表面上且配置为在被控制器控制时与工件贴合接合。如所示的，通过施加到保持装置510的贴合表面的保持力，工件515从保持器500悬挂且附着到保持器500，工件515与之固定。保持装置510被显示为与保持器500的平面表面正交，但是应理解，保持装置510可以布置为相对于保持器500成任何合适取向。

在操作中，保持器500的实施例包括一个或多个可贴合保持装置510，可贴合保持装置包括可贴合卡持元件512和可贴合可释放表面附着元件514，其如下操作。最初，每一个保持装置510是静态的，即没有施加真空。末端执行器通过一定量的力将保持装置510促动抵靠工件515的一部分，所述一定量的力足以将保持装置510贴合到工件515的表面。压力源560被启动，以在卡持元件512中产生负压力(真空)，使得颗粒挤在一起，以保持贴合形状和为外部特征提供一些保持力。可贴合可释放表面附着元件514产生保持力。保持器500通过机器人手臂运动到期望位置，以在工作515上进行工作。在工作完成之后，压力源560被停用以释放真空，允许卡持元件512的贴合形状松弛。卡持元件512的松弛使得可贴合可释放表面附着元件514的边缘从工件515剥离且由此释放工件515。该构造在贴合工件形状和工件空腔时实现任何合适工件的抓持取向的使用，包括内部抓持、平坦抓持和外部抓持。该构造可容易地重构以适应不同工件几何形状。

包括一个或多个可贴合可释放表面附着元件的本文所述的保持器的实施例提供抓持器元件，其中抓持器可以具有一个或多个这样的元件，以抓持工件或支撑工件，同时提供足够的可操作性，以实现焊接。包括一个或多个可贴合可释放表面附着元件的工件保持器提供抓持器元件，其中抓持器可以具有一个或多个这样的元件，以实现工件的抓持，同时提供足够的可操作性，以实现焊接或在工件上或通过工件执行其他工作。一个或多个保持装置可重新定位或重构到不同位置，以适应具有不同几何形状的不同工件。包括可释放表面附着元件(其包括与之固定的多个重叠的干燥附着装置)的工件保持器提供抓持器元件，所述抓持器元件能通过在工件的一部分周围折叠或贴合并通过使用表面附着力而实现外部抓持。包括可释放表面附着元件(其包括与之固定的多个重叠的干燥附着装置)的工件保持器提供抓持器元件，所述抓持器元件能通过使用表面附着力而实现对工件一部分的内部抓持或平坦抓持。包括可释放表面附着元件的工件保持器提供抓持器元件，所述抓持器元件能通过使用表面附着力实现对工件一部分的外部、内部和/或平坦抓持的组合。工件保持器可以应用在任何材料操作位置，包括但不限于制造和组装过程、材料操作和运输、测量、测试等。

附图中的详细的描述和显示是对本发明的支持和描述，而本发明的范围仅通过权利要求限定。尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年8月19日递交的美国临时专利申请No.62/038,990的权益，其通过引用全部合并于此。

Claims (7)

1.一种抓持装置，包括保持器，所述保持器包括基部和可贴合卡持元件，所述可贴合卡持元件具有固定在其表面上的可贴合可释放表面附着元件，其中每一个可贴合卡持元件附接到其基部且包括含有粒状填充材料的密闭不渗透柔韧膜，所述保持器还包括可控制的压力装置，其流体联接到可贴合卡持元件；

其中可贴合可释放表面附着元件包括多个重叠的干燥附着装置；

其中每一个重叠的干燥附着装置包括附接到系带的垫；

其中垫包括椭圆形元件，所述椭圆形元件具有长轴和短轴，其中系带是平面片状件，且其中垫沿其长轴附接到系带。

2.如权利要求1所述的抓持装置，其中垫包括安装在平面背衬层上的附着表面。

3.如权利要求2所述的抓持装置，其中平面背衬层包括具有高平面内刚性的弹性材料。

4.如权利要求2所述的抓持装置，其中附着表面包括附接在平面背衬层上的弹性体。

5.如权利要求1所述的抓持装置，其中沿垫的长轴附接到系带的垫包括沿垫的长轴的直线部分附接到系带且绕垫的短轴中心定位的垫。

6.如权利要求1所述的抓持装置，其中固定在卡持元件表面上的可贴合可释放表面附着元件进一步包括，采用多个可重复使用的附接装置固定在卡持元件的表面上的可贴合可释放表面附着元件。

7.一种用于抓持工件的保持器，包括：

多个可贴合保持装置，每一个保持装置包括基部和可贴合可释放表面附着元件，所述可贴合可释放表面附着元件包括固定在其表面上的多个重叠的干燥附着装置，其中每一个可贴合卡持元件附接到其基部且包括含有粒状填充材料的密闭不渗透柔韧膜，

可控制的压力装置，流体联接到可贴合卡持元件；和

控制器，与可控制的压力装置通信；

其中可贴合可释放表面附着元件包括多个重叠的干燥附着装置，每一个重叠的干燥附着装置包括附接到系带的垫，其中垫包括椭圆形元件，所述椭圆形元件具有长轴和短轴，其中系带是平面片状件，且其中垫沿其长轴附接到系带，其中所述干燥附着装置响应于从控制器到可控制的压力装置的命令抓持工件的一些部分；和

其中可贴合保持装置中的一个具有在适用于所述工件的保持器上的运动自由度。