CN106165029B - 改性磁性流体、使用了该改性磁性流体的把持机构以及把持装置 - Google Patents

Abstract

提供一种改性磁性流体(11)和使用了该改性磁性流体(11)的把持机构(10)和把持装置(30)，该改性磁性流体(11)在具有基液和以分散状态存在于基液中的强磁性体微粒(25)的磁性流体(27)中混入比强磁性体微粒(25)的尺寸大且比强磁性体微粒(25)的比重小的非磁性粉体(26)，提高了磁化时的保持强度。

Description

改性磁性流体、使用了该改性磁性流体的把持机构以及把持 装置

技术领域

本发明涉及对使强磁性体的微粒分散在液体中的磁性流体进一步进行改良的改性磁性流体、使用了该改性磁性流体的把持机构以及把持装置。

背景技术

如非专利文献1所示，公知有由在液体中使用10nm、几μm尺寸的强磁性超细微粒作为表面活性剂等而极其稳定地分散的胶体溶液构成的磁性流体(MR流体)。而且，公开了将该磁性流体用于阻尼器、致动器、密封件、离合器。另外，在专利文献1中公开了在磁性流体中使用的由平均粒径是0.1～25μm、最大粒径是50μm以下的Fe基合金形成的金属粉末，在专利文献2中公开了在包含阴离子、阳离子的离子性流体中包含平均粒径是0.1～500μm的分散的磁性微粒的磁性流体组合物。

在专利文献3中公开了这样的磁性流体的结构以及其制造方法，在专利文献4中提出了使用了该磁性流体的物品的把持装置。

另外，工业用机器人的手端操作装置(把持机构)结合各种操作工序而存在各种结构。特别地将用于物体把持的手端操作装置称为机械爪，向对象的形状或姿势对应的适当机械爪的自动更换是在工业用机器人的操作工序中很普遍的。但是，为了进行适当的机械爪的选定或更换操作、基于所选定的机械爪的对象的把持计划、从把持开始到完成为止的对象的姿势估计等而需要复杂的计算，这些一系列的操作成为机器人进行的高效率的操作的瓶颈。到当前为止，正在进行与手端操作装置的形状或机构、把持计划相关的数量较多的研究，近年来，为了省略把持物体的姿势识别和机械爪的更换的工序而提高操作效率，报告了如非专利文献2所示的使用真空将各种形状物自如地把持的手端操作装置(万能夹钳，以下简称为“机械爪”)的发明。

该机械爪70的概略如图8所示，机械爪70具有：支承部件71，其安装于机器人手臂的前部；橡胶球体72，其安装于支承部件71的下部；紧固环73，其将橡胶球体72能够拆卸地安装于支承部件71的下部；咖啡豆的粉74，其收纳于橡胶球体72内；以及未图示的真空泵，其与支承部件71的排气孔75、76连接。当使用该机械爪70时，进行1)使对象物以橡胶球体72为目标，使橡胶球体72仿照对象物的形状、2)使真空泵工作而放掉橡胶球体72内的空气，通过挤紧(jamming)现象使橡胶球体72固化、3)操作机器人手臂上提对象物的操作。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5660099号公报(权利要求5～9)

专利文献2：日本专利第5222296号公报(权利要求1)

专利文献3：日本特表2006-505957号公报

专利文献4：日本特开2004-154909号公报

非专利文献

非专利文献1：藤田丰久、岛田帮雄、《MR流体の特性とその応用》、日本应用磁气学会杂志、Vol.27,.No3,2003、p91－100

非专利文献2：Amend、Brown、Rodenberg、Jaeger、Lipson、《粉体ジャミングを基にした正圧ユニバーサルグリッパ》、Transactions on Robotics，2012年4月(Amend,J.R.,Jr.,Brown,E.,Rodenberg,N.,Jaeger,H.,Lipson,H.,"A Positive Pressure UniversalGripper Based on the Jamming of Granular Material,"IEEE Transactions onRobotics,vol.28,pp.341-350,Apr.2012.)

发明内容

发明要解决的课题

但是，记载于非专利文献1、专利文献1、专利文献2的磁性流体因为作为强磁性体的微粒而使用铁粉等金属磁性体，因此存在磁性流体的相对比重变大的问题。另外，有在仅靠以往的磁性流体进行磁化的情况下的磁性流体的粘性和剪切强度比较小的问题。

记载于非专利文献2的机械爪70具有重量也比较轻、能够简单地把持对象物的优点，但把持力比较小，而且因为产生把持力的挤紧现象利用由真空发生器产生的低气压，因此在周围的气压变动的情况下或在水中等压力较高的地方、气温容易变化的环境等中，存在不容易使用的问题。

本发明就是鉴于所涉及的情况而完成的，其目的在于提供相对比重比以往的磁性流体小、在使用了机械爪等的情况下把持力(剪切强度)较大的改性磁性流体，以及提供使用了该改性磁性流体的把持机构和把持装置。

用于解决课题的手段

沿着所述目的的第1发明的改性磁性流体在具有基液和以分散状态存在于该基液中的强磁性体微粒的磁性流体中混入如下的非磁性粉体，提高磁化时的保持强度，该非磁性粉体的尺寸比所述强磁性体微粒的尺寸大且比该强磁性体微粒的比重小。

在第1发明的改性磁性流体中，所述非磁性粉体优选由玻璃、塑料或者陶瓷的粉末构成。而且，在第1发明的改性磁性流体中，优选所述非磁性粉体由发泡塑料构成。此外，所述非磁性粉体当然不溶于磁性流体的基液也不进行反应。另外，非磁性粉体优选比基液的比重小(例如，γ＝0.3～0.8)，是球状。

而且，在第1发明的改性磁性流体中，优选所述非磁性粉体的粒径是2mm以下。

另外，在第1发明的改性磁性流体中，优选该改性磁性流体中的所述磁性流体的比例在40％～80％的范围内。而且，作为所述磁性流体也能够使用MR流体。

第2发明的把持机构使用以上记载的第1发明的改性磁性流体，具有：收纳有所述改性磁性流体的具有柔性的袋体；和配置于该袋体的一侧而能够向所述袋体施加磁场的电磁铁。

在第2发明的把持机构中，优选所述电磁铁具有中央的磁极部、位于其周围的有底圆筒状的磁轭部以及卷绕于所述磁极部的线圈，在所述磁轭部的敞开端以密封状态安装有所述袋体，在所述袋体中填充有所述改性磁性流体。

在第2发明的把持机构中，优选所述改性磁性流体对于所述袋体的填充率是40％～70％。

另外，在第2发明的把持机构中，优选所述袋体为带凸缘的半球状。

第3发明的把持装置将以上说明的第2发明的把持机构安装于机器人手臂的前侧。另外，第4发明的把持装置将以上说明的第2发明的把持机构分别设置在能够控制间隔的机器人的夹持部而使其对置。

发明效果

第1发明的改性磁性流体因为在以往的磁性流体中混入比强磁性体微粒的尺寸大且比强磁性体微粒的比重小的非磁性粉体，因此整体的比重比以往的磁性流体小。而且，当向该改性磁性流体施加磁场时，尺寸较大的非磁性粉体作为骨料发挥作用，改性磁性流体的磁化时的保持力、剪切强度变大。

在第1发明的改性磁性流体中，在由玻璃、塑料或者陶瓷的粉末构成非磁性粉体的情况下，能够使非磁性粉体变轻并且能够容易获得粒整齐的非磁性粉体，能够使改性磁性流体的物理性质更均匀化。

另外，在使非磁性粉体成为球状的情况下，在由发泡塑料构成非磁性粉体的情况下，进一步减轻改性磁性流体的比重，物理性质也均匀化。

第2发明的把持机构使用以上所述的第1发明的改性磁性流体，因为具有收纳有改性磁性流体的具有柔性的袋体、配置于袋体的一侧而能够向袋体施加磁场的电磁铁，因此能够将对象物的一部分或者全部保持其形状而把持。

尤其，在第2发明的把持机构中，在使改性磁性流体对于袋体的填充率为40％～70％的情况下，因为能够在袋体的表面形成凹凸，因此容易嵌入对象物，若尺寸在一定的范围内，则能够把持任意的对象物。

而且，第3发明的把持装置因为将以上说明的第2发明的把持机构安装于机器人手臂的前侧，因此使把持机构自由地活动并且能够改变其姿势。

附图说明

图1(A)是本发明的一个实施例的把持机构的立体图，(B)是该把持机构的主剖视图。

图2(A)是该把持机构的电磁铁的立体图，(B)是该把持机构的电磁铁的剖视图。

图3是将该把持机构安装于多关节机器人的机器人手臂的把持装置的立体图。

图4(A)是示出改性磁性流体中的磁性流体(MR流体)的比例与把持力的关系的曲线图，(B)是示出非磁性粉体的微粒尺寸与保持力的关系的曲线图。

图5(A)是改性磁性流体的操作说明图，(B)是以往例的磁性流体的操作说明图。

图6是示出非磁性粉体的种类和尺寸与保持力的关系的曲线图。

图7是对置地配置该把持机构的其它把持装置的立体图。

图8是以往例的把持机构(机械爪)的剖视图。

具体实施方式

接着，参照附图对使本发明具体化的实施例进行说明。如图1(A)、(B)所示，本发明的一个实施例的把持机构10具有：袋体12，其收纳有改性磁性流体11，且具有柔性；以及电磁铁13，其配置于袋体12的一侧(在本实施例中是上侧)，并向袋体12施加磁场。

如图2(A)、(B)所示，电磁铁13具有：磁极部15，其由配置于中央的磁性材料构成；磁轭部16，其由位于磁极部15的周围的有底圆筒状的磁性材料构成；线圈17，其卷绕于磁极部15；以及磁极板部15a，其设置于磁极部15的敞开端，且直径比磁极部15大。袋体12由硅橡胶等耐油性、非磁性且具有柔性的橡胶片或者塑料片构成，该袋体12具有半球部18和与半球部18的端部一体地设置的凸缘部19，成为带凸缘的半球状片。半球部18的直径D优选是30mm～80mm左右，但由于根据所把持的对象物而不同，因此本发明不限于该数字。此外，袋体12的厚度例如是0.3mm～2mm左右。

而且，袋体12通过夹持凸缘部19的第1、第2安装部件22、23设置于电磁铁13的下部。即，第1安装部件22螺旋紧固于磁轭部16的下端，第1安装部件22与第2安装部件23隔着凸缘部19而用多个螺栓24连结。由此，袋体12以密封状态安装于磁轭部16的敞开端。

在袋体12中收纳有本发明的一个实施例的改性磁性流体11。改性磁性流体11的收纳量(填充率)成为使袋体12的半径R的半球部18充分膨胀的状态(体积V＝2πR³/3)的40％～70％的范围。在改性磁性流体11的量比该范围少的情况下，改性磁性流体11的整体量不足，在改性磁性流体11的量比该范围多的情况下，袋体12的把持空间变少，但改性磁性流体11的量也能够根据用途而超过该范围。

改性磁性流体11是通过在通常的磁性流体中混合非磁性粉体来制造的，在通常的磁性流体中，强磁性体微粒以分散状态存在于基液中。通常的磁性流体如前述所述那样是由磁铁矿、锰锌铁氧体等强磁性体微粒和覆盖其表面的表面活性剂、基液(例如水、异链烷烃、烷基萘或者其它的油)构成的磁性胶体液。强磁性体微粒的直径是10nm左右，10nm～200μm，更优选是100μm～200μm左右。

非磁性粉体的尺寸比强磁性体微粒大且比重较小，在本实施例中，使用了作为发泡塑料的一例的发泡聚苯乙烯的粒子。

在图4(A)中示出改变了磁性流体(使用了MR流体)与非磁性粉体的容积比例的情况下的袋体12的保持力，在图4(B)中示出在使磁性流体与非磁性粉体的比例为1比1的情况下的非磁性粉体的尺寸与袋体12的把持力之间的关系。在此，非磁性粉体的容积是表观容积。通过图4(A)得知，当改性磁性流体中的磁性流体的比例处于40％～80％的范围内时，改性磁性流体的保持力较大。另外，根据图4(B)得知，非磁性粉体的粒径在2mm以下时具有较大的保持力。

图4(B)示出当非磁性粉体的粒径是0.5mm时保持力为最大值，若比强磁性体微粒的直径大(例如5倍以上即50nm以上)，则可以认为发挥充分的把持力。

在图5(A)中示出使用了改性磁性流体11的非磁场状态和磁场状态。在未施加磁场的状态下，磁性流体27(基液与强磁性体微粒25的混合液)与非磁性粉体26自由地混合，若施加磁场，则强磁性体微粒25接合，非磁性粉体26作为骨料发挥作用，可以认为该保持强度和剪切强度变大。

在图5(B)中，为了进行比较而示出在使用了以往的磁性流体27的情况下的非磁场状态与磁场状态的举动。在非磁场状态下，强磁性体微粒25自由地移动，在磁场状态下，强磁性体微粒25连接，因为不作为骨料发挥作用，因此估计为磁性流体27的把持强度或剪切力不大。

此外，图5(A)、(B)是用于说明的示意图，实际上，强磁性体微粒25、非磁性粉体26的密度更密。

在图6中示出改变了使用了磁性流体(MR流体)的改性磁性流体的非磁性粉体的种类和尺寸的情况下的把持力。示出碳微球(商标名，ニカビーズ)0.0221mm具有较强的保持力，即使是发泡聚苯乙烯0.5mm也有充分的把持力。

图3示出使用了如以上所说明的把持机构10的把持装置30，在多关节机器人31的机器人手臂32的前侧安装有把持机构10。由此，使把持机构10自由地改变特定的位置、角度进行移动来把持对象物。即，使把持机构10的袋体12覆盖在对象物上，使对象物的一部分或者全部进入袋体12的凹坑，对电磁铁13通电来磁化改性磁性流体11。此外，电磁铁13优选强磁性体微粒是不磁性饱和程度的较强磁铁(例如，0.05～0.3T)，并根据用途而能够从较弱的磁场到较强的磁场都能够应用。

由此，改性磁性流体11因为能够保持把持状态，因此能够用机器人手臂32使对象物移动。在使对象物移动到规定的场所后，解除电磁铁13的通电，使袋体12的形状恢复自由，能够将对象物置于规定的位置。

在图7中示出在能够用马达或者液压缸等改变间隔的机器人的夹持部34、35上分别安装把持机构10使把持机构10对置的把持装置36。使用把持机构10的袋体12从两侧夹持对象物，对电磁铁13通电，从而能够将对象物保持在成对的把持机构10之间。在图7中，37表示将把持装置36安装于机器人手臂等的安装凸缘，38表示外壳，39表示操作把手。

本发明不限于前述的实施例，能够在不变更本发明的主旨的范围内变更其结构。例如，在所述实施例中，作为非磁性粉体而使用了发泡聚苯乙烯，但能够使用其它的发泡塑料、非发泡塑料、玻璃、陶瓷的粉末(准确地说是集合微粒)、碳微粒等。

另外，也能够根据用途自由地改变电磁铁的形状、袋体的形状。

产业上的可利用性

本发明的改性磁性流体除了前述那样的把持机构之外，也能够用于磁性流体密封件(旋转轴的密封件)、阻尼器、扬声器、传感器、比重差分离等。另外，把持机构和把持装置能够在工厂那样的特殊的场所用于输送机、致动器等。

标号说明

10：把持机构；11：改性磁性流体；12：袋体；13：电磁铁；15：磁极部；15a：磁极板部；16：磁轭部；17：线圈；18：半球部；19：凸缘部；22：第1安装部件；23：第2安装部件；24：螺栓；25：强磁性体微粒；26：非磁性粉体；27：磁性流体；30：把持装置；31：多关节机器人；32：机器人手臂；34、35：夹持部；36：把持装置；37：安装凸缘；38：外壳；39：操作把手。

Claims (5)

1.一种使用改性磁性流体的把持机构，其具有：具有柔性的袋体；电磁铁，其配置于所述袋体的一侧而能够向所述袋体施加磁场；以及改性磁性流体，其填充于所述袋体内，所述电磁铁具有中央的磁极部、位于其周围的有底圆筒状的磁轭部以及卷绕于所述磁极部的线圈，所述袋体以密封状态安装于所述磁轭部的敞开端，其特征在于，

所述改性磁性流体是通过在具有基液和强磁性体微粒的磁性流体中混入如下的非磁性粉体而成的，其中该非磁性粉体的尺寸比所述强磁性体微粒的尺寸大，粒径是2mm以下，且比所述强磁性体微粒的比重小，而且，所述改性磁性流体中的所述磁性流体的比例在40％～80％的范围内，且所述改性磁性流体对于所述袋体的填充率在40％～70％的范围内。

2.根据权利要求1所述的使用改性磁性流体的把持机构，其特征在于，

在所述磁极部的敞开端设置有磁极板部，该磁极板部的直径比所述磁极部的直径大。

3.根据权利要求1所述的使用改性磁性流体的把持机构，其特征在于，

所述磁性流体是所述强磁性体微粒的直径在100μm～200μm的范围内的MR流体。

4.一种把持装置，其特征在于，

将权利要求1～3中任意一项所述的使用改性磁性流体的把持机构安装于机器人手臂的前侧。

5.一种把持装置，其特征在于，

将权利要求1～3中任意一项所述的使用改性磁性流体的把持机构分别设置在能够控制间隔的机器人的夹持部而使其对置。