CN108687794B - 形状记忆合金驱动的静电吸附柔性抓手 - Google Patents

形状记忆合金驱动的静电吸附柔性抓手 Download PDF

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Abstract

本发明的一种形状记忆合金驱动的静电吸附柔性抓手，包括手掌座、设置于所述手掌座的多个弹性手指和一一对应连接于所述弹性手指的SMA弹簧；各所述弹性手指在自由状态合拢；所述SMA弹簧通电后可向外拉动各个与其连接的弹性手指，使所述弹性手指张开；所述弹性手指包括采用硅胶固化成型的手指体和内嵌于所述手指体内的弹性筋条，所述弹性手指还包括设置于所述手指体内侧抓取面上的蠕虫‑梳状电极，本发明通过形状记忆合金弹簧的收缩和释放，带动弹性内筋和硅胶手指的弹性变形来实现柔性抓手的张开和闭合，并结合梳状电极的静电吸附力实现对抓取对象的柔顺贴合和平稳抓取。

Description

形状记忆合金驱动的静电吸附柔性抓手
技术领域
本发明涉及柔性抓手领域，特别涉及一种通过形状记忆合金弹簧的收缩和释放，带动弹性内筋和硅胶触手的弹性变形来实现柔性抓手的张开和闭合，并结合梳状电极的静电吸附力实现对抓取对象的柔顺贴合和平稳抓取。
背景技术
抓取装置是机器人最重要的工作装置之一，全驱动/欠驱动抓手、刚性/柔性抓手等在近年都得到了广泛的研究。抓取装置的最终目的应能够对不同形状和材料的物体实现安全、可靠抓取。传统的机械抓手仅能实现对一些特定形状和较小体积物体的抓取，结构复杂，通用性较差。柔性抓手就是一种有效的解决方案。
文献(Grasping without Squeezing:Shear Adhesion Gripper with FibrillarThin Film)提出了一种通过切向力来抓取物体的柔性抓手，能够实现对外形较大物体的抓取，但是抓手不能对物体实现主动包覆。文献(Analyzing of flexible gripper bycomputational intelligence approach)提出了一种单驱动的柔顺贴合抓手，能够对各种形状的物体实现柔顺贴合，但是抓手整体通过硅胶制成，抓取力较小。专利CN107671878A提出了一种仿鱼鳍结构的静电吸附式软体抓手，但是抓手整体结构较复杂，抗疲劳效果较差。
形状记忆合金是一种具有形状记忆效应的功能材料，具体表现为合金材料发生了塑性变形后，当合金材料被加热到某一温度之上时，就能够回复到变形前的形状。同时形状记忆合金具有形变率高、高驱动力、抗疲劳性好、抗腐蚀性好等诸多优点，非常适合用于自适应结构的驱动。基于此，提出一种形状记忆合金驱动的静电吸附柔性抓手。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是解决现有抓手结构控制复杂、柔顺贴合能力差、运动冲击力大等问题，提供一种利用形状记忆合金进行驱动的静电吸附柔性抓手，从而提高机器人末端执行器作业的通用性和可靠性。
本发明的形状记忆合金驱动的静电吸附柔性抓手，包括手掌座、设置于所述手掌座的多个弹性手指和一一对应连接于所述弹性手指的SMA弹簧；各所述弹性手指在自由状态合拢；所述SMA弹簧通电后可向外拉动各个与其连接的弹性手指，使所述弹性手指张开；
进一步，所述弹性手指包括采用硅胶固化成型的手指体和内嵌于所述手指体内的弹性筋条；
进一步，所述弹性手指还包括设置于所述手指体内侧抓取面上的蠕虫-梳状电极；
进一步，所述手指体内形成有多个可削减其弯曲刚度并增加手指贴合柔性的结构槽；
进一步，所述SMA弹簧连接于弹性手指底端与手掌座之间，且该SMA弹簧可布置于所述手指体外或内嵌于所述手指体内；
进一步，所述手掌座包括底板和设置于所述底板上的控制箱；所述控制箱内设有用于向所述SMA弹簧输出脉冲电压的脉冲电压发生器、用于向所述蠕虫-梳状电极输出设定电压的升压模块，以及为所述脉冲电压发生器和升压模块供电的电源；
进一步，所述蠕虫-梳状电极通过丝网漏印工艺制作，其包括硅胶膜基层、石墨电极和硅胶绝缘层；
进一步，所述手掌座为三叉星结构，三个所述弹性手指分别设置于手掌座的三个端部；
进一步，所述弹性筋条设有伸出手指体外的限位扣，该限位扣包括一凸缘和连接于凸缘与弹性筋条之间的短柱。
本发明的有益效果为：
1、本发明的弹性手指通过65Mn带材制作的弹性筋条提供弹性和回复力，使弹性手指具有优异的柔韧性和抗疲劳特性。
2、本发明的弹性手指张开动作的驱动部件为NiTi形状记忆合金弹簧(SMA 弹簧)，该弹簧通过脉冲电压驱动；SMA弹簧通电后，电流加热弹簧，使SMA弹簧收缩，拉动内嵌有弹性内筋的弹性手指弯曲，从而实现抓手张开；当施加低占空比或者零占空比电压后，SMA弹簧释放，弹性内筋复原，从而实现抓手闭合。
3、本发明的弹性手指的手指体采用硅胶固化一次成型，弹性筋条内嵌于硅胶手指体内，制作硅胶手指体的模具通过3D打印而成，成型时，将弹性筋条固定于模具相应位置，然后在模具型腔内加入硅胶，硅胶固化最终完成弹性手指的制作。本发明的弹性手指作业适应性好。SMA弹簧释放后，弯曲的弹性内筋复原过程中，将带动硅胶手指体柔顺贴合于抓取对象表面，硅胶手指体亦可通过自身的弹性变形增强贴合效果。
4、本发明的蠕虫－梳状电极通过丝网漏印的工艺制作，其结构分为三层：硅胶薄膜基层、石墨电极和硅胶绝缘层；梳状电极紧密贴合于硅胶触手内壁，在弹性手指柔顺贴合于抓取对象后，电极通电并在抓手和抓取对象之间产生静电吸附力，保证对多材料、复杂形状对象抓取的可靠性。特别的，本发明的梳状电极采用蠕虫-梳状电极，如图6所示，在其他条件相同情况下，蠕虫-梳状电极相对于对齿梳状电极具有更大的吸附力。并且因为没有复杂机械传动部件，对抓手箱体部分封装后可用于水下作业。
5.本发明的整体功耗低。抓手贴合并包覆抓取对象后，由内嵌于弹性手指内的弹性筋条提供抓取力，其他电子部件均处于待机状态，仅在电极上有少量电荷泄露而产生能量消耗，整体功耗低，适用于抓取时间较长等作业情况。
附图说明
图1为本发明的柔性抓手闭合状态的示意图；
图2为本发明的柔性抓手张开状态的示意图；
图3为本发明的柔性抓手的爆炸图；
图4为本发明的柔性抓手控制箱内的元器件布置示意图；
图5为本发明的硅胶手指体及弹性筋条的示意图；
图6为本发明的蠕虫-梳状电极的结构示意图；
图7为本发明的控制原理图；
图8为本发明的控制电路连接图。
具体实施方式
图1为本发明结构示意图，如图所示：一种形状记忆合金驱动的静电吸附柔性抓手，包括手掌座、设置于所述手掌座的多个弹性手指和一一对应连接于所述弹性手指的SMA弹簧5；各所述弹性手指在自由状态合拢；所述SMA弹簧5 通电后可向外拉动各个与其连接的弹性手指，使所述弹性手指张开；弹性手指可采用现有任意形式的、具有较强弹性形变能力的材料或结构，当SMA弹簧5 通电后，电流加热弹簧，使SMA弹簧5收缩，拉动弹性手指弯曲，从而实现抓手张开；当施加低占空比或者零占空比电压后，SMA弹簧5释放，弹性手指复原，从而实现抓手闭合。
在一个优选实施方案中，所述弹性手指包括采用硅胶固化成型的手指体6 和内嵌于所述手指体6内的弹性筋条9；利用65Mn带材制作的弹性筋条9提供弹性和回复力，使弹性手指具有优异的柔韧性和抗疲劳特性，手指体6通过硅胶固化一次成型，弹性筋条9内嵌于硅胶手指体6内，制作硅胶手指体6的模具通过3D打印而成，成型时，将弹性筋条9固定于模具相应位置，然后在模具型腔内加入硅胶，硅胶固化最终完成弹性手指的制作。
本实施方案中，所述手指体6内形成有多个可削减其弯曲刚度并增加其柔性的结构槽，弹性手指的手指体6的厚度从上往下逐渐减小，这种结构使手指体6形成等强度结构，并且在手指体6上从上往下形成多个梯形或三角形的结构槽，结构槽一方面能够减小手指体6的重量，减少硅胶原料用量，另一方面能够削减手指体6的弯曲刚度，减小弹性手指张开时所需的驱动力，并增加手指贴合抓取对象时的柔性。
本实施方案中，所述弹性筋条9设有伸出手指体6外的限位扣7，该限位扣 7包括一凸缘和连接于凸缘与弹性筋条9之间的短柱，限位扣7能够避免弹性筋条9从硅胶的手指体6中脱出，该限位扣7靠近手指体6下端设置，如图1和2 所示，所述SMA弹簧5一端连接于该限位扣7，另一端连接于手掌座；当然，该 SMA弹簧5还可以内嵌于所述手指体6内，这种结构的弹性手指未在说明书附图中示出，其成型方法与弹性筋条9相似，先将SMA弹簧5置于模具中，然后在填充硅胶原料直至硅胶固化。
在另一个优选实施方案中，在上一实施例的柔性抓手的基础上，在弹性手指的手指体6内侧抓取面上设置蠕虫-梳状电极8；如图6所示，在相同测试条件下，蠕虫-梳状电极8(图6)相对于对齿梳状电极具有更大的吸附力。
本实施方案中，所述蠕虫-梳状电极8通过丝网漏印工艺制作，其包括硅胶膜基层、石墨电极和硅胶绝缘层,通过蠕虫-梳状电极8通电后产生的静电吸附力，从而提升抓手的抓取力。
在另一个优选实施方案中，手掌座包括底板4和设置于所述底板4上的控制箱；底板4上设有固定连接SMA弹簧5上端的固定孔11，电极穿线孔12和内筋固定座10，内筋固定座10设有插槽，弹性手指的弹性筋条9上端可插入内筋固定座10的插槽内，实现弹性手指与底板4的连接，控制箱包括箱体3和封闭箱体3上端开口的顶盖1，顶盖1上固定连接耳板2，用于将本柔性抓手与机械臂等装置连接。所述控制箱内设有用于向所述SMA弹簧5输出脉冲电压的脉冲电压发生器13、用于向所述蠕虫-梳状电极8输出设定电压的升压模块15，以及为所述脉冲电压发生器13和升压模块15供电的电源14；如图7所示，电源14分别为升压模块15和脉冲电压发生器13提供电能，升压模块15输出端连接于每一弹性抓手上的蠕虫－梳状电极8，为蠕虫－梳状电极8提供工作电压；脉冲电压发生器13可向每一SMA弹簧5输出高占空比电压或零占空比电压，输入高占空比电压时，电流加热弹簧，使SMA弹簧5收缩，拉动内嵌有弹性内筋的弹性手指弯曲，从而实现抓手张开；当施加低占空比或者零占空比电压后，SMA弹簧5释放，弹性内筋复原，从而实现抓手闭合。
本实施方案中，所述手掌座为三叉星结构，三个所述弹性手指分别设置于手掌座的三个端部；这种形态的柔性抓手结构简单紧凑，抓取效果好。
最后说明的是，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。

Claims (6)

1.一种形状记忆合金驱动的静电吸附柔性抓手，其特征在于：包括手掌座、设置于所述手掌座的多个弹性手指和一一对应连接于所述弹性手指的SMA弹簧；各所述弹性手指在自由状态合拢；所述SMA弹簧通电后可向外拉动各个与其连接的弹性手指，使所述弹性手指张开；所述弹性手指包括采用硅胶固化成型的手指体和内嵌于所述手指体内的弹性筋条；所述SMA弹簧布置于所述手指体外；所述弹性筋条设有伸出手指体外的限位扣，该限位扣包括一凸缘和连接于凸缘与弹性筋条之间的短柱；所述SMA弹簧一端连接于该限位扣，另一端连接于手掌座；手掌座包括底板和设置于所述底板上的控制箱；底板上设有固定连接SMA弹簧上端的固定孔，电极穿线孔和内筋固定座，内筋固定座设有插槽，弹性手指的弹性筋条上端可插入内筋固定座的插槽内，实现弹性手指与底板的连接，控制箱包括箱体和封闭箱体上端开口的顶盖，顶盖上固定连接耳板，用于将本柔性抓手与机械臂连接。
2.根据权利要求1所述的形状记忆合金驱动的静电吸附柔性抓手，其特征在于：所述弹性手指还包括设置于所述手指体内侧抓取面上的蠕虫-梳状电极。
3.根据权利要求2所述的形状记忆合金驱动的静电吸附柔性抓手，其特征在于：所述手指体内形成有多个可削减其弯曲刚度并增加手指贴合柔性的结构槽。
4.根据权利要求3所述的形状记忆合金驱动的静电吸附柔性抓手，其特征在于：所述控制箱内设有用于向所述SMA弹簧输出脉冲电压的脉冲电压发生器、用于向所述蠕虫-梳状电极输出设定电压的升压模块，以及为所述脉冲电压发生器和升压模块供电的电源。
5.根据权利要求3所述的形状记忆合金驱动的静电吸附柔性抓手，其特征在于：所述蠕虫-梳状电极通过丝网漏印工艺制作，其包括硅胶膜基层、石墨电极和硅胶绝缘层。
6.根据权利要求1所述的形状记忆合金驱动的静电吸附柔性抓手，其特征在于：所述手掌座为三叉星结构，三个所述弹性手指分别设置于手掌座的三个端部。
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