CN109230524B - 一种柔性抓捕机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及目标抓捕技术领域，具体公开一种柔性抓捕机构，具体包括柔性囊器件、相变磁流变材料、表面微结构、电磁铁、加热结构、活塞结构及支撑结构；所述相变磁流变材料填充于所述柔性囊器件的内部；所述表面微结构设置于所述柔性囊器件的上端外表面；所述加热结构设置于所述柔性囊器件的内部；所述活塞结构设置于所述柔性囊器件的下端，可沿所述柔性囊器件的上下端方向轴向运动；所述支撑结构用于支撑所述柔性囊器件；通过所述活塞结构与所述支撑结构将所述柔性囊器件密封。本发明提供一种新型抓捕机构，可有效的针对不同形状、表面及运动特性的抓捕目标实施抓捕。

Description

一种柔性抓捕机构
技术领域
本发明涉及目标抓捕技术领域，特别涉及一种柔性抓捕机构。
背景技术
目前特种环境下对所探索目标的抓捕成功率是完成探索任务的重要保证。传统接触式操控受限于接触方法，对连接目标的结构与表面特性有着严格的要求，无法满足对未知目标(表面特性未知、运动特性未知、惯量参数未知)的操控需求。因此开展不依赖于目标特性的柔性抓捕机构的研究，解决针对不同表面特性(粗糙度、结构特性)、不同运动特性、可变惯量特性目标的稳定抓捕问题，有着非常重要的工程意义。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种新型柔性抓捕机构。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种柔性抓捕机构，所述柔性抓捕机构包括柔性囊器件、相变磁流变材料、表面微结构、电磁铁、加热结构、活塞结构及支撑结构；所述相变磁流变材料填充于所述柔性囊器件的内部；所述表面微结构设置于所述柔性囊器件的上端外表面；所述加热结构设置于所述柔性囊器件的内部；所述活塞结构设置于所述柔性囊器件的下端，可沿所述柔性囊器件的上下端方向轴向运动；所述支撑结构用于支撑所述柔性囊器件；通过所述活塞结构与所述支撑结构将所述柔性囊器件密封。
一些实施例中，所述相变磁流变材料具有温度相变效应，可根据温度变化而发生固态与液态的相互转换，最低相变温度大于等于20℃。
一些实施例中，所述柔性囊器件的上端包括半球部，所述表面微结构设置于所述半球部的外表面。
一些实施例中，所述柔性囊器件的材质为柔性材料。
一些实施例中，所述柔性囊器件的材质为弹性模量大于1MPa，伸展率大于50％的橡胶类材料。
一些实施例中，所述表面微结构包括具有微纤维阵列结构的仿生柔性薄膜。
一些实施例中，所述微纤维的尺度为微米量级。
一些实施例中，所述电磁铁为多个，多个电磁铁分布于所述柔性囊器件的外表面四周。
一些实施例中，所述加热结构为加热棒，所述加热棒安装于所述支撑结构上，被所述相变磁流变材料包围。
一些实施例中，所述加热棒为多个。
本发明的有益效果在于：本发明通过在囊器件内部填充相变磁流变材料，利用相变磁流变材料的磁流变效应，可在抓捕过程中快速响应并改变材料刚度提高抓捕力；利用相变磁流变材料的温度相变效应，抓捕过程中提高温度场降低刚度，在抓捕结束后降低温度场提高刚度增加抓捕力同时可降低能耗。同时，本发明通过在柔性囊器件上粘贴表面微结构，微结构在微观尺度下产生范德华力，从而可以对与其接触的抓捕目标表面产生粘附力；通过下端的活塞机构的轴向运动，对流体状态下的相变磁流变材料进行挤压，从而实现从目标表面的脱离。本发明的柔性抓捕机构可有效的针对不同形状、表面及运动特性的抓捕目标实施抓捕。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的柔性抓捕机构的结构示意图。
图2为根据本发明一个实施例的柔性抓捕机构工作过程的结构示意图。
附图标记：
相变磁流变材料1、柔性囊器件2、表面微结构3、加热结构4
电磁铁5、活塞结构6、支撑结构7
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
首先参考图1所示，为本发明具体实施方式中提供的一种柔性抓捕机构，柔性抓捕机构包括柔性囊器件2、相变磁流变材料1、表面微结构3、电磁铁5、加热结构4、活塞结构6及支撑结构7；相变磁流变材料1填充于柔性囊器件2的内部；表面微结构3设置于柔性囊器件2的上端外表面；加热结构4设置于柔性囊器件2的内部；活塞结构6设置于柔性囊器件2的下端，可沿柔性囊器件2的上下端方向轴向运动；支撑结构7为承载部件，外轮廓可为圆柱形或为其他形状，通过螺钉安装孔以及螺钉等方式与柔性抓捕机构中的其他部分连接；支撑结构7用于支撑柔性囊器件2，并通过压片和螺钉进行固定与密封处理。具体的，活塞结构6与支撑结构7连接，活塞结构6的活塞上表面与相变磁流变材料1接触，与支撑结构7一起对柔性囊器件2进行密封处理，形成内部腔体；优选的实施方式中，活塞结构6还包括活塞动力源，使得活塞结构6能够沿柔性囊器件2的上下端方向轴向运动。
本发明具体实施方式中，柔性囊器件2的材质选自延展性较好的柔性材料，柔性囊器件2根据外界环境的特性不同可以选择不同的高延展性材料，具体可为弹性模量大于1MPa，伸展率大于50％的橡胶类材料等等。表面微结构3可以粘贴于柔性囊器件2的上端外表面；优选的实施方式中，柔性囊器件2的上端包括半球部，表面微结构3设置于半球部的外表面，使得本发明的柔性抓捕机构在抓捕目标时的适应性更强。所用到的相变磁流变材料1不同于传统的磁流变材料，本发明的相变磁流变材料1具有温度相变效应，可根据温度变化而发生固态与液态的相互转换，最低相变温度大于等于20℃；即本发明的相变磁流变材料1不仅具有磁流变效应，还可以在低温时发生相变，转化为类固态，能够利用相变固化，大幅度提高材料的模量，而不需要外界磁场加载。具体的，相变磁流变材料1可根据相变基底材料的选择不同而在不同的相变温度点发生相变，转化为类固态。本发明创造性的将相变磁流变材料1填充于柔性囊器件2的腔体内部，使得柔性囊器件2可以根据温度场和磁场的变化进行刚度变化，更好的实现对不同形状、不同表面目标的抓捕，适应性更强。
具体实施方式中，表面微结构3可以包括小尺寸的具有微纤维阵列结构的仿生柔性薄膜，其中，微纤维的尺度为微米量级，每个微纤维尺度在微米量级，与壁虎脚趾上的刚毛类似，可形成范德华力，提供对抓捕目标的粘附力。具体的，表面微结构3可由ST-1060环氧树脂胶等聚合物通过光刻法制备成型。
具体实施方式中，电磁铁可如图1中所示为两个，分别设置在柔性囊器件2的左下端和右下端，具体安装于支撑结构7的下端，用来提供产生磁流变效应所需要的外加磁场；优选的实施方式中，电磁铁还可以为多个，多个电磁铁分布于柔性囊器件2的外表面四周，更好的提供产生磁流变效应所需要的外加磁场。
具体实施方式中，加热结构可为加热棒，也可为其他形式的加热结构，如图1中所示为两个加热棒4，分别安装在支撑结构7上，位于柔性囊器件2的腔体内部，也位于相变磁流变材料1内，即被相变磁流变材料1所包围，用于给相变磁流变材料1提供变化的温度场；优选的实施方式中，加热棒可以为多个，更好的给相变磁流变材料1提供变化的温度场。
本发明的柔性抓捕机构是一种新型的软体随形柔性抓捕机构，通过在囊器件内部填充相变磁流变材料，利用相变磁流变材料的磁流变效应，可在抓捕过程中快速响应并改变材料刚度提高抓捕力；利用相变磁流变材料的温度相变效应，抓捕过程中提高温度场降低刚度，在抓捕结束后降低温度场提高刚度增加抓捕力同时可降低能耗。同时，本发明通过在柔性囊器件上粘贴表面微结构，微结构在微观尺度下产生范德华力，从而可以对与其接触的抓捕目标表面产生粘附力；通过下端的活塞机构的轴向运动，对流体状态下的相变磁流变材料进行挤压，从而实现从目标表面的脱离。本发明的柔性抓捕机构可有效的针对不同形状、表面及运动特性的抓捕目标实施抓捕。
本发明的柔性抓捕机构具体的工作过程如图2所示，抓捕随形过程中，加热棒4处于加热状态，相变磁流变材料1流体状态；活塞结构6向下运动，增强腔体柔性；柔性抓捕机构和目标物体接触并发生自适应随形变形，实现对目标物体的粘附及夹持。抓捕随形过程结束后，通过电磁铁5施加外界磁场，相变磁流变材料1在磁场作用下模量增加，起到了固型的作用，能够保持粘附材料和目标物体表面的良好接触，同时提高了夹持刚度。相变磁流变材料1固化适用于对夹持刚度要求不高，且仅需要短时连接时。当需要更高的夹持刚度或需要长期夹持时，停止加热并通过散热等措施令柔性囊器件2内部腔体温度下降，使得相变磁流变材料1发生相变固化，导致其模量进一步增加，加强固型效果，进一步提高夹持刚度。利用相变进行固化后不需要外界磁场，可实现无功耗的长期夹持，有利于后续操作。脱离时，加热棒4重新加热，相变磁流变材料1恢复液化状态，不施加外界磁场，保证液体处于模低量状态。活塞机构6向上移动，将液化状态的相变磁流变材料1挤入到柔性囊器件2内部腔体中。柔性囊器件2在液体挤压作用下，将恢复到原有形状，迫使其从目标表面撕离，通过该方式，即可实现对目标物体的脱离。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种柔性抓捕机构，其特征在于，所述柔性抓捕机构包括柔性囊器件、相变磁流变材料、表面微结构、电磁铁、加热结构、活塞结构及支撑结构；所述相变磁流变材料填充于所述柔性囊器件的内部；所述表面微结构设置于所述柔性囊器件的上端外表面；所述加热结构设置于所述柔性囊器件的内部；所述活塞结构设置于所述柔性囊器件的下端，可沿所述柔性囊器件的上下端方向轴向运动；所述支撑结构用于支撑所述柔性囊器件；通过所述活塞结构与所述支撑结构将所述柔性囊器件密封；
所述相变磁流变材料具有温度相变效应，可根据温度变化而发生固态与液态的相互转换，最低相变温度大于等于20℃；
所述表面微结构包括具有微纤维阵列结构的仿生柔性薄膜，所述微纤维的尺度为微米量级，由ST-1060环氧树脂胶通过光刻法制备成型。
2.如权利要求1所述的柔性抓捕机构，其特征在于，所述柔性囊器件的上端包括半球部，所述表面微结构设置于所述半球部的外表面。
3.如权利要求1所述的柔性抓捕机构，其特征在于，所述柔性囊器件的材质为柔性材料。
4.如权利要求1所述的柔性抓捕机构，其特征在于，所述柔性囊器件的材质为弹性模量大于1MPa，伸展率大于50％的橡胶类材料。
5.如权利要求1所述的柔性抓捕机构，其特征在于，所述电磁铁为多个，多个电磁铁分布于所述柔性囊器件的外表面四周。
6.如权利要求1所述的柔性抓捕机构，其特征在于，所述加热结构为加热棒，所述加热棒安装于所述支撑结构上，被所述相变磁流变材料包围。
7.如权利要求6所述的柔性抓捕机构，其特征在于，所述加热棒为多个。
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