CN109955233A - 适用于多形状、多尺度物体的软加硬抓手 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于多形状、多尺度物体的“软加硬”抓手，抓手材料为形状记忆聚合物。其抓取‑释放方法为：抓取时，在外加载荷作用下，形状记忆聚合物转变到柔软的橡胶态，在该状态下将待抓取物体嵌入抓手或者将抓手嵌入待抓取物体中或抓手与待抓取物体表面贴合形成紧密接触；撤掉外加载荷，形状记忆聚合物抓手转变到硬的玻璃态，玻璃态的形状记忆聚合物将物体卡牢或粘附牢而实现拾取；释放时，在外加载荷作用下，形状记忆聚合物抓手恢复初始形状释放物体。本发明的抓手结构简单，无需复杂的控制系统；制备方便，成本低廉；适用于任意形状的和尺度物体的抓取，能同时抓取多个物体，经柔性结构设计后可以抓取较脆和软的物体。
Description
技术领域
本发明涉及一种抓手设计，尤其涉一种形状记忆聚合物“软加硬”抓手，可用于任意形状和尺度的物体的抓取-释放与操纵。
背景技术
工业、农业和科研中常常需要用到抓手来抓取和操纵物体，宏观尺度上有如流水线上产品的挑拣拆分、农产品采摘；微观尺度上有如微机/电系统元件的装配。这些应用需要抓取的物体形状、尺寸各异。
宏观尺度上(通常，大于1mm)，人手可以非常容易地完成对不同形状物体的抓取操纵，但是对于机械抓手来说要抓取不同形状的物体还是非常具有挑战性，需要在机械抓手上布置大量的力学、视觉等传感器并配备复杂的驱动器和控制算法。
通常，硬的机械抓手除非经过精细设计并配备复杂的控制系统，否则硬抓手在与物体接触的时候，冲击产生的机械波会损坏物体并导致物体偏离预定的路线。而使用软抓手可以很好地解决该问题。
通常，宏观尺度上的软抓手有多手指夹取方式(如可参见[1]Ilievski F,MazzeoA D, Shepherd R F,et al.Soft Robotics for Chemists[J].Angewandte Chemie,2011,50(8):1890-1895.，[2]Shintake J, Rosset S,Schubert B E,et al.Versatile SoftGrippers with Intrinsic Electroadhesion Based on Multifunctional PolymerActuators[J].Advanced Materials,2016,28(2):231-238.)和利用粘附力抓取的方式(如可参见 [3]Hawkes E W,Christensen D L,Han A K,et al.Grasping withoutsqueezing:Shear adhesion gripper with fibrillar thin film[C]//2015IEEEInternational Conference on Robotics and Automation(ICRA).IEEE,2015.)。多手指夹取方式通常需要较为复杂的结构和驱动设计，而利用粘附力抓取的软抓手结构简单，同时能适用于表面为平面到曲面的各种物体的抓取。
通常，依靠粘附力抓取的软抓手在抓取物体时，特别是在抓取具有复杂形状的物体时对抓手的模量存在一个矛盾的要求：一方面，抓手要足够软，以便与物体表面形成充分的接触而增加粘附力；另外一方面，抓手要足够硬以便增加抓取力。
通常，微观尺度上的抓手有静电吸附(可参加Hoxhold B,Wrege J,S.Bütefisch,et al. Tools for Handling and Assembling of Microparts[M]//Design andManufacturing of Active Microsystems.Springer Berlin Heidelberg,2011.)、微机械抓手夹取(可参见Hoxhold B,Wrege J,S.Bütefisch,et al.Tools for Handling andAssembling of Microparts[M]//Design and Manufacturing of ActiveMicrosystems.Springer Berlin Heidelberg,2011.)方式。这些抓手结构复杂，制备困难。
通常，现有的抓手，尺寸适用范围通常都有一定的限制，如微机械抓手，其可抓取物体的尺寸受限于微观的镊子的开合范围。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种适用于多形状、多尺度物体的“软加硬”抓手，抓手材料为形状记忆聚合物。具体的抓取-释放方法为：1)抓取时，在外加载荷的作用下，将形状记忆聚合物转变到柔软的低模量橡胶态，在该状态下将待抓取物体嵌入形状记忆聚合物抓手或者将形状记忆聚合物抓手嵌入待抓取物体中或形状记忆聚合物抓手与待抓取物体表面贴合形成紧密接触；撤掉外加载荷，形状记忆聚合物转变到硬的高模量玻璃态，玻璃态的形状记忆聚合物将物体卡牢或粘附牢而实现拾取；2)释放时，在外加载荷作用下，形状记忆聚合物恢复初始形状释放物体。
形状记忆聚合物，也被称为形状记忆高分子材料，具有橡胶态和玻璃态两种状态。
橡胶态下，形状记忆聚合物模量低(通常小于10MPa)，柔软易变形，因此能够很容易地把物体嵌入其中，或嵌入物体表面的结构中，或适应复杂形状的物体表面而形成良好接触。
玻璃态下，形状记忆聚合物模量高(通常为0.01–3GPa)，不容易变形，能够产生和承受较大的抓取力。外加载荷作用下，形状记忆聚合物可以从玻璃态转变为橡胶态，撤掉外加载荷后，形状记忆聚合物便可从橡胶态转变回玻璃态。
形状记忆聚合物具有临时形状保持效应。在外加载荷作用下变形的形状记忆聚合物，在撤掉外加载荷后会保持该变形的形状。因此在外加载荷作用下把物体嵌入形状记忆聚合物抓手或者将形状记忆聚合物抓手嵌入物体表面的结构中或将形状记忆聚合物与物体表面贴合形成紧密接触，再撤掉外加载荷，抓手便能保持该形状产生足够的抓取力来抓取物体。
形状记忆聚合物在外加载荷下可以转变模量，从“软”变到“硬”的效应和临时形状记忆效应，很好地解决了抓取具有复杂形状的物体时对抓手模量的矛盾要求。
形状记忆聚合物具有永久形状记忆效应。对于变形后的形状记忆聚合物，再次施加外加载荷，形状记忆聚合物便可以恢复其原来的形状(即初始形状)，从而把物体释放下来。
形状记忆聚合物通常使用液体状的前驱体固化的方法制备，便于加工成型，且原料成本低廉。
所述的形状记忆聚合物，可以使用但是不限于光驱动形状记忆聚合物、热驱动形状记忆聚合物、电驱动形状记忆聚合物、磁驱动形状记忆聚合物、化学作用驱动形状记忆聚合物或者是微波驱动形状记忆聚合物(可参见Wang W,Liu Y,Leng J,et al.Recentdevelopments in shape memory polymer nanocomposites:Actuation methods andmechanisms[J].Coordination Chemistry Reviews,2016:38-52.)。
所述的适用于多形状、多尺度物体的形状记忆聚合物“软加硬”抓手，根据使用的形状记忆聚合物的不同，所述的外加载荷可以是光、热、电、磁、化学作用或者微波驱动。
优选地，在所述的抓手上设计有柱状阵列结构，以减小抓手表面的刚度，便于外凸形状物体嵌入其中，减小抓取时抓手对物体的作用力，便于较脆和较软的物体的抓取。同时，由于柱状阵列中的每个形状记忆聚合物柱子之间没有连接，可以减小同时抓取多个物体时，不同物体之间的相互影响。
优选地，所述的柱状阵列结构，其高度与待抓取的物体的高度为同一个量级。
优选地，所述的柱状阵列结构中，在每一个柱子端部可以设计端板结构，以便进一步增加抓手与物体的接触而增加抓取力。
优选地，所述的适用于多形状、多尺度物体的形状记忆聚合物“软加硬”抓手，可以设计为中空壳体结构，以进一步增加抓手在橡胶态下的柔度，以便在较小的作用力下能与物体表面贴合形成紧密接触，便于较脆和较软的物体的抓取。此外，还可以向中空壳体结构中施加气压，在抓取物体时辅助抓手与物体表面进行贴合，在释放物体时辅助抓手与物体分离。
优选地，所述的抓手表面可进一步设计片状或者纤维状的微米阵列结构，微米阵列的高度通常为10-100um，以便增加抓手与粗糙表面的接触面积，从而增加抓取力。
本发明的有益效益是，抓手结构简单，抓取-释放过程简单可靠，无需复杂的控制系统；抓手制备方便，成本低廉；抓手能够适用于任意形状和尺度物体的抓取操纵，能同时抓取多个物体，经柔性结构设计后还可以抓取较脆和软的物体。
附图说明
图1是本发明中提出的使用形状记忆聚合物抓手抓取-释放任意形状的物体的原理示意图。
图2是本发明中提出的抓手表面柔性柱状阵列结构设计的示意图。
图3是本发明中提出的中空壳体结构抓手设计示意图。
图4是本发明中提出的，增加与粗糙表面接触面积的表面微米阵列结构设计示意图。
图5是本发明中提出的，使用形状记忆聚合物抓手抓取-移动-释放直径10mm的钢球的实施例展示图。
图6是本发明中提出的，使用形状记忆聚合物抓手抓取不同尺寸和形状的物体的实施例展示图。
图7是本发明中提出的，使用形状记忆聚合物抓手抓取平面物体的抓取力测试结果图。
图8是本发明中提出的，使用形状记忆聚合物抓手抓取-移动-释放100um大小的铁颗粒的实施例示意图。
图中:1-外加载荷；2-橡胶态形状记忆聚合物；3-外凸形状物体；4-玻璃态形状记忆聚合物；5-内凹形状物体；6-平面物体；7-表面柔性柱状阵列结构；8-带端板末端；9-固定背衬；10-三维结构物体；11-气压；12-粗糙表面；13-片状表面微结构；14-纤毛状表面微结构； 15-固定夹具；16-10mm钢球；17-热风枪；18-5mm钢球；19-M6螺钉；20-M6螺母；21-枣核；22-充电器；23-钢笔；24-钥匙；25-光滑玻璃；26-磨砂玻璃；27-微观铁颗粒。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的内容。
作为一个示例，但并不限制本发明的范围，图1是本发明中提出的使用形状记忆聚合物抓手抓取-释放任意形状的物体的原理示意图。
图1a展示了使用形状记忆聚合物抓手抓取外凸形状物体的流程。抓取外凸形状的物体时，首先在外加载荷作用下，将形状记忆聚合物转变到柔软的低模量状态，然后将外凸形状的物体嵌入形状记忆聚合物抓手中。撤销外加载荷后，形状记忆聚合物转变到硬的高模量玻璃态并保持该变形的状态，将物体固定在其中，依靠该固定的作用力，便可以抓取并操纵物体。需要释放时，再次施加外加载荷，形状记忆聚合物恢复其初始形状，从而将物体释放出来。
图1b展示了使用形状记忆聚合物抓手抓取内凹形状物体的流程。抓取内凹形状的物体时，首先在外加载荷的作用下，将形状记忆聚合物转变到柔软的低模量状态，然后将形状记忆聚合物嵌入物体表面的内凹结构中。撤销外加载荷后，形状记忆聚合物转变到硬的高模量玻璃态并保持该形状，嵌入部分的形状记忆聚合物将物体卡牢，依靠该卡牢的作用力，便可以抓取并操纵物体。需要释放时，再次施加外加载荷，形状记忆聚合物恢复其初始形状，从而将物体释放出来。
图1c展示了使用形状记忆聚合物抓手抓取平面物体的流程。抓取平面内物体时，首先在外加载荷的作用下，将形状记忆聚合物转变到柔软的低模量状态，然后将形状记忆聚合物抓手与平面物体贴合，施加压力保证抓手与物体表面形成紧密接触。撤销外加载荷后，形状记忆聚合物转变到硬的高模量玻璃态并保持该紧密的接触形状，依靠紧密接触产生的范德华粘附力和密封的负压力，便可以抓取并操纵物体。需要释放时，再次施加外加载荷，形状记忆聚合物恢复其初始形状，密封与紧密接触状态被破坏，粘附力减小，从而可以把物体释放下来。
通常，对于脆性和容易变形的物体的抓取，如鸡蛋、水果等，要求抓手对物体的作用力尽量地小，以避免抓手对物体造成破坏。
作为一个示例，但并不限制本发明的范围，图2是本发明中提出的抓手表面柔性柱状阵列结构设计的示意图，通过在抓手表面设计柔性柱状阵列结构，能够减小抓手表面的有效刚度，抓取的时候物体仅嵌入表面柔性柱状阵列结构中，从而减小抓手对物体的作用力，减小对物体的损伤。
此外，在抓取物体的时候，外凸的物体嵌入块状的形状记忆聚合物的抓手表面时，形状记忆聚合物表面会发生变形，从而在同时抓取多个物体的时候，这种表面的变形会相互影响(图2a)，导致物体在抓手中的有效包覆角和抓取力的减小。表面柱状的柔性结构设计，可以排除相邻两个物体之间的相互影响(图2b)。
优选地，在所述的柱状阵列结构中的每个柱子末端，可以增加端板结构(图2b中放大图)，增加抓手与物体之间的接触面积从而增加抓取力。
作为一个示例，但并不限制本发明的范围，图3是本发明中提出的中空壳体结构抓手设计示意图。中空壳体的抓手结构设计，以进一步增加抓手在橡胶态下的柔度，以便在较小的作用力下能与物体表面形成紧密接触，便于较脆和较软的物体的抓取(图3a-c)。
优选地，中空壳体形状记忆聚合物抓手可以固定在刚性固定背衬(如玻璃等)上，在抓取时候向其中施加气压(图3d，g)，以便抓手更好地与物体表面贴合形成紧密接触，从而在撤掉气压和外加载荷后，抓取物体的时候提供更大的抓取力(图3e，h)。释放时施加气压加快中空壳体形状记忆聚物抓手恢复原始形状，提高释放的速度与效率(图3f，i)。
通常，对于粗糙的表面，形状记忆聚合物即使在低模量的橡胶态下，也难以实现完全的紧密接触。
作为一个示例，但并不限制本发明的范围，图4是本发明中提出的，增加与粗糙表面接触面积的表面微米阵列结构设计示意图。在所述的抓手表面可设计片状或者纤维状的微米阵列结构，以便增加抓手与粗糙表面的接触面积，从而增加抓取力。
后续通过具体实例对本发明的工作过程做进一步说明，实施例中抓手使用热驱动环氧形状记忆聚合物来制备，其转变温度在40-50度之间，高于该转变温度时热驱动环氧形状记忆聚合物处于橡胶态，60℃时其模量低于2MPa；低于转变温度时，热驱动环氧形状记忆聚合物处于玻璃态，30℃时其模量高于700MPa。(可参见Voit W,Ware T,Dasari R R,etal.High- Strain Shape-Memory Polymers[J].Advanced Functional Materials,2010,20(1):162-171.)。
作为一个示例，但并不限制本发明的范围，图5是本发明中提出的，使用形状记忆聚合物抓手(长方体形状，60x 60x 5mm)抓取-移动-释放直径10mm的钢球的实施例展示图。
本实施例中，首先使用位移平台控制加热后处于柔软的橡胶态的形状记忆聚合物抓手接近钢球(图6a)，把钢球嵌入橡胶态的形状记忆聚合物抓手(图6b)，之后冷却形状记忆聚合物抓手将其转变到硬的玻璃态而把钢球卡在其中(图6c)，提起抓手便将钢球抓起(图6d)。移动钢球(图6e)到别处后，用热风枪加热形状记忆聚合物抓手表面，形状记忆聚合物抓手回复其初始形状而将钢球释放(图6f)。
作为一个示例，但并不限制本发明的范围，图7是本发明中提出的，使用形状记忆聚合物抓手抓取不同形状和尺寸的物体的实施例展示图。图中分别展示了形状记忆聚合物抓手抓取直径5mm的钢球(图6a)、直径10mm的钢球(图6b)、M6螺钉(图6c)、M6螺母(图 6d)、枣核(图6e)、充电器(图6f)、钢笔(图6g)、钥匙(图6h)等不同形状的物体，展示了该抓手的形状尺寸适应性。
作为一个示例，但并不限制本发明的范围，图7是本发明中提出的，使用形状记忆聚合物抓手抓取平面物体的抓取力测试结果图。形状记忆聚合物抓手(50mm x 50mm x15mm) 对于光滑的玻璃(表面粗糙度Ra＝0.019um)和表面磨砂的粗糙玻璃(表面粗糙度Ra＝2.2um) 分别能产生284.7N和204.2N的抓取力，展示了该抓手对于表面粗糙度的适应性以及强大的抓取力。
图8是本发明中提出的，使用形状记忆聚合物抓手抓取-移动-释放～100um大小的铁颗粒的实施例示意图。图中展示了使用直径为300um的形状记忆聚合物柱状抓手将一颗表面形状非常不规则的铁颗粒抓取-移动-释放的过程。
Claims (8)
1.一种适用于多形状、多尺度物体的“软加硬”抓手，其特征在于，所述的抓手为形状记忆聚合物。
2.根据权利要求1所述的适用于多形状、多尺度物体的“软加硬”抓手，其特征在于，所述的抓手表面设计有柱状阵列结构，所述的柱状阵列高度与待抓取的物体的高度为同一个量级。
3.根据权利要求2所述的适用于多形状、多尺度物体的“软加硬”抓手，其特征在于，所述的柱状阵列结构中柱子端部进一步地设计有端板结构。
4.根据权利要求1所述的适用于多形状、多尺度物体的“软加硬”抓手，其特征在于，所述的抓手为中空壳体结构。
5.根据权利要求1-4任一项所述的适用于多形状、多尺度物体的“软加硬”抓手，其特征在于，在所述的抓手表面还设计有片状或者纤维状的微米阵列结构，高度为10-100um。
6.根据权利要求1所述的适用于多形状、多尺度物体的“软加硬”抓手，其特征在于，所述的形状记忆聚合物，可以是光驱动、热驱动、电驱动、磁驱动、化学作用驱动或者是微波驱动的形状记忆聚合物。
7.应用如权利要求1-6任一项所述的“软加硬”抓手的抓取-释放方法，其特征在于，具体的抓取-释放方法为：1)抓取时，在外加载荷的作用下，将形状记忆聚合物转变到柔软的低模量橡胶态，在该状态下将待抓取物体嵌入形状记忆聚合物抓手或者将形状记忆聚合物抓手嵌入待抓取物体中或形状记忆聚合物抓手与待抓取物体表面贴合形成紧密接触；撤掉外加载荷，形状记忆聚合物转变到硬的高模量玻璃态，玻璃态的形状记忆聚合物将物体卡牢或粘附牢而实现拾取；2)释放时，在外加载荷作用下，形状记忆聚合物恢复初始形状释放物体。
8.根据权利要求7所述的“软加硬”抓手的抓取-释放方法，其特征在于，根据使用的形状记忆聚合物的不同，所述的外加载荷可以是光、热、电、磁、化学作用或者微波驱动。
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