CN110253612B - 一种软体静电吸盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软体静电吸盘，属于软体末端执行器领域。该装置包括：顶层模块，其包括由上至下依次附着的第一柔性绝缘层、第一环形电极、第一封膜、第二封膜和第二环形电极，第一封膜和第二封膜的中部和侧边密封连接，形成一闭合的第一环形容纳空间，第一环形容纳空间内设置有绝缘油液；底层模块，其包括由上至下依次附着的第五环形电极、第五封膜、第六封膜、底层电极和第二柔性绝缘层；第五封膜、第六封膜和第二柔性绝缘层上均开设有透气孔；其中，第二封膜与第五封膜之间相连接。本发明无需人力操作，使用较为方便。通过将静电吸附、负压吸附和软体材料相结合，可以保持较好的吸附力，因此对各种表面的适应性均较好。

Description

一种软体静电吸盘

技术领域

本发明涉及软体末端执行器领域，特别涉及一种软体静电吸盘。

背景技术

无论是日常生活，还是工业生产，吸盘的应用都随处可见。现有的吸盘主要有三类：采用软体材料制作的需要手部按压使其形变从而产生负压的普通吸盘、采用软体材料制作的需要外部气源进行抽气从而产生负压的气动吸盘、采用刚性材料制作的进行通电产生磁性来进行工作的电磁吸盘，但是它们都存在各自的局限性。局限性主要有以下几点：1.普通吸盘需要人手按压操作，没有气压驱动和电驱动方便，而且由于是人力驱动，因此一般吸附力较小，适应面较窄；2.气动吸盘使用时需要配备外接气泵，在某些领域，例如高层建筑物外表面，难以使用；3.电磁吸盘刚性较大，只能吸附精度较高的平面物体，需要待吸附物体为磁性金属，且其重量一般比较大，难以应用到微操作领域。

另外，在特种机器人领域中，常采用负压吸盘来实现机器人的固定，但是随着软体机器人的兴起，以及软体机器人对柔性、轻量化的吸附装置的要求，需要按压进行吸附的普通吸盘和刚性较大、需要连接气泵使用的气动吸盘已经无法达到其要求。同时，为了能使软体机器人在侦察、搜救等领域有更大的适应性，吸附装置就需要具有在更粗糙的表面进行稳定吸附的能力。传统的吸盘采用负压吸附的原理，需要通过手部按压、气泵抽气等方式减少吸盘内腔中的气体来增大内部负压，从而实现吸附，这就需要外力直接作用于吸盘表面或者需要外接一个气泵，十分不便。同时，这类吸盘对粗糙表面的适应能力主要取决于其唇边选用的材料，而仅仅采用材料的特性，通常能以实现吸盘唇边对粗糙表面的紧密贴合。

发明内容

本发明提供一种软体静电吸盘，使用方便、对粗糙表面适应性强，对待吸附物体的材料属性要求低。

一种软体静电吸盘，包括：

顶层模块，其包括由上至下依次附着的第一柔性绝缘层、第一环形电极、第一封膜、第二封膜和第二环形电极，所述第一封膜和所述第二封膜的中部和侧边密封连接，形成一闭合的第一环形容纳空间，所述第一环形容纳空间内设置有可流动绝缘介质，所述第一柔性绝缘层至少可以覆盖所述第一环形电极；

底层模块，其包括由上至下依次附着的第五环形电极、第五封膜、第六封膜、底层电极和第二柔性绝缘层，其中，所述底层电极包括第六环形电极和第七环形电极，所述第六环形电极和所述第七环形电极套设且彼此绝缘；所述第五封膜、所述第六封膜和所述第二柔性绝缘层上均开设有透气孔，所述第五封膜和所述第六封膜对应的内边和对应的侧边均密封连接，形成一闭合的第三环形容纳空间，所述第三环形容纳空间内设置有可流动绝缘介质；其中，

所述第二封膜与所述第五封膜之间相连接。

更优地，所述第七环形电极具有一开口，用于引出所述第六环形电极的连接部。

更优地，所述第一柔性绝缘层为PDMS绝缘层。

更优地，所述第二柔性绝缘层为PDMS绝缘层。

更优地，还包括若干中间模块，其包括由上至下依次附着的第三环形电极、第三封膜、第四封膜和第四环形电极，所述第三封膜和所述第四封膜上均开设有透气孔，所述第三封膜和所述第四封膜对应的内边和对应的外边均密封连接，形成一闭合的第二环形容纳空间，所述第二环形容纳空间内设置有可流动绝缘介质；其中，位于最上层的中间模块的第三封膜与所述第二封膜之间相连接，位于最下层的中间模块的第四封膜与所述第五封膜之间相连接，相邻的两个所述中间模块之间相连接。

更优地，所述第一环形电极、所述第二环形电极、所述第三环形电极、所述第四环形电极、所述第五环形电极、所述第六环形电极和所述第七环形电极均为导电油墨电极。

更优地，还包括铜箔贴片，所述第一环形电极、所述第二环形电极、所述第三环形电极、所述第四环形电极、所述第五环形电极、所述第六环形电极和所述第七环形电极均具有一连接部，所述铜箔贴片与所述连接部相配合，用于与外部电连接。

更优地，所述第一封膜、所述第二封膜、所述第三封膜和所述第四封膜均为热封膜。

更优地，所述第二封膜与所述第五封膜之间涂覆有硅胶，所述第二封膜与所述第五封膜之间通过硅胶相连接且连接部的投影位于所述第一环形电极、所述第二环形电极、所述第五环形电极和所述第六环形电极内。

更优地，所述第二封膜与所述第三封膜之间涂覆有硅胶，所述第四封膜与所述第五封膜之间涂覆有硅胶；所述第二封膜与所述第三封膜之间通过硅胶相连接，所述第四封膜与所述第五封膜之间通过硅胶相连接，且所述第二封膜与所述第三封膜之间的连接部以及所述第四封膜与所述第五封膜之间的连接部的投影均位于所述第一环形电极、所述第二环形电极、所述第三环形电极、所述第四环形电极、所述第五环形电极和所述第六环形电极内。

本发明提供一种软体静电吸盘，无需人力操作，使用较为方便。采用静电吸附使液体变形的原理实现吸盘内腔负压的产生，采用静电吸附使液体变形和静电吸附的原理，同时由于第二柔性绝缘层为柔性，对粗糙表面适应性强，待产生吸附力后，第二柔性绝缘层可以产生微观变形，封堵住粗糙表面的凹陷区，可以保持较好的吸附力，且由于是靠负压吸附，因此对各种材料的适应性均较好，不需要任何外力和气泵，仅通过电驱动就可以实现吸盘的吸附，使用方便。

附图说明

图1为本发明提供的一种软体静电吸盘的结构示意图；

图2为本发明提供的一种软体静电吸盘的爆炸结构示意图；

图3为图2中顶层模块的轴测图；

图4为图3的俯视图；

图5为图3的仰视图；

图6为图3的爆炸图；

图7为图2中中间模块的轴测图；

图8为图7的俯视图；

图9为图7的仰视图；

图10为图7的爆炸图；

图11为图2中底层模块的轴测图；

图12为图11的俯视图；

图13为图11的仰视图；

图14为图11的爆炸图；

图15为图1的俯视图；

图16为图15中A-A剖视图；

图17为顶层模块通电前的结构示意图；

图18为顶层模块通电后的结构示意图；

图19为中间模块通电前的结构示意图；

图20为中间模块通电后的结构示意图；

图21为底层模块通电前的结构示意图；

图22为底层模块通电后的结构示意图；

图23为图22中A处局部放大图；

图24为吸盘通电后整体的结构示意图。

附图标记说明：

10、顶层模块，11、第一柔性绝缘层，12、第一环形电极，121、第一连接部，13、铜箔贴片，14、第一封膜，15、绝缘油液a，16、第二封膜，17、第二环形电极，171、第二连接部，20、中间模块，21、第三环形电极，211、第三连接部，22、第三封膜，23、绝缘油液b，24、第四封膜，25、第四环形电极，251、第四连接部，30、底层模块，31、第五环形电极，311、第五连接部，32、第五封膜，321、透气孔，33、绝缘油液c，34、第六封膜，35、第六环形电极，351、第六连接部，36、第七环形电极，361、第七连接部，37、第二柔性绝缘层。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

实施例一：

如图3至图6和图11至图14所示，本发明实施例提供的一种软体静电吸盘，包括：

顶层模块10，其包括由上至下依次附着的第一柔性绝缘层11、第一环形电极12、第一封膜14、第二封膜16和第二环形电极17，其中第一封膜14和第二封膜16为PE热封膜，整体呈圆形结构，第一封膜14和第二封膜16的中心部位和侧边通过环形热压密封的方式连接，形成一闭合的第一环形容纳空间，第一环形容纳空间内设置有可流动的绝缘介质，本实施例以绝缘油液为例，当然也可以为其他具有流动性的绝缘介质，如绝缘凝胶等。热封时同时将绝缘油液a15注入。第一柔性绝缘层11覆盖第一环形电极12，以防止电击穿。其中，第一柔性绝缘层11为PDMS绝缘层，先采用丝网印刷的方式将导电油墨印刷到第一封膜14上，通过烘箱加热干燥形成形成第一环形电极12，而后采用平面涂布的方式，将液态PDMS涂布到第一封膜14上，使第一环形电极12位于第一封膜14和第一柔性绝缘层11之间，再通过烘箱加热干燥进行固化。第二环形电极17与第一环形电极12加工方式相同，将导电油墨采用丝网印刷的方式印刷到第二封膜16上，然后通过烘箱加热干燥固化。为了使第一环形电极12和第二环形电极17更好的与外部线缆相连接，印刷第一环形电极12和第二环形电极17时，使其各凸出一部分形成第一连接部121和第二连接部171，在第一连接部121和第二连接部171的位置分别粘贴铜箔贴片13，使铜箔贴片13与第一环形电极12和第二环形电极17之间电连接，涂布液态PDMS时，要求没过铜箔贴片13。

底层模块30，其包括由上至下依次附着的第五环形电极31、第五封膜32、第六封膜34、底层电极和第二柔性绝缘层37，其中，底层电极包括第六环形电极35和第七环形电极36，第六环形电极35和第七环形电极36套设且彼此绝缘；第五封膜32、第六封膜34和第二柔性绝缘层37上均开设有透气孔321，第五封膜32和第六封膜34对应的内边和对应的侧边均密封连接，形成一闭合的第三环形容纳空间，第三环形容纳空间内设置有绝缘油液c33。

其加工过程与顶层模块10相同，采用丝网印刷的方式将导电油墨印刷到第五封膜32上，其中第五封膜32、第六封膜34也均为PE热封膜，通过烘箱加热干燥形成第五环形电极31，第五环形电极31印刷时向外凸出形成有第五连接部311，再采用丝网印刷的方式将导电油墨印刷到第六封膜34上，通过烘箱加热干燥形成第六环形电极35和第七环形电极36，第六环形电极35和第七环形电极36印刷时向外凸出一部分形成形成第六连接部351和第七连接部361。此步骤印刷时，将第六环形电极35印刷成封闭的环形结构，将第七环形电极36印刷为具有开口的环形结构，第六环形电极35位于第七环形电极36内部，且两者之间具有一定的间隙，以防止两者之间导通。第六环形电极35上引出一第六连接部351，第六连接部351通过第七环形电极36上的开口引出，第七环形电极36上也相同的引出一第七连接部361，铜箔贴片13直接贴于第六环形电极35和第七环形电极36的连接部上。采用平面涂布的方式将液态PDMS涂布到第六封膜34上，要求没过铜箔贴片13，使第二柔性绝缘层37完全覆盖第六环形电极35和第七环形电极36，且第六环形电极35和第七环形电极36位于第二柔性绝缘层37和第六封膜34之间，通过烘箱加热干燥进行固化，第五封膜32和第六封膜34之间通过环形热封的方式在外圈和内圈各进行一次封口，同时将液态的绝缘油液c33注入到其中，形成类似于甜甜圈的结构。

其中，顶层模块10和底层模块30之间通过粘结的方式相连接。在第二封膜16和第五封膜32上涂覆有硅胶，涂覆位置在竖直方向上的投影位于第一环形电极12、第二环形电极17、第五环形电极31和第六环形电极35内，而后进行粘结。

实施例二：

在实施例一的基础上，如图1至图2和图7至图10所示，本实施例还包括中间模块20，其包括由上至下依次附着的第三环形电极21、第三封膜22、第四封膜24和第四环形电极25，第三封膜22和第四封膜24上均开设有透气孔，第三封膜22和第四封膜24对应的内边和对应的外边均密封连接，形成一闭合的第二环形容纳空间，第二环形容纳空间内设置有绝缘油液b，和实施例一类似，本实施例中的绝缘油液也可以替换为其他具有可流动性的绝缘介质，如绝缘凝胶等。其中，第三环形电极21上形成有第三连接部211，第四环形电极25上形成有第四连接部251，第三连接部211和第四连接部251上均粘贴有铜箔贴片13。其生产过程与实施例一种的顶层模块10和底层模块30相同。中间模块20如图7、8、9和图10所示，采用丝网印刷的方式将导电油墨印刷到第三封膜22上，通过烘箱加热干燥形成第三环形电极21，第三环形电极21印刷时向外凸出一部分形成第三连接部211，铜箔贴片13直接贴于第三连接部211，第三封膜22和第四封膜24之间通过环形热封的方式在外圈和内圈各进行一次封口，同时将液态的绝缘油液b23注入到其中，形成类似于甜甜圈的结构。

其中，顶层模块10、中间模块20和底层模块30之间通过粘结的方式相连接。具体为在第二封膜16与第三封膜22之间涂覆有硅胶，第四封膜24与第五封膜32之间涂覆有硅胶；而后通过硅胶进行粘合，硅胶涂覆的位置在竖直方向上的投影均位于第一环形电极12、第二环形电极17、第三环形电极21、第四环形电极25、第五环形电极31和第六环形电极35内。

在本实施例中，中间模块20可以为多个，当存在多个中间模块20时，也通过硅胶粘合的方式进行连接。也即最上方的中间模块20与顶层模块10的连接方式与上述相同，最下方的中间模块20与底层模块30之间的连接方式与上述相同，而相邻的两个中间模块20之间通过在相对应的封膜之间涂覆硅胶进行粘结，且涂覆位置同样的在竖直方向上的投影均位于第一环形电极12、第二环形电极17、第三环形电极21、第四环形电极25、第五环形电极31和第六环形电极35内。

具体工作时，以实施例二为例，实施例一的工作原理与实施例二相同。底层模块30顶部有第五环形电极31，与底层模块30底部的第六环形电极35共同接负极高压电，第七环形电极36接正极高压电，因此第五环形电极31与第七环形电极36上下对应，且分别为负正极高压电，两电极之间间隔有第五封膜32、第六封膜34和一定量的绝缘油c，可以防止电击穿。当通电时，如图21和图22所示，底层模块30的第五环形电极31与第七环形电极36通过静电力相互吸引，它们的上下间距会缩小，它们之间的绝缘油液c33会被压向静电场较小的部位(吸盘中心)，形成如图22的样子。

底层模块30的第五封膜32和第二柔性绝缘层37中间均开有通气孔，用于沟通上下气体，形成吸盘内腔。

中间模块20顶部和底部分别有第三环形电极21和第四环形电极25，上下对应，且分别连接正负极高压电，两电极之间间隔有第三封膜22、第四封膜24和一定量的绝缘油b，可以防止电击穿。如图19和图20所示，当通电时，中间模块20的第三环形电极21和第四环形电极25之间通过静电力相互吸引，它们的上下间距会缩小，它们之间的绝缘油液b23会被压向静电场较小的部位(吸盘中心)，由图19的状态变为图20所示的状态。

中间模块20的第三封膜22和第四封膜24中间均开有圆孔，用于沟通上下气体，形成吸盘内腔。

顶层模块10顶部和底部分别有第一环形电极12和第二环形电极17，上下对应，且分别为正负极高压电，两电极之间间隔有第一封膜14、第二封膜16和一定量的绝缘油a，可以防止电击穿。如图17和图18所示，当通电时，顶层模块10的第一环形电极12和第二环形电极17之间通过静电力相互吸引，它们的上下间距会缩小，它们之间的绝缘油液会被压向静电场较小的部位(吸盘中心)，由图17所示的状态变为图18所示的状态。

需要注意的是，当如实施例一中所示，仅有顶层模块10和底层模块30时，第一环形电极12接正极高压电、第二环形电极17接负极高压电，而第五环形电极31此时与第二环形电极17相接触，第五环形电极31也接负极高压电，以防止两个电极之间产生静电吸引力，影响顶层模块10和/或底层模块30的有效工作。而第六环形电极35接负极高压电，第七环形电极36接正极高压电。

但是当存在中间模块20时，需要遵循相互贴近或接触的电极接相同极性的高压电，相互绝缘的电极通不同极性的高压电。因此，在存在多个中间模块20时，中间模块20的连接可能会存在上下颠倒再与其他模块之间连接的情况。以便能够满足相互贴近或接触的电极接相同极性的高压电，相互绝缘的电极通不同极性的高压电这一原则。以本实施中五个中间模块20为例。此时顶层模块10反向安装，也即第二环形电极17在上，第一环形电极12在下。由上至下，而第一个中间模块20，正向安装，第二个中间模块20，反向安装，以便第一个中间模块20接正极高压电的第三环形电极21能够与顶层模块10的接正极高压电的第一环形电极12相接触，而第一个中间模块20接负极高压电的第四环形电极25能够与第二个中间模块20上接负极高压电的第四环形电极25相接触，同理，第三个中间模块20正向安装，第四个中间模块20反向安装，第五个中间模块20正向安装，以便能够使得第五个中间模块20上接负极高压电的第四环形电极25能够与底层模块30上接负极高压电的第五环形电极31相接触。当然，上述安装连接方式也可以通过改变电极极性的方式来保证上述原则，从而无需对中间模块20或顶层模块10进行颠倒安装。两者方式只要满足相互贴近或接触的电极接相同极性的高压电，相互绝缘的电极通不同极性的高压电这一原则即可。

本实施例中中间模块20为五个，中间模块20相互堆叠与一个顶层模块10和一个底层模块30共同形成这个吸盘，上一层模块的底部的电极应当与下一层模块的顶部的电极共同接入正极或负极高压电。

顶层模块10的上表面涂有由PDMS涂层构成的第一柔性绝缘层11，用于保护第一环形电极12，避免第一环形电极12外露造成意外伤害。

顶层模块10的第一封膜14、第二封膜16和第一柔性绝缘层11(图中所示不是孔，而是没有完全涂覆，仅需PDMS涂层覆盖第一环形电极12即可)均未开圆孔，因此，底层模块30、五个中间模块20与顶层模块10之间围成了一个吸盘内腔。同时，当按照要求通电时，由于它们的绝缘油腔发生形变，吸盘外围会向被吸附面运动，而吸盘中间部位会远离被吸附面运动，因此，吸盘内腔会放大，形成负压，使得吸盘由于大气压作用牢牢贴在被吸附面上。

当断电时，由于静电场消失，由于重力和压力的作用下，绝缘油腔会恢复到初始状态，同时，吸盘内腔恢复到初始状态，负压解除，可取下吸盘。

需要说明的是，图中所示仅为示意图，实际工作中，顶层模块10的上端面和底层模块30的下端面非水平，但变形量较小，图中所示水平仅为原理示意，并不能代表本方案需要实现上述水平状态。

当然实施例一和实施例二中，第一环形电极12、第二环形电极17、第三环形电极21、第四环形电极25、第五环形电极31和第六环形电极35的位置均为靠近第一封膜14、第二封膜16、第三封膜22、第四封膜24、第五封膜32和第六封膜34靠近外圆周的位置，使得当受到静电场力时，绝缘油液会向中心靠拢。但是在其他方式中，只要能够实现静电场力较大(相邻的两个环形电极对应的环形部分)的部分的绝缘油液向其他部分扩张，均可以实现本发明的技术方案，解决本发明所要解决的技术问题。实施例一和实施例二中，仅仅是列举其中的一种情况。

需要说明的是，底层模块中具有第六环形电极35和第七环形电极36，第六环形电极35或第七环形电极36中的某一个电极与上层电极相互吸引工作时，剩下的第七环形电极36或第六环形电极35同时也会产生静电吸附力，用于对整个吸盘进行辅助固定，因为吸盘在吸附初始时，内腔吸附力较小，吸盘不稳定，容易由于空隙的存在而导致空气进入，从而无法有效吸附。但是由于静电场的存在，即使没有产生负压的情况下，也可以依靠静电场的吸附力进行先行吸附，从而稳定整个软体吸盘，形成初步的吸附，封闭第二柔性绝缘层37与待吸附表面之间的间隙，从而在吸盘内腔扩大形成负压时，不会使空气进入，从而达到较好的吸附效果。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种软体静电吸盘，其特征在于，包括：

顶层模块，其包括由上至下依次附着的第一柔性绝缘层、第一环形电极、第一封膜、第二封膜和第二环形电极，所述第一封膜和所述第二封膜的中部和侧边密封连接，形成一闭合的第一环形容纳空间，所述第一环形容纳空间内设置有可流动绝缘介质，所述第一柔性绝缘层至少可以覆盖所述第一环形电极；

底层模块，其包括由上至下依次附着的第五环形电极、第五封膜、第六封膜、底层电极和第二柔性绝缘层，其中，所述底层电极包括第六环形电极和第七环形电极，所述第六环形电极和所述第七环形电极套设且彼此绝缘；所述第五封膜、所述第六封膜和所述第二柔性绝缘层上均开设有透气孔，所述第五封膜和所述第六封膜对应的内边和对应的侧边均密封连接，形成一闭合的第三环形容纳空间，所述第三环形容纳空间内设置有可流动绝缘介质；其中，

所述第二封膜与所述第五封膜之间相连接。

2.如权利要求1所述的一种软体静电吸盘，其特征在于，所述第七环形电极具有一开口，用于引出所述第六环形电极的连接部。

3.如权利要求1所述的一种软体静电吸盘，其特征在于，所述第一柔性绝缘层为PDMS绝缘层。

4.如权利要求1或2或3所述的一种软体静电吸盘，其特征在于，所述第二柔性绝缘层为PDMS绝缘层。

5.如权利要求1所述的一种软体静电吸盘，其特征在于，还包括若干中间模块，其包括由上至下依次附着的第三环形电极、第三封膜、第四封膜和第四环形电极，所述第三封膜和所述第四封膜上均开设有透气孔，所述第三封膜和所述第四封膜对应的内边和对应的外边均密封连接，形成一闭合的第二环形容纳空间，所述第二环形容纳空间内设置有可流动绝缘介质；其中，位于最上层的中间模块的第三封膜与所述第二封膜之间相连接，位于最下层的中间模块的第四封膜与所述第五封膜之间相连接，相邻的两个所述中间模块之间相连接。

6.如权利要求5所述的一种软体静电吸盘，其特征在于，所述第一环形电极、所述第二环形电极、所述第三环形电极、所述第四环形电极、所述第五环形电极、所述第六环形电极和所述第七环形电极均为导电油墨电极。

7.如权利要求5所述的一种软体静电吸盘，其特征在于，还包括铜箔贴片，所述第一环形电极、所述第二环形电极、所述第三环形电极、所述第四环形电极、所述第五环形电极、所述第六环形电极和所述第七环形电极均具有一连接部，所述铜箔贴片与所述连接部相配合，用于与外部电连接。

8.如权利要求5-7任意一项所述的一种软体静电吸盘，其特征在于，所述第一封膜、所述第二封膜、所述第三封膜和所述第四封膜均为热封膜。

9.如权利要求1所述的一种软体静电吸盘，其特征在于，所述第二封膜与所述第五封膜之间涂覆有硅胶，所述第二封膜与所述第五封膜之间通过硅胶相连接且连接部的投影位于所述第一环形电极、所述第二环形电极、所述第五环形电极和所述第六环形电极内。

10.如权利要求5所述的一种软体静电吸盘，其特征在于，所述第二封膜与所述第三封膜之间涂覆有硅胶，所述第四封膜与所述第五封膜之间涂覆有硅胶；所述第二封膜与所述第三封膜之间通过硅胶相连接，所述第四封膜与所述第五封膜之间通过硅胶相连接，且所述第二封膜与所述第三封膜之间的连接部以及所述第四封膜与所述第五封膜之间的连接部的投影均位于所述第一环形电极、所述第二环形电极、所述第三环形电极、所述第四环形电极、所述第五环形电极和所述第六环形电极内。

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