CN110340933A - 一种基于4d打印成型的智能仿生抓取夹持装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于抓取夹持装置领域，并具体公开了一种基于4D打印成型的智能仿生抓取夹持装置。包括抓取夹持机体和温度调节机构，抓取夹持机体包括半圆背体、月牙抓取面以及机体棱底，半圆背体与所述月牙抓取面的两端通过两个机体棱底实现过度连接，进而构成一个可变形的空腔结构；温度调节机构设于所述空腔结构的内部，用于调节所述抓取夹持机体的温度，抓取夹持机体在不同温度的作用下发生马氏体相变而卷曲或展开，从而实现对工件进行抓取夹持或者展开释放。本发明利用4D打印技术获得智能仿生抓取夹持装置，通过温度调节机构调节温度，以实现抓取夹持机构在不同的温度下发生马氏体相变而卷曲或展开，从而实现对工件进行抓取夹持或展开释放。
Description
技术领域
本发明属于抓取夹持装置领域，更具体地，涉及一种基于4D打印成型的智能仿生抓取夹持装置。
背景技术
抓取夹持装置在工业生产中具有重要的重要，然而随着时代的发展，机械概念和机械领域的重新定义，传统的夹持夹紧装置已经远远不能满足现有或者未来的工业生产活动和智能化需求。生物在漫长的进化过程中与自然界恶劣环境抗争形成了多种优异功能和结构，为仿生提供了诸多蓝本。蟒蛇在捕猎时需要将猎物紧紧缠绕，致其呼吸衰竭或胸骨骨折而死，是极佳的抓取夹持装置仿生蓝本。传统的抓取夹持装置需要多机械结构联动，装配复杂。
4D打印技术是3D打印技术与智能材料相结合的产物，4D打印出的成品通过外界的刺激发生形状、性能和功能的变化，并辅以教学建模方法得以实现特定的改变，从而使其满足各个领域中的应用需求。在众多的形状记忆合金中，钛镍形状记忆合金具有优异的生物相容性，广泛应用于牙列矫正丝、脊柱矫形棒、髓内针/钉、血管成形环和手术用微型钳子等生物医疗领域。同时，利用其优良的形状记忆效应和超弹性，广泛应用于管路接头、管路固定、弹簧驱动装置、温度控制器、温度传感器触发器等领域；利用其高阻尼性能，广泛应用于振动控制构件、锥形阻尼器等领域；利用其优良的耐腐蚀性能，在化工、船舶零件等领域存在应用前景。但是，现有技术中，仿生的抓取夹持机构需要适应性的配合多个联动关节，因而，一方面使得抓取装置结构复杂，难以灵巧运动，另一方面，各个联动机构在温度调节方面难以相互适应，即有的关节已经弯曲，而有的关节还没有发生形变。同时，现有的抓取夹持机构在抓取过程中，由于形变量大，在多次抓取后容易产生疲劳和应力集中，从而发生弯折，使用寿命短。
因此本领域亟待提出一种新的仿生智能仿生抓取夹持装置，以适应仿生智能抓取夹持装置的发展需要。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于4D打印成型的智能仿生抓取夹持装置，其中结合仿生抓取夹持装置的自身的特征及4D打印技术的工艺特点，相应的设计了一种基于4D打印成型的智能仿生抓取夹持装置，并对其关键组件如抓取夹持机体中的半圆背体、月牙抓取面、机体棱底和温度调节机构的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可有效实现根据需要，对抓取夹持机体进行温度的适应性调节，以实现对工件的抓取夹持和放松，同时，为了避免抓取夹持机体在变形过程中产生疲劳和弯折，相应在设计了一个可变形的空腔结构，当在抓取时，智能抓取装置大曲率弯曲，空腔结构在大曲率弯曲过程中能够压缩减小，释放弯曲时所需要的材料挤压空间，有利于减少材料的结构应力。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种智能仿生抓取夹持装置，包括抓取夹持机体和温度调节机构；其中，
所述抓取夹持机体为采用具有记忆效应的镍钛合金通过4D打印成型的仿生蟒蛇形结构，其包括半圆背体、月牙抓取面以及机体棱底，所述半圆背体与所述月牙抓取面的两端通过两个所述机体棱底实现过度连接，进而，所述半圆背体、两个所述机体棱底以及所述月牙抓取面共同构成一个可变形的空腔结构；
所述温度调节机构设于所述空腔结构的内部，用于调节所述抓取夹持机体的温度，所述抓取夹持机体在不同温度的作用下发生马氏体相变而卷曲或展开，从而实现对工件进行抓取夹持或者展开释放。
进一步的，所述抓取夹持机体还包括增阻结构，该增阻结构设于所述半圆背体、月牙抓取面以及机体棱底的外表面；所述增阻结构多个鳞片，多个该鳞片设于所述半圆背体、月牙抓取面以及机体棱底的外表面，且与所述半圆背体、月牙抓取面以及机体棱底一体成型。
进一步的，所述鳞片与所述抓取夹持机体1之间呈1°～15°角度设置。
进一步的，所述鳞片为四边形、六边形、八边形或十二边形或其他多边形结构。
进一步的，两个所述机体棱底关于所述月牙抓取面对称设置，且所述机体棱底为倒圆结构。
进一步的，所述温度调节机构包括温度调节器，该温度调节器设于所述空腔结构的内部，用于调节所述抓取夹持机体的温度。
进一步的，所述温度调节器为水循环温度控制单元或者防治电热丝。
进一步的，所述温度调节机构还包括温度控制器和无线通信机构，所述温度控制器通过该无线通信机构实现与温度调节器之间的通信连接。
进一步的，所述半圆背体为圆弧形，所述月牙抓取面为内凹的C形，进而，所述半圆背体、两个所述机体棱底以及所述月牙抓取面共同构成一个C形结构的空腔结构。
进一步的，所述镍钛合金中，镍的质量分数为50％～60％，钛的质量分数为40％～50％。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明的抓取夹持装置，抓取夹持机体采用镍钛形状记忆合金4D打印一体而成，通过位于其内部的温度调节机构实现温度调节，由于镍钛形状记忆合金主体材料在温度的作用下发生马氏体相变，从而实现仿生抓取夹持装置可控抓取夹持和放松，同时，为了避免抓取夹持机体在变形过程中产生疲劳和弯折，相应在设计了一个可变形的空腔结构，当在抓取时，智能抓取装置大曲率弯曲，空腔结构在大曲率弯曲过程中能够压缩减小，释放弯曲时所需要的材料挤压空间，有利于减少材料的结构应力。具有结构简单，易于精确调节控制的特点。
2.本发明的抓取夹持装置，其具有类似蟒蛇的形状构型，无繁琐的机械机构，并且可以由机体内的温度调节器控制，具有简洁、高效、高机动性、智能化、抓取夹持力度大等特点。
3.本发明的抓取夹持装置，在所述抓取夹持机体外部表面设有增阻结构，进一步增加所述抓取夹持机体表面与工件之间的摩擦力，进一步增加对工件的夹持力，实现对工件的稳定抓取和夹持。
4.本发明的抓取夹持装置，抓取夹持机体可通过温度调节机构实现自由卷曲，其自由卷曲的形状可根据工件的不同形状或尺寸确定，保证所述抓取夹持机体的机体棱底与工件表面贴合，由于且机体棱底底面为弧面结构，其与工件接触弧面接触，为从而实现对工件的牢固夹持。
5.本发明的抓取夹持装置，鳞片优与所述抓取夹持机体之间呈1°～15°角度设置，从而增加所述抓取夹持机体与工件之间的摩擦力，进一步增加其对工件的夹持力，实现对工件的牢固夹持。
6.本发明的抓取夹持装置，半圆背体、两个所述机体棱底以及所述月牙抓取面共同构成一个C形结构的空腔结构，在抓取夹持机体的变形过程中，半圆背体对C形结构的空腔结构进行挤压，进而整个C形结构的空腔结构发生变形，以适应抓取夹持机体的变形，空腔结构在大曲率弯曲过程中能够压缩减小，释放弯曲时所需要的材料挤压空间，有利于减少材料的结构应力，避免材料在变形过程中发生弯折。
附图说明
图1是本发明实施例一种基于4D打印成型的智能仿生抓取夹持装置的三维结构示意图；
图2是本发明实施例一种基于4D打印成型的智能仿生抓取夹持装置的结构示意图；
图3是本发明一种基于4D打印成型的智能仿生抓取夹持装置抓取夹持物件的示意图；
图4为本发明实施例中抓取夹持机体的横截面结构示意图；
图5为本发明实施例中增阻结构的局部展开平面示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-抓取夹持机体、101-月牙抓取面、102-半圆背体、103-机体棱底、2-温度调节机构、201-空腔结构、202-温度调节器、203-温度控制器、204-无线通信机构、3-增阻结构、301-鳞片、4-工件。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1至图5所示，本发明实施例提供一种基于4D打印的智能仿生抓取夹持装置，包括抓取夹持机体1、温度调节机构2以及增阻结构3。其中，抓取夹持机体1采用具有双程记忆效应的镍钛合金材料，通过4D打印成型，所述温度调节机构2设于该抓取夹持机体1内，并可通过温度控制器控制温度调节机构2的温度，从而使抓取夹持机体1在温度的作用下发生马氏体相变，从而实现对工件4进行抓取夹持或者展开释放的功能。此外，在所述抓取夹持机体1外部表面设有增阻结构3，进一步增加所述抓取夹持机体1表面与工件4之间的摩擦力，进一步增加对工件4的夹持力，实现对工件4的稳定抓取和夹持。
具体而言，所述抓取夹持机体1为仿生蟒蛇形结构，其横截面优选为C型结构，包括设于背面的半圆背体102、设于内面的月牙抓取面101、以及设于半圆背体102和月牙抓取面101之间的机体棱底103，并通过该机体棱底103实现所述半圆背体102和月牙抓取面101之间过渡连接。此外，机体棱底103关于月牙抓取面101对称设置，且机体棱底103底面为弧面结构，半圆背体102、两个所述机体棱底103以及所述月牙抓取面101共同构成一个可变形的空腔结构201，如图3所示，抓取夹持机体1可通过温度调节机构2实现自由卷曲，如图4所示，其自由卷曲的形状可根据工件4的不同形状或尺寸确定，保证所述抓取夹持机体1的机体棱底103与工件4表面贴合，由于且机体棱底103底面为弧面结构，其与工件4接触弧面接触，从而抱住工件4，为从而实现对工件4的牢固夹持。
进一步地，所述温度调节机构2包括温度调节器202、温度控制器203以及无线通信机构204。其中，温度调节器202设于所述空腔结构201的内部，用于调节抓取夹持机体1的温度，抓取夹持机体1在不同温度的作用下发生马氏体相变而卷曲或展开，从而实现对工件进行抓取夹持或者展开释放；同时，还用于实现对所述抓取夹持机体1的卷曲或伸展训练。此外，温度控制器203通过无线通信机构204实现与温度调节器202实现通信连接，进而可远程控制温度调节器202的加热或制冷的温度，以根据需要调节抓取夹持机体1的温度。所述温度调节器202为水循环温度控制单元或者防治电热丝控制单元。当抓取夹持机体1内部的温度调节器202的温度为60℃～90℃，抓取夹持机体1展开，即可松开抓取夹持的工件或者其他物品，且产生形状记忆，当温度调节器202的温度为0℃～20℃，抓取夹持机体1卷曲，即可抓取夹持工件4，且记忆低温时形状，通过长期的训练，则可制备所述基于4D打印的智能仿生抓取夹持装置。
为了避免抓取夹持机体在变形过程中产生疲劳和弯折，本发明中，所述半圆背体102为圆弧形，所述月牙抓取面101为内凹的C形，进而，所述半圆背体102、两个所述机体棱底103以及所述月牙抓取面101共同构成一个C形结构的空腔结构201。当在抓取时，智能抓取装置大曲率弯曲，空腔结构在大曲率弯曲过程中能够压缩减小，释放弯曲时所需要的材料挤压空间，有利于减少材料的结构应力。
优选地，增阻结构3包括多个鳞片301，多个该鳞片301均布于所述抓取夹持机体1的外圆周表面，该鳞片301设于所述半圆背体102、月牙抓取面101以及机体棱底103的外表面，且与所述半圆背体102、月牙抓取面101以及机体棱底103一体成型，可与所述抓取夹持机体1通过3D打印一体成型，也可单独成型后，再与所述抓取夹持机体1实现连接。进一步地，该鳞片301优选为四边形、六边形、八边形或十二边形等多边形结构，其与所述抓取夹持机体1之间呈一定角度设置，如1°～15°，从而增加所述抓取夹持机体1与工件4之间的摩擦力，进一步增加其对工件4的夹持力，实现对工件4的牢固夹持。
本发明实施例中，一种基于4D打印的智能仿生抓取夹持装置的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：根据工件4形状和尺寸设计抓取夹持机体1和增阻结构3的设计文件，并转化为STL格式文件，然后将该STL格式文件导入4D打印设备，4D打印设备根据所述层片信息对所述三维模型进行切片处理，并获取所有切片截面轮廓的图像二维数据；
步骤2：4D打印设备根据切片截面轮廓的图像二维数据，采用具有形状记忆功能的材料进行分层打印，该形状记忆合金优选为镍钛合金，镍钛合金中镍的质量分数为50％～60％，钛的质量分数为40％～50％。4D打印设备的激光功率为150W～250W，扫描速度为1000mm/s～1400mm/s，打印层厚设置为30μm～40μm，扫描间距为80μm～120μm，且在打印的同时，采用紫外光照射已打印好的部位，直至完成所有切片的打印，以获取具有空腔结构201的抓取夹持机体1和增阻结构3；
步骤3：将温度调节器202置于所述空腔结构201中，并调节温度调节器202的温度至60℃～90℃，使得抓取夹持机体1进行卷曲训练，即可抓取夹持工件或者其他物品，且产生形状记忆，记忆高温时所具有的形态结构；
步骤4：调节温度调节器202的温度至0℃～20℃，使得抓取夹持机体1进行松开训练，取下工件4，且记忆低温时所具有的形态结构；
步骤5：重复步骤3和步骤4，通过长期的训练，则可制备所述基于4D打印的智能仿生抓取夹持装置。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于4D打印成型的智能仿生抓取夹持装置，其特征在于，包括抓取夹持机体(1)和温度调节机构(2)，其中：
所述抓取夹持机体(1)是采用具有记忆效应的镍钛合金材料通过4D打印成型的仿生蟒蛇形结构，其包括半圆背体(102)、月牙抓取面(101)以及机体棱底(103)，所述半圆背体(102)与所述月牙抓取面(101)的两端通过两个所述机体棱底(103)实现过度连接，进而，所述半圆背体(102)、两个所述机体棱底(103)以及所述月牙抓取面(101)共同构成一个可变形的空腔结构(201)；
所述温度调节机构(2)设于所述空腔结构(201)的内部，用于调节所述抓取夹持机体(1)的温度，所述抓取夹持机体(1)在不同温度的作用下发生马氏体相变而卷曲或展开，从而实现对工件进行抓取夹持或者展开释放。
2.根据权利要求1所述的智能仿生抓取夹持装置，其特征在于，所述抓取夹持机体(1)还包括增阻结构(3)，该增阻结构(3)设于所述半圆背体(102)、月牙抓取面(101)以及机体棱底(103)的外表面；所述增阻结构(3)包括多个鳞片(301)，多个所述鳞片(301)均匀设于所述半圆背体(102)、月牙抓取面(101)以及机体棱底(103)的外表面，且与所述半圆背体(102)、月牙抓取面(101)以及机体棱底(103)一体成型。
3.根据权利要求2所述的智能仿生抓取夹持装置，其特征在于，所述鳞片(301)与所述抓取夹持机体(1)之间的夹角设置为1°～15°。
4.根据权利要求2所述的智能仿生抓取夹持装置，其特征在于，所述鳞片(301)为多边形结构。
5.根据权利要求1所述的智能仿生抓取夹持装置，其特征在于，两个所述机体棱底(103)关于所述月牙抓取面(101)对称设置，且所述机体棱底(103)为倒圆结构。
6.根据权利要求1所述的智能仿生抓取夹持装置，其特征在于，所述温度调节机构(2)包括温度调节器(202)，该温度调节器(202)设于所述空腔结构(201)的内部，用于调节所述抓取夹持机体(1)的温度。
7.根据权利要求6所述的智能仿生抓取夹持装置，其特征在于，所述温度调节器(202)为水循环温度控制单元或者防治电热丝控制单元。
8.根据权利要求1所述的智能仿生抓取夹持装置，其特征在于，所述温度调节机构(2)还包括温度控制器(203)和无线通信机构(204)，所述温度控制器(203)通过该无线通信机构(204)实现与温度调节器(202)之间的通信连接。
9.根据权利要求1所述的智能仿生抓取夹持装置，其特征在于，所述半圆背体(102)为圆弧形，所述月牙抓取面(101)为内凹的C形，进而，所述半圆背体(102)、两个所述机体棱底(103)以及所述月牙抓取面(101)共同构成一个C形结构的空腔结构(201)。
10.根据权利要求1-9任一项所述的智能仿生抓取夹持装置，其特征在于，所述镍钛合金中，镍的质量分数为50％～60％，钛的质量分数为40％～50％。
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| CN201910570970.8A CN110340933B (zh) | 2019-06-28 | 2019-06-28 | 一种基于4d打印成型的智能仿生抓取夹持装置 |
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|---|---|---|---|---|
| CN111546200A (zh) * | 2020-05-11 | 2020-08-18 | 沈阳航空航天大学 | 一种半封闭气动内窥式打磨仪 |
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-
2019
- 2019-06-28 CN CN201910570970.8A patent/CN110340933B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110340933B (zh) | 2020-08-28 |
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