CN110421585A - 一种静电吸附式气动软体抓手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静电吸附式气动软体抓手，该抓手设计为中心对称的三指柔性结构体，包括有抓手支撑、软体抓手本体、限制层、导气管、气道、静电吸附膜片和外辅助装置；所述抓手支撑连接软体抓手本体和外辅助装备，以固定其位置；所述软体抓手本体在自由状态下张平；所述气道由外界通过充气或是放气驱动软体抓手的闭合和伸展，实现对目标物体的抓取；所述静电吸附膜片贴附在软体抓手本体的抓取面，产生静电吸附力。该设计一种以静电吸附力和柔性机械夹持力来夹持各种复杂形状物体的软体气动机械手，解决包覆式抓取、平面物体抓取等问题，对各种复杂形状的物体实现抓取。

Description

一种静电吸附式气动软体抓手

技术领域

本发明涉及软体抓手领域，特别是涉及一种静电吸附式气动软体抓手，通过充气或是放气控制软体抓手的闭合和伸展，实现对目标物体的抓取。

背景技术

传统的刚性操作手和灵巧手等仿人手的功能和形态的机械装置已经被广泛应用于人类的社会生活和生产中。其中，机械手往往负责工业现场中结构性的、重复的、笨重的、较危险的工作；而灵巧手主要体现在具有较多的自由度和精确的力位控制上。随着社会发展，人们在诸多领域对仿人手机械装置提出了新的要求，例如在表面易碎物体(水果、蔬菜和生物组织等)的分拣中，在对中风患者的医疗康复助力中，以及在辅助手术等医疗器械中。这些工作环境是非结构化的且刚度很低，因此传统的刚性操作手很难胜任这样的工作。

伴随智能材料的发展以及应用，软体抓手得到进一步发展。其中，利用气体为传输介质的是气动驱动、利用柔性线作为传输介质的是拉线驱动、直接可变形的有形状记忆合金和电活性聚合物等驱动方式发展的最为成熟并且最常见。然而，根据目前已有的软体机械手的工作原理与结构特点，大部分软体抓手对物体的拾取仍然靠的是抓手本体施加到物体的夹持力来实现。即便是软体抓手，其材料自身也具有一定的硬度，对于表面易碎物体比如鸡蛋，或者表面易变形物体比如水气球来说，运用传统机械夹持力来实现抓取仍然是不可靠的。同样，运用传统夹持力来抓取扁平物体比如纸壳也是行不通的。并且由于软体抓手是柔性材料，对物体的夹持不像刚性抓手那样牢固，容易发生脱落现象。由于软体抓手自身的局限性，被抓取物体的重量也同样受限制。这些共性问题的存在一定程度上限制了现有软体机械手的应用范围。

因此，为解决以上问题，需要将静电吸附力取代传统机械夹持力来设计软体机械手，静电吸附方式较之传统的吸附方式具有适用材料范围广，低功耗，低噪声，对吸附壁面不存在损伤，吸附可控等特点。静电吸附式气动软体抓手不在于完全依靠静电吸附力来抓取物体，但静电吸附力可拓宽其工作性能，扩大其应用范围，使之通用性更强、容差性更大、灵活性更好。基于静电吸附的诸多优势，使得其在软体机械手应用上的具有更大潜质。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是设计一种以静电吸附力和柔性机械夹持力来夹持各种复杂形状物体的软体气动机械手，解决包覆式抓取物体、平面物体抓取等问题，实现提高末端执行器的目标物体抓取多样性，扩大软体抓手应用范围，使之通用性更强、容差性更大、灵活性更好。通过向手指空腔充气或放气，控制空腔内气压变换，从而实现手指根据不同抓取物体表内自适应地张开或弯曲姿态变化。通过控制电路参数-输入电压值，从而实现对软体机械手的静电吸附力大小的控制，进而达到吸附各种复杂形状的物体的目的。

本发明的静电吸附式气动软体抓手，设计为中心对称的三指柔性结构体，包括抓手支撑、软体抓手本体、限制层、导气管、气道、静电吸附膜片和外辅助装置；所述抓手支撑连接软体抓手本体和外辅助装备，以固定其位置；所述软体抓手本体在自由状态下张平；所述气道由外界通气后可驱动软体抓手本体，使所述软体抓手本体弯曲合拢；所述静电吸附膜片贴附在软体抓手本体的内表面(抓取面)。

进一步，所述软体抓手本体包括采用硅胶浇注固化成型的手指体和形成于所述手指体内的气道。

进一步，所述指体内形成有一个配合气体驱动弯曲变形的穗状气道，所述气道形状对称一致。

进一步，所述手指体内有可限制软体抓手在气体驱动下变形方向的限制层，所述限制层材料为玻璃纤维，嵌入在软体抓手本体靠近弯曲的一侧，所述限制层尺寸将气道完全覆盖。

进一步，所述软体抓手本体还包括设置于手指体内侧抓取面上的梳齿状电极膜片。

进一步，所述梳齿状电极膜片通过丝网漏印工艺制作，其包括硅胶膜基层、石墨电极层和硅胶绝缘层。

进一步，所述硅胶膜基层为弹性体基底膜，由PDMS弹性体制备，其可通过由异丙醇溶液和聚丙烯酸溶液按比例混合后涂抹在PET制备的牺牲层，降低PET基体分离所需的力

进一步，所述石墨电极层为导电油墨，由炭黑和异丙醇溶液以质量比1:20混合后经行星搅拌机搅拌后,得到炭黑混合液，在加以一定量的异辛烷溶液、弹性体，经混合后制得，石墨电极层由经通电后产生极化电场用于吸附物体。

进一步，所述梳齿状电极膜片通过软体抓手本体同类的硅胶和软体抓手本体粘合为一体。

进一步，所述导气管穿过抓手支撑并连接外气泵，通过硅胶和软体抓手本体粘合，用于由外气泵向抓手内气道输送气提供气体驱动。

进一步，所述外辅助装置设有用于向所述导气管通气的气泵，向梳齿状电极膜片输出设定电压的升压模块，以及为所述气泵及升压模块供电的外接电源。

进一步，所述梳齿状电极膜片设有伸出柔性手指外用于连接升压模块输送电至膜片的铜箔片。

进一步，所述抓手支撑通过软体抓手本体同类的硅胶和软体抓手本体粘合。

本发明的有益效果为：

1、本发明装置突破了常规刚性机械手的限制，软体抓手本体材料为硅胶，静电吸附膜片同样适用柔性材料制备，整体呈现出足够的柔性，能够实现了对多种不同材质、不同表面形状物体的抓提，且对被抓取物体不易产生挤压造成破损的现象。

2、本发明装置的内部气腔结构经过合理的设计，充气时抓手可以快速实现弯曲变形，并且抓手趋近于包覆式变形；放气时可使抓手实现快速张开变形，抓手抓取表面趋近于平面；从而在抓取物体时达到快速稳定抓取效果。

3、本发明装置软体抓手本体的模具通过3D打印而成，保证模具内部精度，将硅胶浇筑入模具中固化成型，内嵌入限制层，所有组成部分均采用同类硅胶粘合，使得装置的整体性非常强，不易出现磨损或是充气漏气现象。

4、本发明装置的静电吸附膜片表面进行了绝缘化处理，避免了外界因素对于静电吸附力的影响，保证了静电吸附效果，同时还增长了使用寿命。另外，梳齿状电极形状设计能够具有更大的静电吸附力。

5、本发明装置采用了以静电吸附力取代传统机械夹持力的施力方式，打破了传统的利用机械夹持力来实现抓取在工业应用上存在一定的局限性，可抓取更大质量、可以吸附形式抓取无夹持面物体。静电吸附力与其他吸附方式相比具有适应范围广，吸附能力强，吸附力可控，吸附稳定等优势。

6、本发明装置依靠自适应柔顺贴合后通电产生的静电吸附力实现包覆式柔性稳定抓取，可以更好地适应不同大小、不同形状、不同结构和表面特征的目标物体，在通用性、容差性和灵活性上具有优势。

附图说明

图1为本发明的静电吸附式气动软体抓手装置的结构示意图；

图2是本发明的静电吸附式气动软体抓手的爆炸图；

图3是本发明的一种吸附状态结构示意图；

图4是本发明的静电吸附式气动软体抓手的局部断裂图；

图5是本发明的静电吸附式气动软体抓手的气道结构示意图；

图6是本发明的梳齿状电极结构示意图；

图7是本发明的静电吸附式气动软体抓手的模具结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明的静电吸附式气动软体抓手装置的结构示意图，图2是本发明的静电吸附式气动软体抓手的爆炸图，图3是本发明的一种吸附状态结构示意图，图4是本发明的静电吸附式气动软体抓手的局部断裂图，图5是本发明的静电吸附式气动软体抓手的气道结构示意图，图6是本发明的梳齿状电极结构示意图，图7是本发明的静电吸附式气动软体抓手的模具结构示意图，如图所示：本实施例中的一种三指静电吸附式气动软体抓手，包括软体抓手本体3和静电吸附膜片5，所述静电吸附膜片5为柔性电极并贴附于软体抓手的抓握面一侧；所述软体抓手本体3为三指抓手，该结构可实现对物体的自适应包覆式紧密贴合，通过将静电吸附技术结合在一起，既能依靠软体抓手对物体的表面紧密贴合产生的柔性夹持力抓取物体，又能依靠静电吸附力来吸附物体，实现同时运用夹持力和静电吸附力来抓取物体，实现对不同形状大小物体的适应性抓取，效果良好。

本实施例中，所述抓手支撑1上连接有导气管2和软体抓手本体3，抓手支撑末端可根据不同的外辅助装置设计特定的末端连接；所述软体抓手本体3由三个柔性手指和一一对应内嵌于柔性手指中的气道6构成；所述限制层4嵌入软体抓手本体3中，位于抓手弯曲抓取面的一侧，其尺寸大小需完全覆盖气道6的尺寸；所述静电吸附膜片5在软体抓手的抓取面与柔性手指一一贴合；各所述柔性手指在自由状态下舒展；所述气道经导气管2由外界通入气体后，通过气压驱动各个柔性手指，同时限制层4限制软体抓手在气体驱动下的变形方向，软体机械手弯曲变形方向朝向限制层贴近一侧；所述软体抓手本体3的弯曲变形程度可通过控制通入气道6的气体气压大小实现；柔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和结构；所述静电吸附膜片5产生静电吸附力，通过控制外辅助装置施加的电压强弱，实现产生不同强度的静电吸附力。

在一个优选实施方案中，所述软体抓手本体3包括采用硅胶固化成型的软体抓手上腔7、内嵌于所述软体抓手本体3内的气道6及由玻璃纤维布制成限制层4；软体抓手上腔7通过硅胶固化一次成型，限制层4内嵌在用于密封软体抓手上腔7内气道6的相同硅胶膜中；制作软体抓手上腔7的模具通过3D打印而成，硅胶固化成型时，先在硅胶型上腔模具8内加入硅胶，硅胶固化后形成软体抓手上腔7，在将限制层4固定于下腔模具9适当位置后再次加入硅胶，固化最终完成柔性抓手的制作。

本实施例中，所述抓手内含气道6，呈枝杈状均布在抓手内部，有主通道和副通道之区分，这种腔道结构槽其一减少手指体的重量，减少硅胶原料用量，保证抓手在未充气时保持抓取面的平展姿态；其二通过气管由外界气泵输送的气体流畅得输入至抓手内部，形成气压，驱动抓手变形，实现抓取功能，避免由于气道6内部结构变形引起的气体输入堵塞现象；其三能实现软体抓手最大程度的理想化变形，在抓取工况下，能够与被抓取对象实现更多的贴合。

本实施例中，所述抓手内有限制层4由玻璃纤维布制成，限制软体抓手在气体驱动下的变形方向，软体机械手弯曲变形方向朝向限制层4贴近的一侧，以此实现软体抓手的变形可控，实现对物体包覆式抓取功能。

本实施例中，所述静电吸附膜片5包括以气动软体抓手的抓握面为基底的基底层、绝缘层和置于基底层和绝缘层之间并用于使被吸附物体产生极化电场以进行吸附的梳齿状电极层，所述基底层和绝缘层材料均为硅橡胶，电极材料为导电油墨，所述导电油墨为炭黑和硅橡胶按质量比1：2的混合体，保证静电吸附膜片5不会随着气动软体抓手的弯曲变形而产生龟裂；所述梳齿状电极层通过丝印的方式附在基底层表面，保证静电吸附电极能稳定有效地附在气动软体抓手本体的抓握面上，且抓取效果好，结构简单，制作方便。

本实施例中，所述软体抓手本体3呈三指对称结构，所述静电吸附膜片5分别贴附在三指的对应位置；这种结构提高了软体抓手与被抓取对象的贴合面积和包覆效果，抓手的抓取效果优良。

本实施例中，所述抓手支撑1放置在软体抓手本体3中心位置，后将导气管2穿过抓手支撑1并插入软体抓手本体3一定深度，再将硅胶由抓手支撑1上开口倒入，将三者连接起来。

本实施例中，所述软体抓手本体3同静电吸附膜片5、软体抓手本体3同抓手支撑1、抓手支撑1同导气管2之间的连接均通过硅胶粘合实现，该种方法遵循了和软体抓手本体3材料一致性的原则，能够使各部分之间的连接牢固可靠。

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 (10)

1.一种静电吸附式气动软体抓手，其特征在于：包括抓手支撑、软体抓手本体、限制层、导气管、气道、静电吸附膜片和外辅助装置；所述抓手支撑连接软体抓手本体和外辅助装备，以固定其位置；所述软体抓手本体在自由状态下张平；所述气道由外界通气后可驱动软体抓手本体，使所述软体抓手本体弯曲合拢；所述静电吸附膜片贴附在软体抓手本体的内表面，即抓取面。

2.根据权利要求1所述的静电吸附式气动软体抓手，其特征在于：所述软体抓手本体包括采用硅胶浇注固化成型的手指体和形成于所述手指体内的气道。

3.根据权利要求2所述的静电吸附式气动软体抓手，其特征在于：所述软体抓手本体还包括设置于手指体内侧抓取面上的梳齿状电极膜片。

4.根据权利要求2所述的静电吸附式气动软体抓手，其特征在于：所述手指体内形成有一个配合气体驱动弯曲变形的穗状气道。

5.根据权利要求2所述的静电吸附式气动软体抓手，其特征在于：所述手指体内有可限制软体抓手在气体驱动下的变形方向的限制层，所述限制层材料为玻璃纤维，嵌入在软体抓手本体靠近弯曲的一侧，所述限制层尺寸完全将气道覆盖。

6.根据权利要求1所述的静电吸附式气动软体抓手，其特征在于：所述导气管穿过抓手支撑并连接外气泵，通过硅胶和软体抓手本体粘合，用于由外气泵向抓手内气道输送气提供气体驱动。

7.根据权利要求1所述的静电吸附式气动软体抓手，其特征在于：所述外辅助装置设有用于向所述导气管通气的气泵，向梳齿状电极膜片输出设定电压的升压模块，以及为所述气泵及升压模块供电的外接电源。

8.根据权利要求3所述的静电吸附式气动软体抓手，其特征在于：所述梳齿状电极膜片通过丝网漏印工艺制作，其包括硅胶膜基层、石墨电极层和硅胶绝缘层，所述石墨电极层经通电后产生极化电场用于吸附物体。

9.根据权利要求3所述的静电吸附式气动软体抓手，其特征在于：所述梳齿状电极膜片设有伸出柔性手指外用于连接升压模块输送电至膜片的铜箔片。

10.根据权利要求3所述的静电吸附式气动软体抓手，其特征在于：所述梳齿状电极膜片通过软体抓手本体同类的硅胶和软体抓手本体粘合为一体。