CN111168706A - 一种使用磁流变塑性体的可控粘附装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用磁流变塑性体的可控粘附装置及其制备方法，该可控粘附装置包括磁流变塑性体模块以及电磁铁，其中，磁流变塑性体模块设置有多个，磁流变塑性体模块包括磁流变塑性体内芯及包裹在磁流变塑性体内芯外的弹性外壳，各个磁流变塑性体模块呈阵列分布；电磁铁包括线圈以及导磁骨架，线圈设置于导磁骨架内，各个磁流变塑性体模块设置于导磁骨架上；本发明提供的可控粘附装置包括封装于弹性外壳中的磁流变塑性体以及电磁铁，通过控制电流调节磁场大小改变阵列结构刚度及表面形貌特性，调节粘附力大小，在制备过程中，无需采用光刻与微纳加工等复杂工艺，便于制造，成本低，可在特性环境(空天环境)中应用。
Description
技术领域
本发明涉及机械自动化生产设备技术领域，特别涉及一种使用磁流变塑性体的可控粘附装置及其制备方法。
背景技术
对粘附力的控制是实现抓取与释放的一种重要形式，在机械化和自动化生产，人体仿生，机器人制造技术等领域有着重要的应用。已有对粘附力控制的方法有热控制、激光控制、压力控制以及电场控制等。这些结构的制备通常需要光刻与微纳加工等工艺，工艺要求复杂，价格昂贵，且通常需要配备复杂的控制模块，制约了其推广应用及在特性环境(空天环境)中的应用，因而亟需设计一种结构简洁，制备方法简单且成本低的可控粘附装置。
发明内容
有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种结构简洁，制备方法简单且成本低的使用磁流变塑性体的可控粘附装置。
本发明的第二个目的在于提供一种上述可控粘附装置的制备方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种使用磁流变塑性体的可控粘附装置，包括：
多个磁流变塑性体模块，所述磁流变塑性体模块包括磁流变塑性体内芯及包裹在磁流变塑性体内芯外的弹性外壳，各个所述磁流变塑性体模块呈阵列分布；
电磁铁，包括线圈以及导磁骨架，所述线圈设置于所述导磁骨架内，各个所述磁流变塑性体模块设置于所述导磁骨架上。
优选地，各个所述磁流变塑性体模块的磁流变塑性体内芯全部或部分位于所述导磁骨架的边界范围内。
优选地，所述磁流变塑性体内芯包括聚氨酯基体以及软磁性颗粒，所述软磁性颗粒的体积分数超过20％且初始剪切模量小于0.1MPa。
优选地，所述磁流变塑性体模块呈圆柱形，弹性外壳远离所述导磁骨架的一端的壁厚与所述磁流变塑性体模块的直径之比不高于0.1。
优选地，所述磁流变塑性体模块的直径为2mm-5mm。
优选地，所述弹性外壳远离所述导磁骨架的一端的壁厚为50μm-500μm，所述弹性外壳靠近所述导磁骨架的一端的壁厚小于1mm。
优选地，所述磁流变塑性体内芯呈圆柱形。
优选地，所述磁流变塑性体内芯的高度为1mm-1.4mm，所述磁流变塑性体内芯的直径为1mm-4.4mm。
优选地，所述磁流变塑性体内芯远离所述导磁骨架一端的端面为平面、凸面、凹面或凹凸面。
优选地，所述线圈在所述磁流变塑性体内芯所在位置处产生的磁感应强度不低于0.15特斯拉。
一种使用磁流变塑性体的可控粘附装置的制备方法，包括步骤：
制作凸模以及凹模，所述凸模上设置有多个阵列分布的凸起，所述凹模上设置有多个阵列分布的凹槽，所述凸模能够与所述凹模配合围成型腔，所述型腔用于形成具有多个内芯槽的第一壳体；
制作第一壳体，在所述凹模中注入硅橡胶，然后将所述凸模与所述凹模合模，并进行硫化以形成所述第一壳体；
在所述第一壳体的各个所述内芯槽中填充磁流变塑性体并对磁流变塑性体进行真空处理；
制作第二壳体，在所述第一壳体以及所述第一壳体内的磁流变塑性体上方注入硅橡胶，使注入的硅橡胶覆盖各个所述内芯槽中的磁流变塑性体，并进行硫化已形成第二壳体，所述第一壳体与所述第二壳体围成所述弹性外壳。
优选地，所述凸模上的所述凸起的端面可以为平面、凹面、凸面或凹凸面。
为实现上述目的，本发明提供了一种使用磁流变塑性体的可控粘附装置，包括磁流变塑性体模块以及电磁铁，其中，磁流变塑性体模块设置有多个，磁流变塑性体模块包括磁流变塑性体内芯及包裹在磁流变塑性体内芯外的弹性外壳，各个磁流变塑性体模块呈阵列分布；电磁铁包括线圈以及导磁骨架，线圈设置于导磁骨架内，各个磁流变塑性体模块设置于导磁骨架上；当需要抓取物品时，首先将可控粘附装置的各个磁流变塑性体模块的端面与被粘附物体表面接触，然后向电磁铁线圈通电形成磁场，在磁场作用下磁流变塑性体刚度显著提升，装置粘附力增强，此时可通过粘附力抓取物品；当需要释放物体的时候，断开线圈电流，磁流变塑性体刚度减小，装置粘附力减小，物体在重力作用下脱粘，物体释放；当需要避免粘附某物体时，在接触前向电磁铁线圈通电，此时磁流变塑性体在磁场作用下发生形变，带动弹性外壳端面发生形变，减小了与平整表面的粘附力，但是可增加对某些凸起表面的粘附力，从而实现对粘附力的控制；综上所述，本发明提供的可控粘附装置仅包括封装于弹性外壳中的磁流变塑性体以及电磁铁，通过控制电流调节磁场大小改变阵列结构刚度及表面形貌特性，调节粘附力大小，在制备过程中，无需采用光刻与微纳加工等复杂工艺，便于制造，成本低，可在特性环境(空天环境)中应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的使用磁流变塑性体的可控粘附装置的轴测图；
图2为本发明实施例提供的使用磁流变塑性体的可控粘附装置的剖视图；
图3为本发明实施例提供的制备方法中制作第一壳体时的示意图；
图4为本发明实施例提供的制备方法中第一壳体制作完成时的示意图；
图5为本发明实施例提供的制备方法中加入磁流变塑性体时的示意图；
图6为本发明实施例提供的制备方法中制作第二壳体时的示意图。
图中：
1为磁流变塑性体模块；101为弹性外壳；102为磁流变塑性体内芯；2 为电磁铁；201为线圈；202为导磁骨架；3为凸模；4为凸起；5为凹模主体； 6为凹槽；7、9为硅片；8为第一壳体。
具体实施方式
本发明的核心之一在于提供一种使用磁流变塑性体的可控粘附装置，该使用磁流变塑性体的可控粘附装置结构简洁，制备方法简单且成本低。
本发明的另一核心在于提供一种上述使用磁流变塑性体的可控粘附装置的制备方法。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1和图2，图1为本发明实施例提供的使用磁流变塑性体的可控粘附装置的轴测图，图2为本发明实施例提供的使用磁流变塑性体的可控粘附装置的剖视图。
本发明实施例提供的一种使用磁流变塑性体的可控粘附装置，该使用磁流变塑性体的可控粘附装置包括磁流变塑性体模块1以及电磁铁2。
其中，磁流变塑性体模块1设置有多个，磁流变塑性体模块1包括磁流变塑性体内芯102及包裹在磁流变塑性体内芯102外的弹性外壳101，各个磁流变塑性体模块1呈阵列分布；电磁铁2包括线圈201以及导磁骨架202，线圈201设置于导磁骨架202内，各个磁流变塑性体模块1设置于导磁骨架202 上。
与现有技术相比，本发明实施例提供的使用磁流变塑性体的可控粘附装置在使用过程中，当需要抓取物品时，首先将可控粘附装置的各个磁流变塑性体模块1的端面与被粘附物体表面接触，然后向电磁铁2线圈201通电形成磁场，在磁场作用下磁流变塑性体刚度显著提升，装置粘附力增强，此时可通过粘附力抓取物品；当需要释放物体的时候，断开线圈201电流，磁流变塑性体刚度减小，装置粘附力减小，物体在重力作用下脱粘，物体释放；当需要避免粘附某物体时，在接触前向电磁铁2线圈201通电，此时磁流变塑性体在磁场作用下发生形变，带动弹性外壳101端面发生形变，减小了与平整表面的粘附力，但是可增加对某些凸起4表面的粘附力，从而实现对粘附力的控制；综上所述，本发明提供的可控粘附装置仅包括封装于弹性外壳 101中的磁流变塑性体以及电磁铁2，通过控制电流调节磁场大小改变阵列结构刚度及表面形貌特性，调节粘附力大小，在制备过程中，无需采用光刻与微纳加工等复杂工艺，便于制造，成本低，可在特性环境(空天环境)中应用。
较优地，各个磁流变塑性体模块1的磁流变塑性体内芯102全部或部分位于导磁骨架202的边界范围内，以提高在磁流变塑性体内芯102位置处的磁场。
较优地，在本发明实施例中，磁流变塑性体内芯102包括聚氨酯基体以及软磁性颗粒，软磁性颗粒的体积分数超过20％且初始剪切模量小于0.1MPa。
如图1所示，在本发明实施例中，磁流变塑性体模块1呈圆柱形，弹性外壳101远离导磁骨架202的一端的壁厚与磁流变塑性体模块1的直径之比不高于0.1，当然，在其他实施例中，磁流变塑性体模块1也可以采用其他的形状，如椭圆柱形、棱柱形等等，在此不做限定。
具体地，在本发明实施例中，磁流变塑性体模块1的直径为2mm-5mm。
较优地，弹性外壳101远离导磁骨架202的一端的壁厚为50μm-500μm，弹性外壳101靠近导磁骨架202的一端的壁厚小于1mm。
在本发明实施例中，磁流变塑性体内芯102呈圆柱形，具体地，磁流变塑性体内芯102的高度为1mm-1.4mm，磁流变塑性体内芯102的直径为 1mm-4.4mm。
进一步优化上述技术方案，在本发明实施例中，磁流变塑性体内芯102 远离导磁骨架202一端的端面为平面、凸面、凹面或凹凸面。
较优地，线圈201在磁流变塑性体内芯102所在位置处产生的磁感应强度不低于0.15特斯拉，以保证能够产生足够的粘附力。
本发明实施例还提供了一种使用磁流变塑性体的可控粘附装置的制备方法，包括步骤：
Step1：制作凸模3以及凹模，凸模3上设置有多个阵列分布的凸起4，凹模上设置有多个阵列分布的凹槽6，凸模3能够与凹模配合围成型腔，型腔用于形成具有多个内芯槽的第一壳体8；
在本发明一种具体实施例中，凸模3以及凹模通过3D打印技术打印而成，当然在其他实施例中，凸模3以及凹模也可以由其他方式制得。
Step2：制作第一壳体8，在凹模中注入硅橡胶，然后将凸模3与凹模合模，并进行硫化以形成第一壳体8，如图3和图4所示；
硫化完成后将凸模3从凹模上取下，将形成的第一壳体8的内芯槽露出，以便于进行下一步骤。
Step3：在第一壳体8的各个内芯槽中填充磁流变塑性体并对磁流变塑性体进行真空处理，如图5所示；
真空处理去除磁流变塑性体中的气泡，以避免气泡影响制得的可控粘附装置的性能。
Step4：制作第二壳体，在第一壳体8以及第一壳体8内的磁流变塑性体上方注入硅橡胶，使注入的硅橡胶覆盖各个内芯槽中的磁流变塑性体，并进行硫化已形成第二壳体，第一壳体8与第二壳体围成弹性外壳101。
上述凹模由凹模主体5以及硅片两部分构成，凹模主体5具有多个孔洞，该孔洞贯穿凹模主体5，在使用时，将凹模主体5放置在硅片7上，硅片7将凹模主体5上的孔洞的一端开口封闭。
凹模主体5远离硅片的一侧设置有沉槽，各个孔洞都开设在沉槽的底部，在制作第一壳体8上，第一壳体8低于沉槽的上沿为第二壳体留出空间。
在制作第二壳体时，需要在凹模主体5上放置另一硅片9以保证第二壳体成型，如图6所示。
较优地，凸模3上的凸起4的端面可以为平面、凹面、凸面或凹凸面，依据所用模具的不同，最终制备成型的可控粘附装置中磁流变塑性体内芯的形状不同，此外硅橡胶外壳的厚度及磁流变塑性体内芯的厚度，直径等均可通过改变模具形状尺寸而改变，在此不做限定。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (12)
1.一种使用磁流变塑性体的可控粘附装置，其特征在于，包括：
多个磁流变塑性体模块，所述磁流变塑性体模块包括磁流变塑性体内芯及包裹在磁流变塑性体内芯外的弹性外壳，各个所述磁流变塑性体模块呈阵列分布；
电磁铁，包括线圈以及导磁骨架，所述线圈设置于所述导磁骨架内，各个所述磁流变塑性体模块设置于所述导磁骨架上。
2.根据权利要求1所述的可控粘附装置，其特征在于，各个所述磁流变塑性体模块的磁流变塑性体内芯全部或部分位于所述导磁骨架的边界范围内。
3.根据权利要求1所述的可控粘附装置，其特征在于，所述磁流变塑性体内芯包括聚氨酯基体以及软磁性颗粒，所述软磁性颗粒的体积分数超过20％且初始剪切模量小于0.1MPa。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的可控粘附装置，其特征在于，所述磁流变塑性体模块呈圆柱形，弹性外壳远离所述导磁骨架的一端的壁厚与所述磁流变塑性体模块的直径之比不高于0.1。
5.根据权利要求4所述的可控粘附装置，其特征在于，所述磁流变塑性体模块的直径为2mm-5mm。
6.根据权利要求4所述的可控粘附装置，其特征在于，所述弹性外壳远离所述导磁骨架的一端的壁厚为50μm-500μm，所述弹性外壳靠近所述导磁骨架的一端的壁厚小于1mm。
7.根据权利要求1-3及5-6任意一项所述的可控粘附装置，其特征在于，所述磁流变塑性体内芯呈圆柱形。
8.根据权利要求7所述的可控粘附装置，其特征在于，所述磁流变塑性体内芯的高度为1mm-1.4mm，所述磁流变塑性体内芯的直径为1mm-4.4mm。
9.根据权利要求7所述的可控粘附装置，其特征在于，所述磁流变塑性体内芯远离所述导磁骨架一端的端面为平面、凸面、凹面或凹凸面。
10.根据权利要求1-3、5-6及8-9任意一项所述的可控粘附装置，其特征在于，所述线圈在所述磁流变塑性体内芯所在位置处产生的磁感应强度不低于0.15特斯拉。
11.一种使用磁流变塑性体的可控粘附装置的制备方法，其特征在于，包括步骤：
制作凸模以及凹模，所述凸模上设置有多个阵列分布的凸起，所述凹模上设置有多个阵列分布的凹槽，所述凸模能够与所述凹模配合围成型腔，所述型腔用于形成具有多个内芯槽的第一壳体；
制作第一壳体，在所述凹模中注入硅橡胶，然后将所述凸模与所述凹模合模，并进行硫化以形成所述第一壳体；
在所述第一壳体的各个所述内芯槽中填充磁流变塑性体并对磁流变塑性体进行真空处理；
制作第二壳体，在所述第一壳体以及所述第一壳体内的磁流变塑性体上方注入硅橡胶，使注入的硅橡胶覆盖各个所述内芯槽中的磁流变塑性体，并进行硫化已形成第二壳体，所述第一壳体与所述第二壳体围成所述弹性外壳。
12.根据权利要求11所述的可控粘附装置，其特征在于，所述凸模上的所述凸起的端面可以为平面、凹面、凸面或凹凸面。
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