CN112864078B - 一种基于楔形刚毛束的变刚度末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于楔形刚毛束的变刚度末端执行器，涉及软体末端执行器技术领域，包括楔形刚毛束单元、切向加载脱附单元、变刚度单元和外框单元；外框单元包括外框，外框的顶部用于连接外连机构；变刚度单元包括连接块和软袋，连接块连接有驱动装置，驱动装置安装于外框内，软袋安装于连接块上，软袋内填充有颗粒物；连接块上设置气管接头，气管接头与软袋连通，用于使软袋内产生负压；切向加载脱附单元包括拉伸弹簧，拉伸弹簧的一端与外框连接，另一端与连接块连接；楔形刚毛束单元包括楔形刚毛束，楔形刚毛束安装于软袋上，楔形刚毛束用于接触并粘附目标物。本发明增加楔形刚毛束的接触面积，实现对楔形刚毛束稳定的切向加载、卸载。

Description

一种基于楔形刚毛束的变刚度末端执行器

技术领域

本发明涉及软体末端执行器技术领域，特别是涉及一种基于楔形刚毛束的变刚度末端执行器。

背景技术

随着集成电路产业的不断发展，越来越多的柔性、刚性电路板，晶圆等应用在电子设备上，其具有厚度薄、表面光滑、重量轻等特点，一些传统的拾取方法存在局限性，如真空吸附时吸盘与目标物接触区域不能有孔，静电吸附时高压电可能损伤电气元件等，近年来基于仿生壁虎脚掌刚毛的干黏附操作发展迅速，其中楔形刚毛束由于结构上呈异形结构，具有出众的可控形，能迅速切换黏附及脱附的状态，并且使用硅胶材料，接触时不会损伤目标物，因此适合运用在集成电路产业的黏附操作领域。

传统的导轨滑块式切向驱动，通过驱动在导轨上的滑块产生纯切向位移带动楔形刚毛束受力弯曲，以实现加载过程，但这种方法无法保证对称分布的刚毛束在同一平面上的平面度，出现单个或两个单元中部分刚毛束接触不上目标物、两个单元接触面积不对称等问题，使部分区域加载失效，进而使整个系统失效。因此，传统的导轨滑块式切向驱动技术存在稳定性差、不能保证接触面积等问题，难以提供可靠加载、易产生黏附失效。

因此，如何能在将切向载荷均匀传递的同时增大刚毛束与目标物的接触面积，是本发明专利的研究目标。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于楔形刚毛束的变刚度末端执行器，以解决现有技术所存在的上述问题，增加楔形刚毛束的接触面积，实现对楔形刚毛束稳定的切向加载、卸载。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于楔形刚毛束的变刚度末端执行器，包括：楔形刚毛束单元、切向加载脱附单元、变刚度单元和外框单元；所述外框单元包括外框，所述外框的顶部用于连接外连机构；所述变刚度单元包括连接块和软袋，所述连接块连接有驱动装置，所述驱动装置安装于所述外框内，用于带动所述连接块移动，所述软袋安装于所述连接块上，所述软袋内填充有颗粒物；所述连接块上还连接有气管接头，所述气管接头与所述软袋连通，用于使所述软袋内产生负压；所述切向加载脱附单元包括拉伸弹簧，所述拉伸弹簧的一端与所述外框连接，另一端与所述连接块连接；所述楔形刚毛束单元包括楔形刚毛束，所述楔形刚毛束安装于所述软袋上，所述楔形刚毛束用于接触并粘附目标物。

优选的，所述楔形刚毛束单元、所述切向加载脱附单元以及所述变刚度单元均对应设置有两组；每组所述变刚度单元的所述连接块上均安装有一个所述气管接头，两组所述变刚度单元的所述连接块均与所述驱动装置连接。

优选的，所述软袋为所述楔形刚毛束切向加载时的切向力传递层；

所述软袋未负压时，为柔性状态，通过所述外连机构带动所述外框下压，两个所述楔形刚毛束单元部分接触目标物；

之后继续下压，通过压力改变所述软袋内填充的所述颗粒物之间的相对位置，以自主调节所述楔形刚毛束与目标物之间的相对位置，增大所述楔形刚毛束与目标物的接触面积，使所述楔形刚毛束与目标物表面对齐，保证接触面积；

所述软袋负压时，所述颗粒物之间的气体被抽走，所述软袋变为刚性状态，通过所述拉伸弹簧拉动所述连接块，所述连接块带动刚性的所述软袋，使切向载荷均匀传递到所述楔形刚毛束，完成变刚度末端执行器的加载。

优选的，所述变刚度末端执行器卸载时，所述驱动装置拉动所述连接块，进一步拉动刚性的所述软袋移动，所述楔形刚毛束恢复形变；当目标物自重不能保证成功卸载时，撤去所述软袋中的负压，所述软袋变为柔性，辅助完成卸载。

优选的，所述驱动装置采用平行夹爪机构。

优选的，所述平行夹爪机构采用气爪或电磁铁，所述平行夹爪结构受到气体正压驱动或电磁驱动时，带动所述连接块使所述拉伸弹簧拉伸，此时所述楔形刚毛束接触目标物；撤去气体正压或电压后，所述拉伸弹簧释放弹性势能，切向拉动所述楔形刚毛束变形，产生范德华力完成加载。

优选的，所述连接块内设置有负压通道，所述负压通道的第一端与所述软袋的顶部开口连通，所述负压通道的第二端与所述气管接头连通；所述气管接头与所述负压通道的第二端螺纹连接，连接处通过密封硅胶密封；所述软袋的顶部开口处与所述连接块通过底漆和硅胶固定。

优选的，所述负压通道的第一端处设置有滤网，所述滤网通过胶水与所述连接块固定。

优选的，所述楔形刚毛束的表面设置有多根楔形刚毛，多根所述楔形刚毛平行阵列式分布。

优选的，所述软袋为半球形，采用硅橡胶或软胶材料制成；

所述软袋通过3D打印模具或机加工模具浇注制备而成；

所述颗粒物选用玻璃珠、玻璃砂或沙子。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

1、本发明所设计的半球形软袋，在其柔性时可以实现多自由度的万向变形对齐，从而增加楔形刚毛束与目标物的接触面积；在施加负压变为刚性后可以保持对齐后的形状，同时将载荷均匀传递给楔形刚毛束，使得末端执行器对不同平面度表面的适应性强。

2、本发明所设计的半球形软袋，在卸载时撤去负压重新变为柔性，使载荷难以均匀分布在楔形刚毛束上，起到辅助弹簧完成卸载的作用。

3、本发明使用弹簧加载，可以通过控制弹簧的行程或改变弹簧的弹性系数达到控制加载切向力的作用，使其在面对不同目标物表面时可以采用不同的切向力加载，提高末端执行器的适应性。

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本发明基于楔形刚毛束的变刚度末端执行器的整体结构示意图；

图2本发明末端执行器的未加载状态示意图；

图3本发明末端执行器的预加载状态示意图；

图4本发明末端执行器的加载状态示意图；

图5本发明末端执行器的卸载状态示意图；

图6本发明末端执行器的辅助卸载状态示意图；

图中：1、机械臂法兰，2、外框法兰，3、气管接头，4、连接块，5、颗粒物，6、楔形刚毛束单元，7、滤网，8、气爪，9、软袋，10、拉伸弹簧，11、外框。

具体实施方式

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。

本发明的目的是提供一种基于楔形刚毛束的变刚度末端执行器，以解决现有技术所存在的上述问题，增加刚性基底楔形刚毛束的接触面积，实现对楔形刚毛束稳定的切向加载、卸载。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-6所示，本实施例提供一种基于楔形刚毛束的变刚度末端执行器，通过软袋9结合颗粒物5来改变楔形刚毛束基底的刚度，通过拉伸弹簧10来施加切向载荷；基于楔形刚毛束的变刚度末端执行器主要包括五个单元-楔形刚毛束单元6、切向加载脱附单元、变刚度单元、驱动装置和外框单元，本实施例中上述五个单元相互协调来实现末端执行器黏附平面目标物的功能。

具体地，外框单元包括外框11，外框11用于保持末端执行器中各部件的相对位置并与外连机构连接；其中，外连机构优选采用机械臂，或者亦可以根据需要选择其它外连机构；具体地，外框11的顶部通过螺栓连接有外框法兰2，外框法兰2的顶部通过螺栓连接有机械臂法兰1，机械臂法兰1用于连接机械臂末端。

变刚度单元包括连接块4和软袋9，连接块4连接有驱动装置，所述驱动装置安装于外框11内，用于带动连接块4移动，软袋9安装于连接块4上，软袋9内填充有颗粒物5；连接块4上安装有气管接头3，气管接头3与软袋9连通，用于使软袋9内产生负压。软袋9在未负压驱动，即软袋9柔性时，用于增大楔形刚毛束与目标物的接触面积及辅助卸载；在负压驱动，即软袋9刚性时，用于将载荷均匀传递给楔形刚毛束。

驱动装置采用平行夹爪机构，平行夹爪机构采用气爪、电磁铁或者其它满足工作需要的导轨滑块机构，本实施例中优选采用气爪8；其中，气爪8根据需要从现有技术中选择即可，其主要包括导轨和滑块，滑块滑动设置于导轨上，连接块4与气爪8上的滑块通过螺栓连接；当气爪8受到气体正压驱动时，滑块向导轨中间移动。

切向加载脱附单元包括拉伸弹簧10，用于实现对楔形刚毛束的切向加载\脱附，拉伸弹簧10的一端与外框11通过螺栓连接，另一端与连接块4通过螺栓连接；在拉伸弹簧10被气爪8上的滑块驱动拉伸时，其可对连接块4产生拉力。

本实施例中使用拉伸弹簧10作为末端执行器的驱动；气爪8受到气体正压驱动时，气爪8上的滑块带动连接块4使拉伸弹簧10拉伸，此时接触目标物，撤去正压后，拉伸弹簧10将存储的弹性势能释放，切向拉动楔形刚毛束变形，产生范德华力完成加载。

楔形刚毛束单元6与软袋9通过硅胶固定，楔形刚毛束单元6包括硅胶材质的楔形刚毛束，楔形刚毛束安装于软袋9上，楔形刚毛束用于接触目标物并产生范德华力，黏附目标物；其中，楔形刚毛束采用一种微细加工方式所制备，楔形刚毛束的表面设置有多个楔形刚毛，多个楔形刚毛阵列式分布；楔形刚毛束所产生的法向黏附力是范德华力。

在本实施例中，楔形刚毛束单元6设置有两组，每组楔形刚毛束单元6均包括有一个楔形刚毛束黏附垫，楔形刚毛束设置于楔形刚毛束黏附垫上，两个楔形刚毛束黏附垫对称设置；切向加载脱附单元以及变刚度单元同样对应设置有两组；每组变刚度单元的连接块4上均安装有一个气管接头3，两组变刚度单元的连接块4均安装于气爪8上，本实施例中气爪8包括有两个滑块，两组与两个变刚度单元的连接块4连接。

在本实施例中，连接块4内设置有负压通道，负压通道的第一端与软袋9的顶部开口连通，负压通道的第二端与气管接头3连通；气管接头3与负压通道的第二端螺纹连接，连接处通过密封硅胶密封；软袋9的顶部开口处与连接块4通过底漆和硅胶固定；负压通道的第一端处设置有滤网7，滤网7通过胶水与连接块固定。

本实施例中，气管接头3可以连接负压泵等负压装置，用于使负压通过连接块4和滤网7作用于软袋9中；设置滤网7在保证能够对软袋9抽负压的同时，防止颗粒物5进入到负压通道。

本实施例采用填充颗粒物5的软袋9作为楔形刚毛束切向加载时的切向力传递层。基于负压颗粒阻塞变刚度的原理，未负压时，软袋9为松弛柔性状态，通过机械臂(或其它外连机构)带动末端执行器下压，两个楔形刚毛束单元6会先部分接触目标物，之后继续下压，由于此时软袋9为柔性且直接与楔形刚毛束连接，其可通过压力改变自身填充颗粒物5之间的相对位置以自主调节楔形刚毛束与目标物之间的相对位置直到大部分接触(未接触部分是由于单个单元楔形刚毛束自身平面度问题，难以做到理想平面)，使楔形刚毛束与目标物表面对齐，保证接触面积；

负压时，颗粒物5之间的气体被抽走，软袋9变为刚性，此时拉伸弹簧10拉动连接块4，连接块4带动刚性软袋9，使切向载荷均匀传递到楔形刚毛束完成加载。

本实施例同样采用填充颗粒物5的软袋9作为楔形刚毛束切向卸载时的切向力传递层。卸载时，气爪8通过连接块4拉动刚性软袋9，使楔形刚毛束恢复形变，对于一些超轻物体，由于楔形刚毛束尖端的范德华力，物体自重不能保证成功卸载，此时撤去软袋9中的负压，软袋9重新变为柔性，载荷难以均匀分布在楔形刚毛束上，辅助完成卸载。

在本实施例中，软袋9为半球形，采用具有弹性可变形的硅橡胶或软胶等材料制成，软袋9通过3D打印模具或机加工模具浇注制备而成。

在本实施例中，颗粒物5选用玻璃珠、玻璃砂或沙子等材料。

本实施例中末端执行器的一个工作周期分为三个工作阶段，第一个是楔形刚毛束的预加载阶段，第二个是楔形刚毛束的加载阶段，第三个是楔形刚毛束的卸载阶段。

末端执行器未加载状态下的工作原理，如图2所示，末端执行器未与目标物接触，同时没有给软袋9通负压，软袋处于松弛可变形状态。

末端执行器预加载状态下的工作原理，如图3所示，对气爪8通正压，气爪8上两滑块向内运动带动连接块4运动，使拉伸弹簧10拉伸，接着末端执行器在没有给软袋9通负压的条件下与目标物接触，软袋9由于受到压力向四周扩展变形，同时楔形刚毛束与目标物表面对齐，此时楔形刚毛束仅尖端接触目标物，只有微小的范德华力。

末端执行器加载状态下的工作原理，如图4所示，给软袋9通负压，软袋9变为刚性，接着撤掉气爪8的正压，拉伸弹簧10储存的弹性势能释放，带动连接块4和刚性软袋9对楔形刚毛束施加切向载荷，楔形刚毛束受切向力弯曲，产生足够大的法向黏附力完成加载。

末端执行器卸载状态下的工作原理，如图5所示，重新对气爪8通正压，气爪8上两滑块向内运动，带动连接块4和刚性软袋9对楔形刚毛束施加与加载方向相反的切向载荷，使楔形刚毛束恢复形变，此时可能出现两种情况：当物体较重时，目标物自重大于卸载状态下的尖端范德华力，此时目标物可依靠自重卸载；当物体较轻时，目标物自重小于卸载状态下的尖端范德华力，此时仅靠重新对气爪通正压，难以成功卸载目标物。

末端执行器辅助卸载状态下的工作原理，如图6所示，撤去软袋9中的负压，软袋9重新变为柔性，载荷难以均匀分布在楔形刚毛束上，辅助完成卸载。

本发明通过颗粒阻塞变刚度原理增加刚性基底楔形刚毛束的接触面积，对于现有楔形刚毛束末端执行器加载时接触面积不足问题有一定程度改进，对于翘曲的目标物表面情况有一定的适应性；实现对楔形刚毛束稳定的切向加载、卸载，为临界接触操作提供关键的技术支持，以实现对平面类物体，如晶圆、刚性电路板、柔性电路板、显示器等的可靠拾取及释放操作。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于楔形刚毛束的变刚度末端执行器，其特征在于：包括：楔形刚毛束单元、切向加载脱附单元、变刚度单元和外框单元；所述外框单元包括外框，所述外框的顶部用于连接外连机构；所述变刚度单元包括连接块和软袋，所述连接块连接有驱动装置，所述驱动装置安装于所述外框内，用于带动所述连接块移动，所述软袋安装于所述连接块上，所述软袋内填充有颗粒物；所述连接块上还连接有气管接头，所述气管接头与所述软袋连通，用于使所述软袋内产生负压；所述切向加载脱附单元包括拉伸弹簧，所述拉伸弹簧的一端与所述外框连接，另一端与所述连接块连接；所述楔形刚毛束单元包括楔形刚毛束，所述楔形刚毛束安装于所述软袋上，所述楔形刚毛束用于接触并粘附目标物；

所述驱动装置采用平行夹爪机构，所述平行夹爪机构采用气爪或电磁铁；所述平行夹爪机构受到气体正压驱动或电磁驱动时，带动所述连接块使所述拉伸弹簧拉伸，此时所述楔形刚毛束接触目标物；撤去气体正压或电压后，所述拉伸弹簧释放弹性势能，切向拉动所述楔形刚毛束变形，产生范德华力完成加载。

2.根据权利要求1所述的基于楔形刚毛束的变刚度末端执行器，其特征在于：所述楔形刚毛束单元、所述切向加载脱附单元以及所述变刚度单元均对应设置有两组；每组所述变刚度单元的所述连接块上均安装有一个所述气管接头，两组所述变刚度单元的所述连接块均与所述驱动装置连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于楔形刚毛束的变刚度末端执行器，其特征在于：所述软袋为所述楔形刚毛束切向加载时的切向力传递层；

所述软袋未负压时，为柔性状态，通过所述外连机构带动所述外框下压，两个所述楔形刚毛束单元部分接触目标物；

之后继续下压，通过压力改变所述软袋内填充的所述颗粒物之间的相对位置，以自主调节所述楔形刚毛束与目标物之间的相对位置，增大所述楔形刚毛束与目标物的接触面积，使所述楔形刚毛束与目标物表面对齐，保证接触面积；

所述软袋负压时，所述颗粒物之间的气体被抽走，所述软袋变为刚性状态，通过所述拉伸弹簧拉动所述连接块，所述连接块带动刚性的所述软袋，使切向载荷均匀传递到所述楔形刚毛束，完成变刚度末端执行器的加载。

4.根据权利要求3所述的一种基于楔形刚毛束的变刚度末端执行器，其特征在于：所述变刚度末端执行器卸载时，所述驱动装置拉动所述连接块，进一步拉动刚性的所述软袋移动，所述楔形刚毛束恢复形变；当目标物自重不能保证成功卸载时，撤去所述软袋中的负压，所述软袋变为柔性，辅助完成卸载。

5.根据权利要求1所述的基于楔形刚毛束的变刚度末端执行器，其特征在于：所述连接块内设置有负压通道，所述负压通道的第一端与所述软袋的顶部开口连通，所述负压通道的第二端与所述气管接头连通；所述气管接头与所述负压通道的第二端螺纹连接，连接处通过密封硅胶密封；所述软袋的顶部开口处与所述连接块通过底漆和硅胶固定。

6.根据权利要求5所述的基于楔形刚毛束的变刚度末端执行器，其特征在于：所述负压通道的第一端处设置有滤网，所述滤网通过胶水与所述连接块固定。

7.根据权利要求1所述的基于楔形刚毛束的变刚度末端执行器，其特征在于：所述楔形刚毛束的表面设置有多根楔形刚毛，多根所述楔形刚毛平行阵列式分布。

8.根据权利要求1所述的基于楔形刚毛束的变刚度末端执行器，其特征在于：所述软袋为半球形，采用硅橡胶或软胶材料制成；

所述软袋通过3D打印模具或机加工模具浇注制备而成；

所述颗粒物选用玻璃珠、玻璃砂或沙子。

Images