CN113246160A - 一种带有折纸结构的磁控柔性抓取器 - Google Patents

Abstract

本发明属于软体机器人自动化作业技术领域，涉及一种带有折纸结构的磁控柔性抓取器，包括抓手与磁场控制装置；所述抓手包括内部填充有磁流变材料的蒙皮；所述磁场控制装置包括基座以及设置在基座上的螺旋线圈；所述蒙皮设置在所述基座上，通过所述螺旋线圈调整蒙皮内磁流变材料的磁场，调整抓手形态。本发明可实现物体的快速、稳定、可靠、自适应抓取，结构简单，实用性强，抓取力大，兼容性强，易于装配，可用于抓取类机器人。

Description

一种带有折纸结构的磁控柔性抓取器

技术领域

本发明属于软体机器人自动化作业技术领域，涉及一种带有折纸结构的磁控柔性抓取器。

背景技术

近年来，随着时代科技的发展，机器人技术在社会生活、工业生产等诸多领域成为不可缺失的重要组成部分，其中机械抓手的灵活可靠性成为直接影响机器人工作性能的关键因素。传统的机械抓手按工作原理可大致分为爪刺抓取和负压吸附两大类。爪刺抓取是模拟人类指关节对物体进行夹持操作，夹持力常为恒定力矩。但是，当抓取易碎物品，或无法得知抓取所需具体力度的情况下，爪刺抓手容易对物品造成损坏，无法实现精准抓取。负压吸附则是模拟章鱼、壁虎等生物的吸盘结构对物体进行吸附操作，需要依靠电机对吸盘抽真空。然而，在面对表面不平整、或表面具有裂缝的物品时，负压吸附类抓手常常无法实现可靠抓取，容易出现吸附无效的情况。

随着技术要求的不断提高，人们开始期望抓手能够完成对危险易碎物品的精准抓取，例如实现易燃易爆物品的转移拆除、微小医疗器械的可靠抓取、食品果蔬的有效分拣等。这些工作对于抓手的柔顺性、可靠性、高效性的要求极高。因而，具备可变形能力的柔性抓手便开始引起社会的广泛关注。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种带有折纸结构的磁控柔性抓取器，该装置用于抓取物体，可以自动适应物体形状，并且抓持力大，结构简单，控制容易，能够实现快速稳定操作。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种带有折纸结构的磁控柔性抓取器，包括抓手与磁场控制装置；所述抓手包括内部填充有磁流变材料的蒙皮；所述磁场控制装置包括基座以及设置在基座上的螺旋线圈；所述蒙皮设置在所述基座上，通过所述螺旋线圈调整蒙皮内磁流变材料的磁场，调整抓手形态。

可选的，所述基座包括相互连接的内基座和外基座，所述内基座设置在所述抓手的端部，所述外基座环绕设置在所述抓手的外侧。

可选的，所述内基座内设有通道，该通道一端朝向抓手设置，另一端开设在内基座的外表面；所述螺旋线圈包括第一螺旋线圈及第二螺旋线圈，所述第一螺旋线圈设置在通道内，并连通至通道外侧。

可选的，所述第二螺旋线圈设置在所述外基座与所述抓手之间。

可选的，所述通道呈“7”字型布置，一端朝向抓手设置，另一端开设在内基座的侧面。

可选的，所述基座内设有用于存放冷却液的内腔，所述冷却液用于冷却螺旋线圈。

可选的，所述磁流变材料由高分子基体和软磁性颗粒组成，所述高分子基体包括聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚酰亚胺、共聚酯、水凝胶、硅橡胶、环氧树脂中的任一种或者任意组合；所述软磁性颗粒包括纯铁粉、羰基铁粉、羰基镍粉、铁镍合金粉末、硅钢粉中的任一种或者任意组合。

可选的，所述蒙皮的内部以三浦折纸为骨架，其展开或折叠改变所述抓手内腔形状。

可选的，所述三浦折纸材料可由聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺中的任一种或者任意组合。

可选的，所述冷却液包括纯水、酒精型冷却液、甘油型冷却液、乙二醇型冷却液、丙二醇型冷却液中的任一种或者任意组合。

本发明的有益效果在于：

1.本发明采用磁流变材料和三浦折纸骨架来填充蒙皮内部，可在抓取过程中被动适应物体形态，在利用磁流变效应改变抓手刚度的基础上，通过三浦折纸骨架向内收缩带来的夹持力为柔性抓手提供更高的抓持力。

2.本发明采用两段式磁场控制；第一螺旋线圈通电产生磁场，吸引磁流变材料向上运动，在抓手上方聚集，挤压并带动以三浦折纸为骨架的蒙皮向外张开，多余的磁流变材料进入储存腔；随后第二螺旋线圈通电产生磁场，提高磁流变材料的模量，使之固化并压迫三浦折纸骨架向内收缩，使柔性抓手刚度增加；最后抓手与物体间相互挤压，增大摩擦力，实现快速稳定抓取物体。

3、本发明的外基座圆弧状外檐限制蒙皮的张开大小，内基座下侧的储存腔为磁流变材料的向上运动预留出空间，内基座和外基座夹层内的冷却液可以吸收并耗散线圈工作中产生的热量，三者在抓取过程中对折纸结构增强型磁控柔性抓取器起到了保护和稳定的作用。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为图2的B区放大图；

图4为图2的C区放大图。

附图标记：磁场控制装置1、内基座11、通道12、螺钉13、环形通道14、储存腔15、外基座16、第二螺旋线圈17、第一螺旋线圈18、冷却液19、抓手2、三浦折纸骨架21、磁流变材料22、蒙皮23。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图4，为一种带有折纸结构的磁控柔性抓取器，包括抓手2和磁场控制装置1；所述抓手由一个内部含有三浦折纸骨架21和磁流变材料22的球形蒙皮23组成，磁场控制装置1由内基座11、外基座16、第一螺旋线圈18和第二螺旋线圈17组成；三浦折纸骨架2121为固定于内基座11下侧的碗状可伸缩骨架；内基座11内部设有通道12，通道12呈“7”型，第一螺旋线圈18固定于通道12内部并从通道12的侧壁通孔伸出；外基座16含有圆弧状外檐，第二螺旋线圈17位于圆弧状外檐内侧，球形蒙皮23由圆弧状外檐所覆盖；外基座16与内基座11之间有环形通道14，蒙皮23的橡胶圈固定于环形通道14内，蒙皮23的外表面设有多个防滑件；内基座11底部开设储存腔15，储存腔15与蒙皮23相通；内基座11与外基座16夹层内含有冷却液19，冷却液19沿第一螺旋线圈18和第二螺旋线圈17环绕式分布；内基座11与外基座16开设有相互匹配的螺纹孔，螺纹孔和螺钉13沿内基座11与外基座16的侧壁圆周对称分布；内基座11上侧设有螺纹。

本实施案例中，所述蒙皮23为聚氨酯弹性材料薄膜，具有抗磨损、抗刺穿、高延展性和伸缩性的优点，蒙皮23厚度为0.2-1mm；所述磁流变材料22由高分子基体和软磁性颗粒组成；高分子基体包括聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚酰亚胺、共聚酯、水凝胶、硅橡胶、环氧树脂中的任一种或者任意组合；软磁性颗粒包括纯铁、铁氧体、硅钢、铁镍合金、铁铝合金中的任一种或者任意组合；软磁性颗粒的直径为1-10um；高分子基体和软磁性颗粒的体积比为3:2；所述三浦折纸骨架21材料可由树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺中的任一种或者任意组合；所述冷却液19包括纯水、酒精型冷却液、甘油型冷却液、乙二醇型冷却液、丙二醇型冷却液中的任一种或者任意组合。

本实施案例中，所述储存腔15为一个圆形凹槽，储存腔15与蒙皮23相通，磁流变材料22可受磁场影响向上进入储存腔15；第一螺旋线圈18和第二螺旋线圈17外接电源；所述螺纹17外接转接器；所述螺纹孔和螺钉13将内基座11与外基座16固定起来。

本实施案例初始状态如图1所示，蒙皮23的下部区域与物体相接触，附有三浦折纸骨架21的蒙皮23受挤压开始张开，磁流变材料22具有很好的流动性，折纸结构抓手2逐渐自适应物体形态并包裹物体；第一螺旋线圈18通电产生垂直方向的磁场，吸引位于蒙皮23下部区域的磁流变材料22向上运动并聚集于折纸结构抓手2上方，挤压并带动三浦折纸骨架21向外张开，折纸结构抓手2进一步包裹物体，多余的磁流变材料22受磁场吸引进入储存腔15；随后第二螺旋线圈17通电产生垂直方向的磁场，提高磁流变材料22的模量，使之固化并压迫三浦折纸骨架21向内收缩；磁流变材料22与三浦折纸骨架21之间的挤压和摩擦产生的力部分作用到物体上，表现为折纸结构抓手2与物体之间相互挤压，两者之间摩擦力增大；磁流变材料22的固化效果与三浦折纸骨架21共同作用使得柔性抓手2刚度提高，从而实现目标物体的抓取。

本实施案例中，第一螺旋线圈18和第二螺旋线圈17在工作过程中会散发热量，而位于内基座11和外基座16夹层内的冷却液则会吸收并耗散热量，达到散热目的，防止热量对磁流变材料22及抓手2性能的影响。

本发明装置利用第一螺旋线圈18、第二螺旋线圈17、蒙皮23、三浦折纸骨架21、软磁性颗粒、高分子基体、冷却液19、内基座11和外基座16等综合实现了自适应抓取功能，其核心原理是：第一螺旋线圈18产生磁场吸引磁流变材料22向上运动，带动以折纸结构为骨架的蒙皮23开始向上打开包裹物体；随后第二螺旋线圈17产生磁场提高磁流变材料22的整体模量，并结合三浦折纸骨架21的向内收缩，使柔性抓手2刚度增加，实现目标物体的抓取；三浦折纸骨架21的向内收缩给柔性抓手2带来更大的抓持力；该装置可以实现物体的快速稳定抓取，能够自动适应物体形态，抓持力大，结构简单，控制容易，实用性更强。

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)

1.一种带有折纸结构的磁控柔性抓取器，其特征在于：包括抓手与磁场控制装置；所述抓手包括内部填充有磁流变材料的蒙皮；所述磁场控制装置包括基座以及设置在基座上的螺旋线圈；所述蒙皮设置在所述基座上，通过所述螺旋线圈调整蒙皮内磁流变材料的磁场，调整抓手形态。

2.根据权利要求1所述的带有折纸结构的磁控柔性抓取器，其特征在于：所述基座包括相互连接的内基座和外基座，所述内基座设置在所述抓手的端部，所述外基座环绕设置在所述抓手的外侧。

3.根据权利要求2所述的带有折纸结构的磁控柔性抓取器，其特征在于：所述内基座内设有通道，该通道一端朝向抓手设置，另一端开设在内基座的外表面；所述螺旋线圈包括第一螺旋线圈及第二螺旋线圈，所述第一螺旋线圈设置在通道内，并连通至通道外侧。

4.根据权利要求3所述的带有折纸结构的磁控柔性抓取器，其特征在于：所述第二螺旋线圈设置在所述外基座与所述抓手之间。

5.根据权利要求3所述的带有折纸结构的磁控柔性抓取器，其特征在于：所述通道呈“7”字型布置，一端朝向抓手设置，另一端开设在内基座的侧面。

6.根据权利要求1所述的带有折纸结构的磁控柔性抓取器，其特征在于：所述基座内设有用于存放冷却液的内腔，所述冷却液用于冷却螺旋线圈。

7.根据权利要求1所述的带有折纸结构的磁控柔性抓取器，其特征在于：所述磁流变材料由高分子基体和软磁性颗粒组成，所述高分子基体包括聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚酰亚胺、共聚酯、水凝胶、硅橡胶、环氧树脂中的任一种或者任意组合；所述软磁性颗粒包括纯铁粉、羰基铁粉、羰基镍粉、铁镍合金粉末、硅钢粉中的任一种或者任意组合。

8.根据权利要求1所述的带有折纸结构的磁控柔性抓取器，其特征在于：所述蒙皮的内部以三浦折纸为骨架，其展开或折叠改变所述抓手内腔形状。

9.根据权利要求8所述的带有折纸结构的磁控柔性抓取器，其特征在于：所述三浦折纸材料可由聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺中的任一种或者任意组合。

10.根据权利要求6所述的带有折纸结构的磁控柔性抓取器，其特征在于：所述冷却液包括纯水、酒精型冷却液、甘油型冷却液、乙二醇型冷却液、丙二醇型冷却液中的任一种或者任意组合。

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