CN113276140A - 一种磁控颗粒阻塞型自适应球形抓取器 - Google Patents

Abstract

本发明属于软体机器人自动化作业领域，涉及一种磁控颗粒阻塞型自适应球形抓取器，包括柔性抓手与磁场控制装置；所述柔性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，调整柔性抓手形态；所述基座上开设有与蒙皮内部相连通的储存腔，用于容纳至少部分磁流变材料在柔性抓手形态改变后进入储存腔。本发明可实现物体的快速、稳定、可靠、自适应抓取，并且结构简单，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

一种磁控颗粒阻塞型自适应球形抓取器

技术领域

本发明属于软体机器人自动化作业领域，涉及一种磁控颗粒阻塞型自适应球形抓取器。

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了不可缺失的重要组成部分，其中机器柔性抓手的灵活可靠性成为了直接影响机器人工作性能的关键因素。传统的机械柔性抓手按工作原理主要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，爪刺柔性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，负压吸附类柔性抓手常常无法实现可靠抓取，容易出现吸附无效的情况。

随着科学技术的不断进步，人们开始期望柔性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。这些工作对于柔性抓手的柔顺性、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磁控颗粒阻塞型自适应球形抓取器，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，容易控制，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：

一种磁控颗粒阻塞型自适应球形抓取器，包括柔性抓手与磁场控制装置；所述柔性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，调整柔性抓手形态；所述基座上开设有与蒙皮内部相连通的储存腔，用于容纳至少部分磁流变材料在柔性抓手形态改变后进入储存腔。

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柔性抓手的端部，所述外基座环绕设置在所述柔性抓手的外侧。

可选的，所述内基座内设有通道，该通道一端朝向柔性抓手设置，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柔性抓手之间。

可选的，所述通道呈“7”字型布置，一端朝向柔性抓手设置，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、软磁性颗粒和非磁性阻塞颗粒组成，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；所述非磁性阻塞颗粒包括一种或多种聚合物颗粒、木屑、碎麦粒、沙粒、糖颗粒、非磁性金属颗粒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。

可选的，所述内基座外侧壁、所述外基座侧壁上依次开设相互匹配的螺纹孔和螺纹通孔，所述螺纹孔、所述螺纹通孔分别沿所述内基座、所述外基座的侧壁圆周对称分布。

可选的，所述蒙皮表面设有多个防滑件。

本发明的有益效果在于：

1.本发明采用的磁流变材料除了高分子基体和软磁性颗粒外，还添加有非磁性阻塞颗粒，在利用磁流变效应改变柔性抓手刚度的基础上，通过阻塞效应使得非磁性阻塞颗粒相互挤压摩擦，以此进一步提高球形柔性抓手的抓持力。

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，吸引磁性颗粒向上运动进入储存腔，减少球形柔性抓手内的磁性材料，使非磁性阻塞颗粒在柔性抓手下方聚集、增加密度，导致阻塞颗粒模量增加产生阻塞效应；随后第二螺旋线圈通电产生磁场，提高尚存于蒙皮内的磁流变材料的整体模量，使球形柔性抓手刚度增加；最后柔性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膨胀大小，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磁控颗粒阻塞型自适应球形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、外基座11、通道12、螺纹孔13、环形通道14、储存腔15、外基座16、螺纹17、第一螺旋线圈18、冷却液19、第二螺旋线圈20、柔性抓手2、蒙皮21、磁流变材料22、阻塞颗粒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，为一种磁控颗粒阻塞型自适应球形抓取器，包括柔性抓手2和磁场控制装置1，柔性抓手2包括一个内部填充有磁流变材料22的球形蒙皮21，磁控装置1由内基座11、外基座16、第一螺旋线圈18和第二螺旋线圈110组成；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110位于圆弧状外檐内侧，球形蒙皮21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21的橡胶圈固定于环形通道14内，蒙皮23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21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110 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13，螺纹孔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17。

本实施案例中，所述蒙皮21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21厚度为0.2-1mm；所述磁流变材料22由高分子基体、软磁性颗粒和非磁性阻塞颗粒23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；非磁性阻塞颗粒23包括一种或多种聚合物颗粒、木屑、碎麦粒、沙粒、糖颗粒、非磁性金属颗粒中的任一种或者任意组合；软磁性颗粒的直径为1-10um，非磁性阻塞颗粒23的直径为 1-10mm；高分子基体、软磁性颗粒和非磁性阻塞颗粒的体积比为3:2:1；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21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110外接电源；所述螺纹17外接转接器；所述螺纹孔13通过外接螺钉将内基座11与外基座16固定起来。

下面结合图1和图2，介绍本发明装置的工作原理：

本实施案例初始状态如图1所示，蒙皮21的下部区域与物体相接触，磁流变材料22具有很好的流动性，蒙皮21的中心区域向上发生形变，蒙皮21内部的磁流变材料22受挤压开始向上流动，柔性抓手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21下部区域的磁流变材料22向上运动，磁流变材料22中的软磁性颗粒受磁场吸引进入储存腔15，非磁性颗粒23则受重力影响依旧聚集于蒙皮21的下部区域包裹物体，且非磁性颗粒23的密度增大，相互发生挤压和摩擦频繁，非磁性颗粒23的模量开始上升；随后第二螺旋线圈110通电产生垂直方向的磁场，提升磁流变材料22整体模量，使之发生固化；同时非磁性颗粒23出现颗粒阻塞现象，即颗粒的流动性减小，颗粒之间的挤压与摩擦产生的力将部分作用于目标物体上；磁流变材料22的固化效果与非磁性阻塞颗粒23的阻塞效应使柔性抓手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110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及球形柔性抓手性能的影响。

本发明装置利用第一螺旋线圈18、第二螺旋线圈20、蒙皮21、非磁性阻塞颗粒23、软磁性颗粒、高分子基体、冷却液19、内基座和外基座1611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产生磁场吸引磁性颗粒向上运动进入储存腔15，减少球形柔性抓手2内的磁性材料，致使阻塞颗粒23模量增加产生阻塞效应；随后第二螺旋线圈20产生磁场提高磁流变材料22的整体模量，使球形柔性抓手2刚度增加，实现快速稳定抓取；阻塞颗粒23在球形柔性抓手2下方产生的阻塞效应给柔性抓手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)

1.一种磁控颗粒阻塞型自适应球形抓取器，其特征在于：包括柔性抓手与磁场控制装置；所述柔性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，调整柔性抓手形态；所述基座上开设有与蒙皮内部相连通的储存腔，用于容纳至少部分磁流变材料在柔性抓手形态改变后进入储存腔。

2.根据权利要求1所述的磁控颗粒阻塞型自适应球形抓取器，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柔性抓手的端部，所述外基座环绕设置在所述柔性抓手的外侧。

3.根据权利要求2所述的磁控颗粒阻塞型自适应球形抓取器，其特征在于：所述内基座内设有通道，该通道一端朝向柔性抓手设置，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所述的磁控颗粒阻塞型自适应球形抓取器，其特征在于：所述第二螺旋线圈设置在所述外基座与所述柔性抓手之间。

5.根据权利要求3所述的磁控颗粒阻塞型自适应球形抓取器，其特征在于：所述通道呈“7”字型布置，一端朝向柔性抓手设置，另一端开设在内基座的侧面。

6.根据权利要求1所述的磁控颗粒阻塞型自适应球形抓取器，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所述的磁控颗粒阻塞型自适应球形抓取器，其特征在于：所述磁流变材料由高分子基体、软磁性颗粒和非磁性阻塞颗粒组成，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；所述非磁性阻塞颗粒包括一种或多种聚合物颗粒、木屑、碎麦粒、沙粒、糖颗粒、非磁性金属颗粒中的任一种或者任意组合。

8.根据权利要求6所述的磁控颗粒阻塞型自适应球形抓取器，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。

9.根据权利要求2所述的磁控颗粒阻塞型自适应球形抓取器，其特征在于：所述内基座外侧壁、所述外基座侧壁上依次开设相互匹配的螺纹孔和螺纹通孔，所述螺纹孔、所述螺纹通孔分别沿所述内基座、所述外基座的侧壁圆周对称分布。

10.根据权利要求1所述的磁控颗粒阻塞型自适应球形抓取器，其特征在于：所述蒙皮表面设有多个防滑件。

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