CN114012763A - 一种变刚度静电吸附抓手及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及静电吸附和变刚度软抓手技术领域，具体涉及一种变刚度静电吸附抓手及其控制方法，所述变刚度静电吸附抓手包括电源和控制装置、可拉伸导电电极、介电弹性体层、变刚度层和电极保护层，所述可拉伸导电电极包括第一电极和第二电极，变刚度层、第一电极、介电弹性体层、第二电极和电极保护层层叠设置；第一电极和第二电极与电源和控制装置电连接，所述电极保护层的底面适于接触曲面物件；本发明不仅实现对曲面物件的适形吸附和稳定共形抓取作用，而且因在共形保形抓取曲面物件过程中，变刚度层处于断电状态而具有高刚度，无需对变刚度层持续性通电，起到节能保形的效果，也有效避免物件易剥离而吸附失效的问题。

Description

一种变刚度静电吸附抓手及其控制方法

技术领域

本发明涉及静电吸附和变刚度软抓手技术领域，具体而言，涉及一种变 刚度静电吸附抓手及其控制方法。

背景技术

曲面在日常生活中无处不在，典型曲面材料包括发动机叶片、碳纤维制 品和曲面显示屏等，在航空航天、汽车、家居等领域发挥着重要的作用。曲 面材料的稳定抓取和释放是其自动化生产的关键之一。当前，材料的抓取和 释放主要通过机械手和电控吸附技术。对于已知的结构化环境，机械手能够 精准、稳定的抓取各种复杂的材料；对于未知的非结构化环境，机械手存在 适应性不足，且机械手容易对表面质量要求较高的材料产生刮痕，所以不适 合用于抓取易碎、高价值的材料。电控吸附通过加电吸附、断电脱附，可以 实现稳定可控的材料抓取和释放，主要包括负压吸附和电磁吸附。负压吸附 很难在真空环境下使用，由于需要使用气泵来维持吸附，基于负压吸附的抓 手结构一般较笨重且耗能较高；负压吸附对吸附材料表面质量也有较高的要 求，一般是适用于吸附光滑表面材料。电磁吸附只能用来吸附导磁材料，由 于需要使用较重的铁芯来增加吸附力，基于电磁吸附的抓手也存在结构较笨 重、耗能较高等问题。

相比其他吸附技术，静电吸附技术的独特优势有：1)适应性强，可用来 吸附不同材料，包括导电、半导电、绝缘材料以及非导磁材料等，也可在不 同环境下使用，包括真空和多尘环境；2)结构和控制简单，无需电机和气泵， 有利于吸附系统的微型和轻量化；3)能耗低，有利于吸附系统的无绳作业； 4)可实现无损吸附，将软(柔性或者可拉伸)材料和静电吸附结合而成的软 静电吸附不会对吸附材料造成损伤，适合易碎、高价值材料的抓取。鉴于此， 静电吸附技术被广泛应用于末端执行器、触觉技术、移动机器人、主动吸附 以及太空作业等领域。

软静电吸附可以通过外力变形以适应不同的曲面(包括凸面和凹面等)， 实现对复杂曲面材料共形吸附和适形抓取。然而，现有软静电吸附在抓取较 重材料时，由于结构刚度不足而存在易剥离的缺点；将变刚度材料与结构和 静电吸附结合而成的变刚度静电吸附，可以在吸附结构低刚度状态共形吸附 复杂曲面，在其高刚度状态实现稳定适形抓取和释放。现有软静电吸附需要 持续借助外力以保持共形贴附曲面材料后的形状，这不仅需要相关的机械结 构和控制单元来实现软静电吸附的变形，保形过程也需要持续消耗一定的能 量。

发明内容

本发明解决的问题是如何设计一种针对曲面物件适形吸附和共形抓取、 避免物件掉落且保形节能的静电吸附抓手。

为解决上述问题，本发明提供一种变刚度静电吸附抓手，包括电源和控 制装置、可拉伸导电电极、介电弹性体层、变刚度层和电极保护层，所述可 拉伸导电电极包括第一电极和第二电极，所述变刚度层、所述第一电极、所 述介电弹性体层、所述第二电极和所述电极保护层层叠设置；所述第一电极 和第二电极与所述电源和控制装置电连接，以在通电时产生吸附力并使介电 弹性体层产生弯曲变形以适应曲面物件，所述电极保护层的底面适于接触曲 面物件；所述变刚度层与所述电源和控制装置电连接，以在通电时具有低刚度状态并随所述介电弹性体层变形，在断电时具有高刚度状态可使变刚度静 电吸附抓手保形。

可选地，所述可拉伸导电电极采用可被拉伸的软体导电材料制成。

可选地，所述软体导电材料为碳基可拉伸导体、液体金属基可拉伸导体 和银基可拉伸导体中任一种。

可选地，所述介电弹性体层和所述电极保护层采用可被拉伸变形的软体 绝缘材料制成。

可选地，所述软体绝缘材料为硅胶弹性体和丙烯酸酯弹性体中任一种。

可选地，所述变刚度层包括加热电极结构和变刚度结构，所述加热电极 结构与所述变刚度结构连接，所述加热电极结构适于与所述电源和控制装置 电连接，所述变刚度结构适于在所述加热电极结构通电时具有低刚度状态， 在所述加热电极结构断电时具有高刚度状态。

可选地，所述变刚度层还包括电极保护结构，所述加热电极结构和所述 变刚度结构为一体成型结构，所述电极保护结构与所述一体成型结构紧贴设 置。

可选地，所述加热电极结构设置于所述变刚度结构内。

可选地，所述变刚度层还包括电极保护结构，所述电极保护结构、所述 加热电极结构和所述变刚度结构层叠设置，且所述变刚度结构与所述可拉伸 导电电极紧贴设置。

可选地，所述变刚度结构采用形状记忆聚合物、低熔点合金和石蜡中任 一种制成。

可选地，所述电源和控制装置对所述第二电极通电，产生静电吸附力用 于吸附平面物件；

对于曲面物件的吸附，所述电源和控制装置同时对所述第一电极和所述 第二电极通电产生静电吸附力，或，在所述变刚度层处于高刚度状态下，所 述电源和控制装置对第二电极通电产生静电吸附力。

可选地，所述第二电极包括梳齿型电极、螺旋电极和旋转圆盘电极中任 一种。

可选地，变刚度静电吸附抓手还包括气泵和气阀，所述变刚度层包括气 囊和设置于所述气囊内的多个柔性膜，所述气泵经所述气阀与所述气囊连通， 当所述气泵对所述气囊进行充气时，使多个所述柔性膜排列松散，所述变刚 度层处于所述低刚度状态；当所述气泵对所述气囊进行抽气时，使多个所述 柔性膜排列紧密，所述变刚度层处于所述高刚度状态。

可选地，所述变刚度层包括层叠间隔设置的多个可拉伸软体腔体结构和 多个吸附电极，各所述吸附电极分别设置于各所述可拉伸软体腔体结构内， 且各所述吸附电极分别与所述电源和控制装置电连接，当对所述吸附电极通 电时，相邻两个所述吸附电极相互吸附以使所述变刚度层处于高刚度状态， 当对所述吸附电极断电时，相邻两个所述吸附电极彼此分离以使所述变刚度 层处于低刚度状态。

与现有技术相比，本发明在吸附物件时，通过电源和控制装置与第二电 极电连接，以使第二电极产生静电吸附力，可以吸附平面物件；通过电源和 控制装置对变刚度层进行供电，以使变刚度层处于通电状态下具有低刚度进 而可变形，通过电源和控制装置与第一电极和第二电极电连接，不仅产生吸 附力并使介电弹性体层产生弯曲变形以适应曲面物件，便于吸附曲面物件， 随后在对变刚度层断电，以使变刚度层处于断电状态下具有高刚度进而可保 形，不仅实现对曲面物件的适形吸附和稳定共形抓取作用，提高适应性，而 且因在共形保形抓取曲面物件过程中，变刚度层处于断电状态而具有高刚度， 无需对变刚度层持续性通电，从而起到节能保形的效果，同时也可有效避免 因变刚度吸附抓手刚度不足而存在物件易剥离而吸附失效的问题。

本发明还提供一种变刚度静电吸附抓手控制方法，基于如上述所述的变 刚度静电吸附抓手，包括如下步骤：

对变刚度层通电，以软化所述变刚度层；

对第一电极和第二电极同时通电，以产生静电吸附力并使所述介电弹性 体层产生弯曲变形，用于适形吸附曲面物件；

对所述变刚度层断电，以硬化所述变刚度层，用于使变刚度静电吸附抓 手保形；

对所述第二电极通电，产生静电吸附力吸附所述曲面物件；

对所述第二电极断电，以释放所述曲面物件；

获取物件信息，用于判断是否吸取同样物件；

根据所述物件信息，对所述变刚度层或所述第二电极通电。

由于该静电吸附抓手控制方法基于如上述所述的静电吸附抓手，故该静 电吸附抓手控制方法至少具有上述静电吸附抓手的有益效果，在此不再赘述。

可选地，所述根据所述物件信息，对所述变刚度层或所述第二电极通电 包括：

若所述物件信息是同样物件，则对所述第二电极通电，以抓取同样物件；

若所述物件信息是不同物件，则对所述变刚度层通电，以软化所述变刚 度层。

附图说明

图1为本发明的实施例中的变刚度静电吸附抓手变形的结构示意图；

图2为本发明的实施例中的变刚度静电吸附抓手吸附平面物件的结构示 意图；

图3为本发明的实施例中的变刚度静电吸附抓手吸附曲面物件的结构示 意图；

图4为本发明的实施例中的变刚度静电吸附抓手保形后吸附曲面物件的 结构示意图；

图5为本发明的实施例中的变刚度层的结构示意图之一；

图6为本发明的实施例中的变刚度层的结构示意图之二；

图7为本发明的实施例中的变刚度层的结构示意图之三；

图8为本发明的实施例中的变刚度层的结构示意图之四；

图9为本发明的实施例中的变刚度层的结构示意图之五；

图10为本发明的实施例中的变刚度静电吸附抓手控制方法的流程示意图 之一；

图11为本发明的实施例中的变刚度静电吸附抓手控制方法的流程示意图 之二。

附图标记说明：

1-可拉伸导电电极；11-第一电极；12-第二电极；2-介电弹性体层；3- 变刚度层；31-变刚度结构；32-加热电极结构；33-电极保护结构；34-气囊； 35-柔性膜；36-可拉伸软体腔体结构；37-吸附电极；4-电极保护层；5-平面 物件；6-曲面物件；7-气泵；8-气阀；9-弯曲变形结果。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图 对本发明的具体实施例做详细的说明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以 是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是 直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言， 可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一个实施例”和“一个实 施方式”等的描述意指结合该实施例或实施方式描述的具体特征、结构、材 料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示实施方式中。在本说明书中， 对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实施方式。而且，描 述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或实施 方式以合适的方式结合。

而且，附图中Z轴表示竖向，也就是上下方向，并且Z轴的正向(也就 是Z轴的箭头指向)表示上，Z轴的负向(也就是与Z轴的正向相反的方向) 表示下；附图中X轴表示左右方向，并且X轴的正向(也就是X轴的箭头指 向)表示左，X轴的负向(也就是与X轴的正向相反的方向)表示右；同时 需要说明的是，前述Z轴、X轴的表示含义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，因此不能理解为对本发明的限制。

结合图1所示，本发明实施例提供一种变刚度静电吸附抓手，包括电源 和控制装置、可拉伸导电电极1、介电弹性体层2、变刚度层3和电极保护层 4，所述可拉伸导电电极1包括第一电极11和第二电极12，所述变刚度层3、 所述第一电极11、所述介电弹性体层2、所述第二电极12和所述电极保护层 4层叠设置；所述第一电极11和第二电极12与所述电源和控制装置电连接， 以在通电时产生吸附力并使介电弹性体层2产生弯曲变形以适应曲面物件6， 所述电极保护层4的底面适于接触曲面物件6；所述变刚度层3与所述电源和 控制装置电连接，以在通电时具有低刚度状态并随所述介电弹性体层2变形， 在断电时具有高刚度状态可使变刚度静电吸附抓手保形。

需要说明的是，电源和控制装置用于给变刚度层3和可拉伸导电电极1 提供电源，电源和控制装置包括低压电源、高压发生器和控制器，其中，低 压电源可通过第一电开关与变刚度层3电连接，控制器可以控制设置于低压 电源与变刚度层3之间电路的第一电开关的导通或关断，第一电极11和第二 电极12可通过第二电开关分别与高压发生器电连接，从而便于给第一电极11 和第二电极12通不同极性的直流电，以便于使第一电极11和第二电极12产 生吸附力且使介电弹性体层2产生弯曲变形，其中图1中多条弯曲的虚线为 变刚度静电吸附抓手的弯曲变形结果9，控制器可以控制高压发生器与第一电 极11和第二电极12之间电路的第二电开关导通或关断；第一电开关和第二 电开关可以为继电器开关、接触器开关或其他种类可以被控制器控制关断的 电开关。

介电弹性体层2可为板状结构，介电弹性体层2的面积可分别大于第一 电极11和第二电极12的面积，从而便于介电弹性体层2可完全覆盖于第二 电极12的上表面，防止第一电极11和第二电极12部分结构接触而发生短路 事故；通过将介电弹性体层2设置于第一电极11和第二电极12之间处，不 仅防止第一电极11和第二电极12发生短路事故，而且也可以随着变刚度层3 的硬度变化而变化，提高变刚度静电吸附抓手的适应性。

其中，变刚度层3在通电情况下具有低刚度状态，以使整个静电吸附抓 手软化即变形，以适应曲面物件6的表面，变刚度层3在断电状态具有高刚 度状态，可使整个变刚度静电吸附抓手产生硬化，以使整个静电吸附抓手保 持断电之前的形态，所述保形为持续保持某个形状。电源和控制装置与可拉 伸导电电极1电连接，以使可拉伸导电电极1处于通电状态下产生静电吸附 力，以吸附平面物件5或曲面物件6，可拉伸导电电极1处于断电状态下可失 去静电吸附力，以释放平面物件5或曲面物件6。电极保护层4设置于可拉伸 导电电极1朝向物件的一表面上，即覆盖第二电极12，可以起到绝缘防护作 用，避免第二电极12的高压与物件直接接触而发生对使用者的触电事故。其 中，电极保护层4在坐标系中Z轴正向方式的一面为电极保护层4的顶面， 电极保护层4在坐标系中Z轴反向方式的一面为电极保护层4的底面。变刚 度层3、可拉伸导电电极1和电极保护层4可均为板状结构。

本实施例在吸附物件时，通过电源和控制装置与第二电极12电连接，以 使第二电极12产生静电吸附力，可以吸附平面物件5；通过电源和控制装置 对变刚度层3进行供电，以使变刚度层3处于通电状态下具有低刚度进而可 变形，通过电源和控制装置与第一电极和第二电极电连接，不仅产生吸附力 并使介电弹性体层产生弯曲变形以适应曲面物件6，便于吸附曲面物件6，随 后在对变刚度层3断电，以使变刚度层3处于断电状态下具有高刚度进而可 保形，进而不仅实现对曲面物件的适形吸附和稳定共形抓取作用，提高适应 性，而且因在共形保形抓取曲面物件过程中，变刚度层3处于断电状态而具 有高刚度，无需对变刚度层3持续性通电，从而起到节能保形的效果，同时 也可有效避免因变刚度吸附抓手刚度不足而存在物件易剥离而吸附失效的问 题。

在本发明的一个实施例中，所述可拉伸导电电极1采用可被拉伸的软体 导电材料制成。

需要说明的是，通过将可拉伸导电电极1限定为可被拉伸的软体导电材 料，从而便于在对可拉伸导电电极1进行通电时，可拉伸导电电极1可以发 生形变，以适用于曲面物件6的曲面。

在本发明的一个实施例中，所述软体导电材料为碳基可拉伸导体、液体 金属基可拉伸导体和银基可拉伸导体中任一种。

需要说明的是，将软体导电材料为碳基可拉伸导体、液体金属基可拉伸 导体和银基可拉伸导体中任一种，从而在对可拉伸导电电极1的第一电极11 和第二电极12进行通电后，不仅可以产生吸附力，而且第一电极11和第二 电极12之间因通不同极性的直流电压，利用麦克斯韦应力以及软化的变刚度 层3使整个变刚度静电吸附抓手变形。其中，碳基可拉伸导体可以为石墨烯、 碳纳米管和导电碳脂中任一种；液体金属基可拉伸导体可为镓铟锡合金或复 合材料。

在本发明的一个实施例中，所述介电弹性体层2和所述电极保护层4采 用可被拉伸变形的软体绝缘材料制成。

需要说明的是，通过介电弹性体层2采用可被拉伸变形的软体绝缘材料 制成，从而不仅起到对第一电极11和第二电极12之间的绝缘作用，而且还 可以随着第一电极11和第二电极12之间的麦克斯韦力而变形，提高可拉伸 导电电极1的变形程度；通过电极保护层4采用可被拉伸变形的软体绝缘材 料制成，且电极保护层4覆盖在第二电极12朝向物件的一面，不仅可以避免 第二电极12的处于通电情况下与待吸附物件直接接触，而且还可以随着可拉 伸导电电极1一起变形，提高与物件例如曲面物件6的表面的吸附紧密度。

在本发明的一个实施例中，所述软体绝缘材料为硅胶弹性体和丙烯酸酯 弹性体中任一种。

需要说明的是，软体绝缘材料可以为硅胶弹性体和丙烯酸酯弹性体中任 一种，当然也可以为其他种类的软体绝缘材料，只要能够具有柔性性和绝缘 性的软体绝缘材料均适用于本技术方案，在此不再赘述。

在本发明的一个实施例中，结合图5至图7所示，所述变刚度层3包括 加热电极结构32和变刚度结构31，所述加热电极结构32与所述变刚度结构 31连接，所述加热电极结构32适于与所述电源和控制装置电连接，所述变刚 度结构31适于在所述加热电极结构32通电时具有低刚度状态，在所述加热 电极结构32断电时具有高刚度状态。

需要说明的是，通过加热电极结构32与变刚度结构31连接，从而在电 源和控制装置给加热电极结构32通电时，可以使加热电极结构32发热温度 升高而使变刚度结构31发热软化，以具有低刚度状态，从而随着可拉伸导电 电极1变形，以适应紧贴曲面物件6的表面，而电源和控制装置断电即不给 加热电极结构32供电，从而使变刚度层3的逐渐冷却硬化，从而使变刚度层 3具有高刚度状态而实现变刚度静电吸附抓手的保形，所述保形为变刚度层3 持续处于断电之前的形态且与曲面物件6的表面相匹配，防止曲面物件6与 静电吸附抓手脱离，实现对曲面物件6的稳定持续保形抓取，而且在保形后 不在给第一电极11供电，从而降低能耗，同时也可避免持续挤压介电弹性体 层2，进而延长其使用寿命。

其中，加热电极结构32可以为石墨烯、碳纳米管等可拉伸导电加热电极 材料中的一种制成。

在本发明的一个实施例中，结合图5所示，所述变刚度层3还包括电极 保护结构33，所述加热电极结构32和所述变刚度结构31为一体成型结构， 所述电极保护结构33与所述一体成型结构紧贴设置。

需要说明的是，通过将加热电极结构32与变刚度结构31设置为一体结 构，即可为带有电热性的变刚度材料制成，从而不仅减少变刚度层3的厚度， 而且也减少加热电极结构32与变刚度结构31的拆除维护频次。通过电极保 护结构33与所述一体成型结构紧贴设置，从而利用电极保护结构33可以对 一体成型结构进行绝缘防护。所述电极保护结构33可以采用橡胶、丙烯酸酯 弹性体、硅胶弹性体等可拉伸绝缘材料制成。

在本发明的一个实施例中，结合图6所示，所述加热电极结构32设置于 所述变刚度结构31内。

需要说明的是，加热电极结构32的数量为至少一个，将加热电极结构32 设置于变刚度结构31内，在加热电极结构32进行通电时，加热电极结构32 发热以使变刚度结构31软化，从而便于适应曲面物件6的表面；在加热电极 结构32断电之后，变刚度结构31硬化即温度降低硬化，从而保持通电之前 的形状以实现保形作用。且由于加热电极结构32设置于所述变刚度结构31 内，此时变刚度结构31还可以起到对加热电极结构32的绝缘防护作用，防止发生触电事故。

在本发明的一个实施例中，结合图7所示，所述变刚度层3还包括电极 保护结构33，所述电极保护结构33、所述加热电极结构32和所述变刚度结 构31层叠设置，且所述变刚度结构31与所述可拉伸导电电极1紧贴设置。

需要说明的是，通过电极保护结构33、加热电极结构32和变刚度结构 31层叠设置，此时电极保护结构33设置于加热电极结构32的上表面，变刚 度结构31设置于加热电极结构32的下表面且与可拉伸导电电极1紧贴设置， 此时变刚度结构31和电极保护结构33可以对加热电极结构32起到绝缘防护 作用，而加热电极结构32在通电受热后产生的热量会使变刚度结构31软化 变形，以适应曲面物件，在断电冷却后会硬化，从而起到保形作用。

在本发明的一个实施例中，所述变刚度结构31采用形状记忆聚合物、低 熔点合金和石蜡中任一种制成。

需要说明的是，变刚度结构31可采用形状记忆聚合物(SMP)、低熔点合 金以及石蜡中的一种制成，从而在通电受热时，具有低刚度可变形，在断电 温度降低，而具有高刚度可保形；其中，变刚度结构31可被制作成矩形块 结构，也可以制作成其他形状，在此不做具体限定。

在本发明的一个实施例中，所述电源和控制装置对所述第二电极(12)通 电，产生静电吸附力用于吸附平面物件5；

对于曲面物件6的吸附，所述电源和控制装置同时对所述第一电极11和 所述第二电极12通电产生静电吸附力，或，在所述变刚度层3处于高刚度状 态下，所述电源和控制装置对第二电极12通电产生静电吸附力。

需要说明的是，结合图2所示，在吸附平面物件5时，电源和控制装置 中的高压发生器例如静电发生器可通过导线与第二电极12电连接，利用静电 发生器产生的高压静电荷经导电传输至第二电极12，此时通过静电场使与电 极保护层接触的平面物件5表面感应极化，产生大量极性相反的束缚电荷， 从而通过库仑力使可拉伸导电电极1牢固的吸附平面物件5。

在吸附曲面物件6时，有多种不同加电方式，电源和控制装置包括高压 发生器，高压发生器可选用正负极性直流高压发生器，例如，正负极性直流 高压发生器分别对应给第一电极11和第二电极12分别通极性相反的高压负 电荷和高压正电荷，此时可拉伸导电电极1可产生麦克斯韦力与静电吸附力， 在控制包括第一电极11、第二电极12和介电弹性体层2的变刚度静电吸附抓 手变形的同时还吸附曲面物件6，图3中带箭头的虚线为第一电极11和第二 电极12之间磁场的磁力线变化，由于第一电极11和第二电极12分别通负极 和正电，从而使第一电极11和第二电极12的极性相反而产生麦克斯韦力， 从而使第一电极11、第二电极12和介电弹性体层2发生变形，以带动处于低 刚度状态下变刚度层3进行变形。

结合图4所示，第二电极12的数量可为多个，且多个第二电极12间隔 设置，在变刚度静电吸附抓手适形吸附曲面物件6之后为了保形，可只对相 邻两个第二电极12分别通正电和负电，以产生静电吸附力从而不仅实现稳定 吸附曲面物件的作用，而且因不用对第一电极11通电，可以减少能耗，图4 中带箭头的虚线为第二电极12磁场磁力线的变化。

其中，图3和图4中介电弹性体层2的左右两端可适于与固定件连接， 从而起到固定端约束，防止介电弹性体层2过度变形，介电弹性体层2在坐 标系中X轴正向的一侧为介电弹性体层2的左侧，介电弹性体层2在坐标系 中X轴反向的一侧为介电弹性体层2的右侧。

第一电极11可采用单个均匀电极，第一电极11的有效尺寸可小于或等 于变刚度层3的尺寸，从而便于变刚度层3对第一电极11进行绝缘防护。第 二电极12的数量为多个，多个第二电极12间隔排列，从而提高静电吸附力 的变形程度，在此不做具体限定。

在本发明的一个实施例中，所述第一电极11的数量为一个，所述第二电 极12的数量为多个；或，所述第一电极11和所述第二电极12的数量均为多 个,多个所述第一电极11和多个所述第二电极12分别间隔设置。

需要说明的是，第一电极11的数量为一个或多个，第一电极11的面积 要小于或等于变刚度层3或介电弹性体层2的面积，第二电极12的数量为多 个，间隔设置的多个第二电极12的面积总和要小于或等于介电弹性体层2， 从而避免第一电极11因超出介电弹性体层2上表面的区域结构而与第二电极 12产生短路事故，第一电极11的中心轴线、第二电极12的中心轴线与变刚 度层3、介电弹性体层2、第一电极保护层4的中心轴线重合，从而保证包括 第一电极11和第二电极12的可拉伸导电电极1、变刚度层3以及电极保护层 4在软化变形过程中变形更加均匀，使变刚度静电吸附抓手更紧密的吸附物 件，从而提高吸附牢固性，防止物件脱落。

若第一电极11的数量为一个，第一电极11可为板状结构，第二电极12 的数量为多个，第二电极可为条状结构，此时多个第二电极12可呈一排或阵 列式平行间隔设置，可将第一电极11和第二电极12在坐标系中X轴方向上 的部位定义为第一电极11和第二电极的宽度，第一电极11和第二电极12在 水平面上与X轴垂直方向上的部位定义为第一电极11和第二电极12的长度， 此时第一电极11的宽度要大于多个第二电极12的宽度之和；若多个第二电 极12呈一排间隔设置，则第一电极11和第二电极12的长度相匹配，若多个 第二电极12呈阵列式间隔排列，则第一电极11的长度要大于多个第二电极 12的长度。例如图3和图4所示，此时第一电极11和多个第二电极12因加 极性相反的直流电而产生麦克斯韦力，不仅产生变形以适应曲面物件6，而且 也可产生静电吸附力。

若第一电极11和第二电极12的数量均为多个，第一电极11和第二电极 12均为条状结构或块状结构，第一电极11的数量和第二电极12的数量可以 相等，第一电极11和第二电极12的排列设置方式一致，此时多个第一电极 11和多个第二电极12可分别呈一排间隔设置，或第一电极11和第二电极12 分别呈阵列式设置，此时第一电极11的长度和宽度分别与第二电极12的长 度和宽度相匹配，以保证第一电极11和第二电极12在通电之后，第一电极 11和第二电极12的变形程度一致，以提高变刚度静电吸附抓手与曲面物件6 的适形吸附紧密度。第一电极11的数量和第二电极12的数量可以不等，即 多个第一电极11呈一排间隔设置，多个第二电极12呈阵列式间隔设置，此 时第一电极11的长度和宽度分别大于第二电极12的长度之和和宽度之和； 或，多个第二电极12呈一排间隔设置，多个第一电极11呈阵列式间隔设置， 此时第二电极12的长度和宽度分别大于第一电极11的长度之和与宽度之和， 这种排列方式可以增加包括第一电极11和第二电极12的可拉伸导电电极1 的变形程度和变形面积，提高与曲面物件的适形吸附紧密度。

在本发明的一个实施例中，第二电极12包括梳齿型电极、螺旋电极和旋 转圆盘电极中任一种。

需要说明的是，由于第二电极12在保形过程中单独通电可产生吸附力， 故第二电极12的数量可为多个，此时多个第二电极12间隔设置。第二电极 12可采用梳齿型电极、螺旋电极或旋转圆盘电极，当然也可以采用其他形状， 只要能够实现在通电状态下产生吸附力断电状态下失去吸附力的形状或排列 方式均适用于本技术方案，在此不再赘述。

在本发明的一个实施例中，结合图8所示，变刚度静电吸附抓手还包括 气泵7和气阀8，所述变刚度层3包括气囊34和设置于所述气囊34内的多个 柔性膜35，所述气泵7经所述气阀8与所述气囊34连通，当所述气泵7对所 述气囊34进行充气时，使多个所述柔性膜35排列松散，所述变刚度层3处 于所述低刚度状态；当所述气泵7对所述气囊34进行抽气时，使多个所述柔 性膜35排列紧密，所述变刚度层3处于所述高刚度状态。

需要说明的是，气囊34为内部空心的壳体结构，多个柔性膜35层叠设 置于气囊34内，气泵设置于变刚度层3的一侧，所述气泵7经所述气阀8与 所述气囊34连通，当需要使变刚度层3软化具有或处于低刚度状态时，使气 泵7向气囊34内充气，从而使气囊34体积变大，同时气囊34内部的气体使 多个柔性膜35排列松散，进而使变刚度层3具有低刚度状态可变形，具体见 图8中处于上侧的图纸；当需要使变刚度层3硬化具有或处于高刚度状态时， 使气泵7对气囊34进行抽气，从而使气囊34体积变小，同时气囊34内部的 气体因被抽出而使多个柔性膜35排列更加紧密，进而使变刚度层3具有高刚 度状态可保形，具体见图8中处于下侧的图纸。其中，气阀8用于控制气泵7 是否向气囊34充气或抽气，气阀8可以为电磁阀，也可以为其他阀门，只要 能够控制气泵7与气囊34之间管路导通或关断的阀门均适用于本技术方案， 在此不做具体限定。

在本发明的一个实施例中，结合图9所示，所述变刚度层3包括层叠间 隔设置的多个可拉伸软体腔体结构36和多个吸附电极37，各所述吸附电极 37分别设置于各所述可拉伸软体腔体结构36内，且各所述吸附电极37分别 与所述电源和控制装置电连接，当对所述吸附电极37通电时，相邻两个所述 吸附电极37相互吸附以使所述变刚度层3处于高刚度状态；当对所述吸附电 极37断电时，相邻两个所述吸附电极37彼此分离以使所述变刚度层3处于 低刚度状态。

需要说明的是，多个可拉伸软体腔体结构36层叠间隔设置，可以理解为： 相邻两个可拉伸软体腔体结构36的端部连接到一起，而相邻两个可拉伸软体 腔体结构36的端部以外其他部位之间预设间隔，在每个可拉伸软体腔体结构 36的内部安装一个吸附电极37，所述电源和控制装置包括低压电源，此时低 压电源可以为直流电源模块，层叠设置的相邻两个吸附电极37分别与直流电 源模块输出端的正极端和负极端电连接。故当需要使变刚度层3软化具有或 处于低刚度状态时，断开电源和控制装置与吸附电极37之间的电路，此时吸 附电极37因不带电而相互分离，从而使多个可拉伸软体腔体结构因失去吸附 电极37的作用力而弹性回复，进而使变刚度层3具有低刚度状态可变形，具 体见图9中处于上侧的图纸；当需要使变刚度层3硬化具有或处于高刚度状 态时，利用电源和控制装置对相邻两个吸附电极37分别通正负电，从而使相 邻两个吸附电极37彼此吸附，相邻两个可拉伸软体腔体结构之间的间隔被压 缩，进而使变刚度层3具有高刚度状态可保形，具体见图9中处于下侧的图 纸。

结合图10所示，本发明另一实施例提供一种变刚度静电吸附抓手控制方 法，基于如上述实施例所述的变刚度静电吸附抓手，包括如下步骤：

S1、对变刚度层3通电，以软化所述变刚度层3；

S2、对第一电极11和第二电极12同时通电，以产生静电吸附力并使所 述介电弹性体层2产生弯曲变形，用于适形吸附曲面物件6；

S3、对所述变刚度层3断电，以硬化所述变刚度层3，用于使变刚度静电 吸附抓手保形；

S4、对所述第二电极12通电，产生静电吸附力吸附所述曲面物件6；

S5、对所述第二电极12断电，以释放所述曲面物件6；

S6、获取物件信息，用于判断是否吸取同样物件；

S7、根据所述物件信息，对所述变刚度层3或所述第二电极12通电。

需要说明的是，结合图10和图11所示，在步骤S1中，在对变刚度层3 通电之前，移动变刚度静电吸附抓手至待吸附物件处，然后对变刚度层3进 行通电，以使变刚度层3软化，从而便于电极保护层4紧贴物件，其中，物 件可以为上表面平整的平面物件5，也可以为上表面为凹面的曲面物件6。

在步骤S2中，对可拉伸导电电极1通电，分为两种情况，若物件为平面 物件5，则只需要对可拉伸导电电极1中的第二电极12通电，以产生静电吸 附力并吸附平面物件5；若物件为曲面物件6，则需要对可拉伸导电电极1中 第一电极11和第二电极12分别加极性相反的直流电压，利用麦克斯韦应力 以及软化的变刚度层3使整个变刚度静电吸附抓手变形，从而使整个变刚度 静电吸附抓手向待吸附的曲面物件的上表面弯曲，从而利用静电吸附力例如 强电场并吸附曲面物件6，以实现适形吸附动作。

在步骤S3中，对变刚度层3中的加热电极结构32断电，使变刚度层3 中的变刚度结构31温度降低而具有高刚度状态起到保形作用，从而可以避免 曲面物件6脱离静电吸附抓手，实现共形抓取动作。

在步骤S4中，只对可拉伸导电电极1中的第二电极12加高压正电，从 而在保证平稳吸附曲面物件6的基础上，不仅可以降低能耗，而且因第一电 极11没有通电而使介电弹性体层2不再受到第一电极11和第二电极12之间 的挤压力，进而延长了静电吸附抓手的使用寿命。而且，在平稳吸附曲面物 件6之后，移动抓手，用于将曲面物件6移动至目的地。

在步骤S5中，控制变刚度静电吸附抓手将物件移动至目的地之后，对第 二电极断电，从而使曲面物件6顺利脱离变刚度静电吸附抓手。

在步骤S6中，获取物件信息，用于判断是否吸取同样物件。

在步骤S7中，根据所述物件信息，对所述变刚度层3或所述第二电极12 通电，从而在本次抓取物件之间，要判断本此待抓取的物件与之前抓取的物 件相比，是否是同样物件，便于选择对变刚度层3或第二电极12通电，以进 行不同的控制操作。

在本发明的一个实施例中，所述根据所述物件信息，对所述变刚度层3 或所述第二电极12通电包括：

若所述物件信息是同样物件，则对所述第二电极12通电，以抓取同样物 件；

若所述物件信息是不同物件，则对所述变刚度层3通电，以软化所述变 刚度层3。

需要说明的是，若判断是抓取同样类型的物件，则返回至步骤S4，进行 抓取；若判断不是抓取同样类型的物件，则回到步骤S1重新进行适形吸附。

在步骤S7之后，如完成吸附物件作业，即不再抓取物件，则对变刚度层 3进行通电加热进行软化，以使变刚度层3回到初始状态即平整形态。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术 人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些 变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种变刚度静电吸附抓手，其特征在于，包括电源和控制装置、可拉伸导电电极(1)、介电弹性体层(2)、变刚度层(3)和电极保护层(4)，所述可拉伸导电电极(1)包括第一电极(11)和第二电极(12)，所述变刚度层(3)、所述第一电极(11)、所述介电弹性体层(2)、所述第二电极(12)和所述电极保护层(4)层叠设置；所述第一电极(11)和第二电极(12)与所述电源和控制装置电连接，以在通电时产生吸附力并使介电弹性体层(2)产生弯曲变形以适应曲面物件(6)，所述电极保护层(4)的底面适于接触曲面物件(6)；所述变刚度层(3)与所述电源和控制装置电连接，以在通电时具有低刚度状态并随所述介电弹性体层(2)变形，在断电时具有高刚度状态可使变刚度静电吸附抓手保形。

2.根据权利要求1所述的变刚度静电吸附抓手，其特征在于，所述可拉伸导电电极(1)采用可被拉伸的软体导电材料制成。

3.根据权利要求1所述的变刚度静电吸附抓手，其特征在于，所述介电弹性体层(2)和所述电极保护层(4)采用可被拉伸变形的软体绝缘材料制成。

4.根据权利要求1至3任一项所述的变刚度静电吸附抓手，其特征在于，所述变刚度层(3)包括加热电极结构(32)和变刚度结构(31)，所述加热电极结构(32)与所述变刚度结构(31)连接，所述加热电极结构(32)与所述电源和控制装置电连接，所述变刚度结构(31)适于在所述加热电极结构(32)通电时具有低刚度状态，在所述加热电极结构(32)断电时具有高刚度状态。

5.根据权利要求4所述的变刚度静电吸附抓手，其特征在于，所述变刚度层(3)还包括电极保护结构(33)，所述加热电极结构(32)和所述变刚度结构(31)为一体成型结构，所述电极保护结构(33)与所述一体成型结构紧贴设置。

6.根据权利要求4所述的变刚度静电吸附抓手，其特征在于，所述加热电极结构(32)设置于所述变刚度结构(31)内。

7.根据权利要求4所述的变刚度静电吸附抓手，其特征在于，所述变刚度层(3)还包括电极保护结构(33)，所述电极保护结构(33)、所述加热电极结构(32)和所述变刚度结构(31)层叠设置，且所述变刚度结构(31)与所述可拉伸导电电极(1)紧贴设置。

8.根据权利要求1所述的变刚度静电吸附抓手，其特征在于，所述电源和控制装置对所述第二电极(12)通电，产生静电吸附力用于吸附平面物件(5)；对于曲面物件(6)的吸附，所述电源和控制装置同时对所述第一电极(11)和所述第二电极(12)通电产生静电吸附力，或在所述变刚度层(3)处于高刚度状态下，所述电源和控制装置对第二电极(12)通电产生静电吸附力。

9.根据权利要求1所述的变刚度静电吸附抓手，其特征在于，还包括气泵(7)和气阀(8)，所述变刚度层(3)包括气囊(34)和设置于所述气囊(34)内的多个柔性膜(35)，所述气泵(7)经所述气阀(8)与所述气囊(34)连通，当所述气泵(7)对所述气囊(34)进行充气时，使多个所述柔性膜(35)排列松散，所述变刚度层(3)处于所述低刚度状态；当所述气泵(7)对所述气囊(34)进行抽气时，使多个所述柔性膜(35)排列紧密，所述变刚度层(3)处于所述高刚度状态。

10.根据权利要求1所述的变刚度静电吸附抓手，其特征在于，所述变刚度层(3)包括层叠间隔设置的多个可拉伸软体腔体结构(36)和多个吸附电极(37)，各所述吸附电极(37)分别设置于各所述可拉伸软体腔体结构(36)内，且各所述吸附电极(37)分别与所述电源和控制装置电连接，当对所述吸附电极(37)通电时，相邻两个所述吸附电极(37)相互吸附以使所述变刚度层(3)处于高刚度状态；当对所述吸附电极(37)断电时，相邻两个所述吸附电极(37)彼此分离以使所述变刚度层(3)处于低刚度状态。

11.一种变刚度静电吸附抓手控制方法，基于如权利要求1至10任一项所述的变刚度静电吸附抓手，其特征在于，包括如下步骤：

对变刚度层(3)通电，以软化所述变刚度层(3)；

对第一电极(11)和第二电极(12)同时通电，以产生静电吸附力并使介电弹性体层(2)产生弯曲变形，用于适形吸附曲面物件(6)；

对所述变刚度层(3)断电，以硬化所述变刚度层(3)，用于使变刚度静电吸附抓手保形；

对所述第二电极(12)通电，产生静电吸附力吸附所述曲面物件(6)；

对所述第二电极(12)断电，以释放所述曲面物件(6)；

获取物件信息，用于判断是否吸取同样物件；

根据所述物件信息，对所述变刚度层(3)或所述第二电极(12)通电。

12.根据权利要求11所述的变刚度静电吸附抓手控制方法，其特征在于，

所述根据所述物件信息，对所述变刚度层(3)或所述第二电极(12)通电包括：

若所述物件信息是同样物件，则对所述第二电极(12)通电，以抓取同样物件；

若所述物件信息是不同物件，则对所述变刚度层(3)通电，以软化所述变刚度层(3)。

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