CN114102649B - 一种基于介电弹性体实现物体旋转的机械爪及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于介电弹性体实现物体旋转的机械爪及其使用方法。该机械爪，包括基座、夹持驱动组件和不少于两个爪体单元。各个爪体单元均安装在基座上，且能够在夹持驱动组件的驱动下进行张合运动。所述爪体单元的末端设置有旋转夹持部。旋转夹持部包括夹持主体和膨胀驱动部。夹持主体中开设有让位缺口。各爪体单元中旋转夹持部的限位边的位置沿基座中心轴线的周向保持一致。膨胀驱动部采用介电弹性体，通电时能够发生膨胀。膨胀驱动部设置在让位缺口内，并与限位边固定。当膨胀驱动部通电时，其向远离限位边的一侧膨胀。本发明相比于传统的机械爪，通过对介电弹性体材料的合理使用，可以使机械爪能够带动目标物体进行精准的扭转。

Description

一种基于介电弹性体实现物体旋转的机械爪及其使用方法

技术领域

本发明属于机械采摘领域，具体涉及的是一种基于介电弹性体实现物体旋转的机械爪及其使用方法。

背景技术

传统的机械抓手通常都是由金属、硬质塑料等夹持主体驱动器链接组成的刚性机械手，这类刚性机械手因其运动控制精确、定位精度高、输出功率大等特点被广泛应用于工业生产自动化中。刚性机械手在实际的工业应用当中，往往可以按照编写的程序或生产要求，取代劳动力进行一些具有高度重复、枯燥无聊、精准要求较高的繁重危险的工作，或者进行人机协作去完成一些较为复杂和灵活的工作。然而随着生产力的进步，人们对机械手也提出了更多的要求，比如说环境自适应性，安全性，人机交互时的友好性和灵活性等等。由于传统刚性机械手自身往往是由金属材料等夹持主体制成，共在与人或物体的交互之间大都是刚性接触，缺少安全性、灵活性和柔顺性，无法满足人们的要求。为此，人们将眼光转向了新的材料和控制技术，以期能制造出更加通用友好的机械手。

近些年来，有众多的学者与科研机构参与到软体机械手的研究当中来，并在软体机械手变形原理、结构设计与实际应用等方面取得了一定的发展。软体机械手的发展与新型智能软材料的发展相互促进，相比与金属、木材、硬质塑料等夹持主体，高分子聚合物由于其与人体肌肉与皮肤相近似的弹性模量，可以称为软质材料的代表。这种软质材料由于外部所施加的场的作用下(作用力、声波、热力、电磁力和光等)，产生一定程度上的形状与材料性质的改变，从而体现其智能的特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于介电弹性体实现物体旋转的机械爪及其使用方法。

本发明一种基于介电弹性体实现物体旋转的机械爪，包括基座、夹持驱动组件和不少于两个爪体单元。各个爪体单元均安装在基座上，且能够在夹持驱动组件的驱动下进行张合运动。所述爪体单元的末端设置有旋转夹持部。所述的旋转夹持部包括夹持主体和膨胀驱动部。夹持主体中开设有让位缺口。让位缺口与夹持主体的内侧边缘连通。夹持主体的两端分别定义为固定端和让位端。让位缺口上设有限位边和导向边；限位边位于夹持主体内的其中一端。各爪体单元中旋转夹持部的限位边的位置沿基座中心轴线的周向保持一致。膨胀驱动部采用介电弹性体，通电时能够发生膨胀。膨胀驱动部设置在让位缺口内，并与限位边固定。当膨胀驱动部通电时，其向远离限位边的一侧膨胀。

作为优选，各爪体单元的内端均与基座连接，并沿基座中心轴线的周向均布。

作为优选，所述爪体单元还包括第一连杆和第二连杆。第一连杆和第二连杆的一端与基座上的两个不同位置分别转动连接。第一连杆和第二连杆的另一端与旋转夹持部的两个不同位置分别转动连接。基座、第一连杆、第二连杆和旋转夹持部形成平行四边形机构。

作为优选，所述的夹持驱动组件安装在基座上。夹持驱动组件包括电机支架、螺杆、螺母和驱动杆。螺杆转动连接在基座上。螺母与螺杆构成螺旋副。多根驱动杆的内端均与螺母的外侧转动连接。各驱动杆的外端与各爪体单元内的第二连杆分别转动连接。螺杆由电机驱动旋转。

作为优选，所述的夹持驱动组件安装在基座上。夹持驱动组件包括气缸、推块和驱动杆。气缸固定在基座上。气缸的活塞杆上固定有推块；多根驱动杆的内端均与推块转动连接。各驱动杆的外端与各爪体单元内的第二连杆分别转动连接。

作为优选，夹持主体的内侧边缘上间隔设置的两个弹性夹片。膨胀驱动部位于两个弹性夹片之间。

作为优选，初始状态下，膨胀驱动部边缘处与弹性夹片的圆弧边缘相切。

作为优选，所述的夹持主体的内侧边缘呈弧形。让位缺口与夹持主体的两侧面均不连通。让位缺口与夹持主体的让位端连通；让位缺口与夹持主体的固定端不连通，使得让位缺口形成相互垂直的两条边缘，该两条边缘分为限位边和导向边；导向边沿夹持主体对应的圆心的切向设置。

作为优选，所述的夹持主体上设置有两个电极。两个电极与膨胀驱动部两侧的碳片分别连接。

作为优选，所述的膨胀驱动部的介电弹性材料具体为掺杂有二氧化钛的PDMS。

该基于介电弹性体实现物体旋转的机械爪的工作方法如下：

使用爪体单元夹持住目标物体；需要转动目标物体时，各爪体单元中的膨胀驱动部通电膨胀；膨胀过程中的三个膨胀驱动部对目标物体的摩擦力形成转矩，使得目标物体发生旋转。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明相比于传统的机械爪，通过对介电弹性体材料的合理使用，可以使机械爪能够带动目标物体进行精准的扭转。

2、本发明相比于传统实现旋转动作的机械爪，减少了一个电机的使用，可以减少机械爪的复杂程度，增加机械爪的可靠性。

3、本发明相比于传统的机械爪，使用了介电弹性体作为驱动方式，可以缩小机械爪的体积，使其可以使用在更多小型的场合。

附图说明

图1为本发明旋转夹持部机械爪整体结构示意图；

图2为本发明机械爪的剖面图；

图3为本发明中旋转夹持部的结构示意图；

图4为本发明中三个爪体单元对被夹持物体进行旋转的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1和2所示，一种基于介电弹性体实现物体旋转的机械爪，包括外壳1、基座2、夹持驱动组件和三个爪体单元。外壳1固定在基座2上。夹持驱动组件安装在基座2上。三个爪体单元内端均与基座连接，并沿基座2中心轴线的周向均布。

爪体单元包括第一连杆3、第二连杆4和旋转夹持部5。等长的第一连杆3和第二连杆4的一端与基座2上的两个不同位置分别转动连接。第一连杆3和第二连杆4的另一端与旋转夹持部5的两个不同位置分别转动连接。第一连杆3和第二连杆4与基座2的转动轴线均沿基座2的径向设置。基座2、第一连杆3、第二连杆4和旋转夹持部5形成平行四边形机构。采用第一连杆和第二连杆的双连杆结构的作用主要是通过平行四边形原理，保证旋转夹持部5的始终水平。连杆和介电弹性体驱动的器的连接主要采用的是圆柱销的方式来连接。

夹持驱动组件包括电机支架6、螺杆7、螺母8、连接件9、支架10和驱动杆11。支架10通过连接件9固定在基座2的上。螺杆7的两端与基座2、支架10分别通过轴承转动连接。螺母8与螺杆7构成螺旋副。三根驱动杆11的内端均与螺母8的外侧转动连接。三根驱动杆11的外端与三个爪体单元内的第二连杆4中部分别转动连接。电机通过电机支架6固定在基座2上。电机的输出轴与螺杆7的一端通过联轴器固定。通过电机的转动能够驱动三个爪体单元张开或合拢。

如图3和4所示，旋转夹持部5包括电极12、夹持主体13、弹性夹片14和膨胀驱动部15。夹持主体13使用3d打印的方式制造，其制造精度保证在0.5-1mm之间。夹持主体13主体呈扇环状。间隔设置的弹性夹片14固定在夹持主体13的内侧圆弧面上。夹持主体13中开设有让位缺口13-1。让位缺口13-1与夹持主体13的内侧边缘连通。让位缺口13-1与夹持主体13的两侧面均不连通。夹持主体13的两端分别定义为固定端和让位端。让位缺口13-1与夹持主体13的让位端连通；让位缺口13-1与夹持主体13的固定端不连通，使得让位缺口13-1形成相互垂直的两条边缘，该两条边缘分为限位边和导向边；导向边沿夹持主体13对应的圆心的切向设置。各爪体单元中旋转夹持部5的限位边的位置沿基座2中心轴线的周向保持一致。

膨胀驱动部15采用介电弹性体；通电时能够发生膨胀。膨胀驱动部15设置在让位缺口13-1上，且与让位缺口13-1上的限位边和导向边贴合。膨胀驱动部15与限位边固定，与导向边及让位缺口13-1的两侧面均仅保持接触。初始状态下，膨胀驱动部15边缘处与弹性夹片14的圆弧边缘相切。当各膨胀驱动部15通电时，其向远离限位边的一侧发生膨胀，进而通过摩擦力对被是三个爪体单元夹住的物体提供一个转矩；使得被夹持的物体发生旋转；此外，通过控制电流的大小和频率可以控制介电弹性体的形变大小，从而实现物体的微动。

夹持主体13上设置有两个电极12。两个电极12与膨胀驱动部15上的两个接线端子分别连接；两个电极12通过继电器连接至外部电源，从而实现对膨胀驱动部15的通断电控制。在具体结构中，两个电极与覆盖在两侧面的膨胀驱动部15的碳片分别连接。两个电极分为输入电极和接地电极。导线可以将电极接收的电流传输给介电弹性体，当介电弹性体通电后产生形变，从而向远离限位边的一侧膨胀(图4中的逆时针方向)，被介电弹性体夹紧的旋钮会在摩擦力的作用下发生转动。弹性夹片用来保护伸出的介电弹性体，也可以在其上加入薄膜式压力传感器来增加介电弹性体机械爪的自动化程度。

形成膨胀驱动部15的介电弹性材料具体选择PDMS与二氧化钛的组合。PDMS(聚二甲基硅氧烷)是一种比较常见的弹性体材料，无味，透明度高，具有耐热性、耐寒性、黏度随温度变化小等特点。二氧化钛是一种白色的粉末，在PDMS中添加二氧化钛可以改变弹性体的介电常数，从而使PDMS变为介电弹性体。随着TiO₂质量分数的增加，TiO₂/PDMS介电弹性体的介电常数在相同频率下逐渐增加，介电损耗逐渐减小。

该基于介电弹性体实现物体旋转的机械爪可以用于实现旋钮的旋转，具体过程如下：

首先，使用爪体单元夹持住旋钮，之后各爪体单元中的膨胀驱动部15通电膨胀；使得各膨胀驱动部15均向目标转动方向膨胀；膨胀过程中的三个膨胀驱动部15对旋钮的摩擦力形成转矩，使得旋钮旋转。

实施例2

一种基于介电弹性体实现物体旋转的机械爪，本实施例与实施例1的区别在于：不设螺杆和电机；螺母替换为推块；推块由气缸驱动，实现三个爪体单元的张合。由于气缸的驱动具有弹性，能够避免爪体单元对物体夹持太近，导致膨胀驱动部15无法带动物体旋转的情况出现。

Claims (6)

1.一种基于介电弹性体实现物体旋转的机械爪，包括基座（2）、夹持驱动组件和不少于两个爪体单元；各个爪体单元均安装在基座（2）上，且能够在夹持驱动组件的驱动下进行张合运动；其特征在于：所述爪体单元的末端设置有旋转夹持部（5）；所述的旋转夹持部（5）包括夹持主体（13）和膨胀驱动部（15）；夹持主体（13）中开设有让位缺口（13-1）；让位缺口（13-1）与夹持主体（13）的内侧边缘连通；夹持主体（13）的两端分别定义为固定端和让位端；所述的夹持主体（13）的内侧边缘呈弧形；让位缺口（13-1）与夹持主体（13）的两侧面均不连通；让位缺口（13-1）与夹持主体（13）的让位端连通；让位缺口（13-1）与夹持主体（13）的固定端不连通，使得让位缺口（13-1）形成相互垂直的两条边缘，该两条边缘分别为限位边和导向边；导向边沿夹持主体（13）对应的圆心的切向设置；

限位边位于夹持主体（13）内的其中一端；各爪体单元中旋转夹持部（5）的限位边的位置沿基座（2）中心轴线的周向保持一致；膨胀驱动部（15）采用介电弹性体，通电时能够发生膨胀；膨胀驱动部（15）设置在让位缺口（13-1）内，并与限位边固定；当膨胀驱动部（15）通电时，其向远离限位边的一侧膨胀；

所述的夹持主体（13）上设置有两个电极（12）；两个电极（12）与膨胀驱动部（15）两侧的碳片分别连接；夹持主体（13）的内侧边缘上间隔设置的两个弹性夹片（14）；膨胀驱动部（15）位于两个弹性夹片（14）之间；

使用爪体单元夹持住目标物体；需要转动目标物体时，各爪体单元中的膨胀驱动部（15）通电膨胀；膨胀过程中，膨胀驱动部（15）对目标物体的摩擦力形成转矩，使得目标物体发生旋转。

2.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体实现物体旋转的机械爪，其特征在于：各爪体单元的内端均与基座连接，并沿基座（2）中心轴线的周向均布。

3.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体实现物体旋转的机械爪，其特征在于：所述爪体单元还包括第一连杆（3）和第二连杆（4）；第一连杆（3）的一端和第二连杆（4）的一端与基座（2）上的两个不同位置分别转动连接；第一连杆（3）的另一端和第二连杆（4）的另一端与旋转夹持部（5）的两个不同位置分别转动连接；基座（2）、第一连杆（3）、第二连杆（4）和旋转夹持部（5）形成平行四边形机构。

4.根据权利要求3所述的一种基于介电弹性体实现物体旋转的机械爪，其特征在于：所述的夹持驱动组件安装在基座（2）上；夹持驱动组件包括电机支架（6）、螺杆（7）、螺母（8）和驱动杆（11）；螺杆（7）转动连接在基座（2）上；螺母（8）与螺杆（7）构成螺旋副；多根驱动杆（11）的内端均与螺母（8）的外侧转动连接；各驱动杆（11）的外端与各爪体单元内的第二连杆（4）分别转动连接；螺杆（7）由电机驱动旋转。

5.根据权利要求3所述的一种基于介电弹性体实现物体旋转的机械爪，其特征在于：所述的夹持驱动组件安装在基座（2）上；夹持驱动组件包括气缸、推块和驱动杆（11）；气缸固定在基座（2）上；气缸的活塞杆上固定有推块；多根驱动杆（11）的内端均与推块转动连接；各驱动杆（11）的外端与各爪体单元内的第二连杆（4）分别转动连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体实现物体旋转的机械爪，其特征在于：所述的膨胀驱动部（15）的介电弹性材料具体为掺杂有二氧化钛的PDMS。