CN114310983B - 一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取装置及方法，装置包括主体框架、直流电机、柔性细绳、定滑轮、弹簧、线圈、压盘、密封装置、薄膜体和磁流变液。主体框架由圆柱体和支架组成。定滑轮与直流电机位于圆柱体的上顶面，线圈缠绕在圆柱体的外表面，其余组件位于主体框架内部。在主体框架内部，圆柱体与压盘之间通过弹簧连接，密封装置位于薄膜体上顶部，与薄膜体相连。柔性细绳在连接直流电机、定滑轮后，穿过圆柱体、压盘、密封装置、磁流变液，与薄膜体下半部分相连。该装置利用磁流变液的磁控相变特性，通过控制线圈中的电流来调节装置与物体表面之间的粘附力，可应用于爬墙机器人足端，也可应用于对柔软或坚硬物体的无损抓取。

Description

一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取装置及方法

技术领域

本发明公开了一种表面粘附力可控的抓取装置及方法，更具体地说，涉及一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取装置及方法。

背景技术

传统的物体抓取装置可分为刚性抓取装置和柔性抓取装置，刚性抓取装置应用时间较早且应用范围广泛。但是，当刚性抓手的抓取力/力矩较大时，容易对硬度较小或者易碎物体造成损害；抓取力/力矩较小时，又不能实现抓取目的。对于柔性抓取装置来说，它主要是通过气动和液压等方式控制柔性抓取装置变形，实现抓取目的。但是，气动与液压等装置的体积较大，成本也比较高，不易集成处理，且反应时间较长。

随着科学技术的发展，越来越多的机器人被应用于人们的日常生活和工作当中。爬墙机器人作为一种新兴的机器人种类，正快速发展。目前常见的爬墙机器人种类有静电吸附式、磁吸附式及气压吸附式等，它们通常伴随着结构复杂、应用场景有限等缺点。磁吸附式爬墙机器人只能在导磁壁面上吸附，应用场景非常有限；静电吸附式爬墙机器人通过电荷的库仑力进行吸附，但不适用于潮湿或者墙面有水的环境；气压吸附式包括正压吸附式及负压吸附式两种，负压吸附式爬墙机器人依靠真空泵等装置将吸盘内部气体抽出而与外部形成大气压差，但对墙面光滑度要求较高；正压吸附式爬墙机器人依靠自身推进装置产生背离墙面方向的气体，依靠气体反作用力产生吸附作用，但装置体积大且效率较低。

发明内容

针对上述现有的抓取装置存在的问题，本发明提供一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取装置及方法，基于磁流变液进行设计，利用磁流变液在磁场下发生相变的特性，通过控制线圈中的电流来调节装置与物体表面之间的粘附力，可实现对柔软或坚硬物体的无损抓取。

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取装置，包括主体框架，所述主体框架为无底的内部中空的圆柱形壳体；还包括拉伸机构、线圈、薄膜体和磁流变液，所述薄膜体活动安装在所述主体框架的底部；所述拉伸机构安装在所述主体框架的顶部，并穿过主体框架与其底部的薄膜体固定连接；所述薄膜体内部填充有所述磁流变液；所述线圈套设在所述主体框架的外壁上。

进一步的技术方案，所述拉伸机构包括定滑轮、直流电机、弹簧、压盘和柔性细绳Ⅰ，所述压盘活动安装在所述主体框架的底部，所述弹簧安装在所述主体框架的内部；所述直流电机安装在所述主体框架的顶部，其输出轴与所述定滑轮连接；所述柔性细绳Ⅰ的一端缠绕在所述定滑轮上，其另一端依次穿过主体框架、弹簧、压盘和薄膜体并与薄膜体底部的中心点固定连接。

进一步的技术方案，所述薄膜体包括上半部分和下半部分，所述上半部分和下半部分通过热合连接；所述上半部分包括薄膜、多个刚性杆以及柔性细绳Ⅱ；多个刚性杆嵌在薄膜的内壁上并呈伞状分布，各个刚性杆之间通过柔性细绳Ⅱ连接。

进一步的技术方案，所述薄膜的形状为圆形，在其圆心处开设有安装孔，柔性细绳Ⅰ穿过安装孔与下半部分的中心点固定连接。

进一步的技术方案，还包括用于密封薄膜体与柔性细绳Ⅰ连接处的密封装置，所述密封装置安装在薄膜开孔处；所述密封装置包括空心圆柱体和两个O型密封圈；所述空心圆柱体上下底面均设有凹槽，所述O型密封圈固定在凹槽内；所述O型密封圈的内径小于柔性细绳Ⅰ的半径。

进一步的技术方案，所述主体框架的顶部中心处开设有通孔，所述通孔的半径大于所述柔性细绳Ⅰ的半径；在通孔的两旁对称设有支撑架，所述支撑架用于固定所述定滑轮。

进一步的技术方案，所述主体框架顶部设有固定装置。

进一步的技术方案，还包括驱动模块，所述驱动模块包括连接装置、连杆装置和电机，所述连接装置套设在所述主体框架外，电机的输出轴通过连杆装置与连接装置连接。

一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取方法，采用上述的一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取装置，包括如下步骤：

抓取物体：通过固定装置向被抓取物体施加压力，使薄膜体的下半部分与被抓取的物体接触；此时，直流电机正转，通过柔性细绳Ⅰ带动薄膜体向上运动，此时，弹簧处于压缩状态，压盘受到弹簧的压力，使薄膜体的上半部分在刚性杆的带动下收缩，薄膜体下半部分将被抓取物体包裹；此时，线圈通电，使磁流变液从牛顿流体状态变为Bingham半固体状态，薄膜体的下半部分按照物体的形状固化，使装置获得对物体的抓取力；

释放物体：线圈断电，磁流变液恢复成牛顿流体状态，薄膜体的下半部分变得柔软，失去对物体的抓取力；直流电机反向旋转，释放柔性细绳Ⅰ；弹簧由压缩状态变为初始状态，压盘对薄膜体上半部分的压力减小，薄膜体上半部分在刚性杆的带动下恢复为原状；上提固定装置带动装置脱离被抓取物体。

一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取方法，采用上述的一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取装置，将抓取装置安装在爬墙机器人足端，在爬墙机器人行走时，包括如下步骤：

吸附墙面：电机转动，通过连杆装置与连接装置带动主体框架运动，使主体框架下底面紧贴墙面；此时，弹簧处于压缩状态，压盘受到弹簧的压力，使薄膜体的上半部分在刚性杆的带动下完全张开，薄膜体的下半部分的下表面平铺在墙面上；此时，线圈通电，使磁流变液从牛顿流体状态变为Bingham半固体状态，薄膜体的下半部分固化在墙面上，使装置获得对墙面的切向抓力，从而吸附在墙面上；

脱离墙面：线圈断电，磁流变液恢复成牛顿流体状态，薄膜体的下半部分变得柔软，使装置对墙面的切向抓力减小，驱动模块带动主体框架离开墙面，使薄膜体的下半部分从墙面脱离。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取装置及方法，应用于物体抓取装置时，利用磁流变液在磁场下发生相变的特性，通过控制线圈中的电流来调节装置与物体表面间的粘附力，可实现对柔软和坚硬物体的无损抓取。

(2)本发明的一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取装置及方法，利用磁流变液可在磁场下发生相变的特性来调整装置与物体表面之间的粘附力，具有响应速度快、状态变换连续且可逆等优点。

(3)本发明的一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取装置及方法，与物体表面柔性接触的薄膜体能够适应多种粘附力可调的工作场景，既能应用于爬墙机器人足端，又能应用于物体抓取装置，用途广泛。

(4)本发明的一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取装置及方法，应用于爬墙机器人足端时，不像静电吸附式、磁吸附式及气压吸附式爬墙机器人那样对外界环境要求较高，适用范围更广。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的主体框架示意图；

图3为薄膜体与密封装置和柔性细绳的连接示意图；

图4为密封装置的结构示意图；

图5为压盘的结构示意图；

图6为本发明应用于爬墙机器人足端时的使用状态示意图；

图7为本发明应用于爬墙机器人足端时，薄膜体下半部分的膜嵌入墙面细缝中的状态示意图；

图8为本发明应用于物体抓取装置时的使用状态示意图；

图9为本发明应用于抓取物体时，薄膜体下半部分的膜包裹物体的状态示意图。

图中标号表示为：

1、主体框架；101、圆柱体；102、支撑架；103、通孔；104、圆孔；

2、定滑轮；3、直流电机；4、线圈；5、弹簧；

6、压盘；601、连接孔；

7、薄膜体；701、上半部分；702、下半部分；7011、薄膜；7012、刚性杆；7013、柔性细绳Ⅱ；

8、密封装置；801、空心圆柱体；802、O型密封圈；

9、柔性细绳Ⅰ；10、磁流变液；11、中心点；12、连接装置；13、连杆装置；14、电机；15、固定装置。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。

实施例1

本实施例提供了一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取装置，如图1所示，包括主体框架1、拉伸机构、线圈4、薄膜体7、密封装置8和磁流变液10，薄膜体7活动安装在主体框架1的底部，磁流变液10填充在薄膜体7内。

如图1所示，拉伸机构安装在主体框架1的顶部，拉伸机构包括定滑轮2、直流电机3、弹簧5、压盘6和柔性细绳Ⅰ9。弹簧5安装在主体框架1的内部，压盘6安装在弹簧5与薄膜体7之间。直流电机3安装在主体框架1的顶部，直流电机3的输出轴与定滑轮2连接，驱动定滑轮2转动。柔性细绳Ⅰ9的一端缠绕在定滑轮2上，其另一端依次穿过主体框架1上的圆孔103、弹簧5、压盘6和密封装置8，并伸入薄膜体7内固定在薄膜体7下半部分702的中心点11处。

如图2所示，主体框架1为无底的内部中空的圆柱体101，在其顶面中心位置开设有通孔103，且在其顶面设有用于固定定滑轮2的支撑架102，支撑架102设有两个，对称安装在通孔103的两旁。圆柱体101顶面的边缘处开设有多个圆孔104，线圈4套设在圆柱体101外并通过圆孔104接至圆柱体101的上表面。

如图3所示，薄膜体7包括上半部分701和下半部分702。上半部分701由厚度为3mm的EVA或PVDF薄膜7011、直径为2mm的刚性杆7012以及柔性细绳Ⅱ7013组成；刚性杆7012设有多个，多个刚性杆7012在薄膜7011的内壁呈伞状分布，各刚性杆之间通过柔性细绳Ⅱ7013连接。下半部分702为0.5mm厚度的EVA或PVDF薄膜。上半部分701和下半部分702的边缘通过热合法衔接，薄膜体7上半部分701与密封装置8之间通过热板熔接技术无缝衔接，以防止磁流变液10的外漏。当直流电机3旋转，带动薄膜体7从连接点11开始向上运动时，为保证柔性细绳Ⅰ9与薄膜体7下半部分702不脱落，适当增加中心点11处的厚度。

图4为密封装置8的结构示意图，密封装置8包括空心圆柱体801和两个O型密封圈802。空心圆柱体801的上下底面均设有用于固定O型密封圈802的凹槽，两个O型密封圈802分别固定在空心圆柱体801的凹槽上。并且，O型密封圈802的内半径略小于柔性细绳Ⅰ9的半径，柔性细绳Ⅰ9穿过O型密封圈802伸入到薄膜体7内，从而可以防止磁流变液10外漏。

图5为压盘6的结构示意图，压盘6的形状为圆形，其厚度为5mm。压盘6的中心处开设有连接孔601，柔性细绳Ⅰ9穿过连接孔601，因此，连接孔601的半径大于柔性细绳Ⅰ9的半径。且，当柔性细绳Ⅰ9上拉时，为让薄膜体7上半部分701收缩，空心圆柱体801需进入到连接孔601内，因此，连接孔601的半径需大于空心圆柱体801的半径。

实施例2

本实施例提供了一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取方法，采用实施例1提供的抓取装置，如图6所示，本实施例中将抓取装置应用于爬墙机器人足端，在实施例1的基础上添加驱动模块，驱动模块包括连接装置12、连杆装置13以及电机14。其中连接装置12套设在圆柱体101外并与圆柱体101的外表面紧密贴合，电机14固定在爬墙机器人的主体部位。电机14的输出轴通过连杆装置13与连接装置12连接。

当需要装置吸附墙面时：电机14转动，通过连杆装置13与连接装置12带动主体框架1运动，使主体框架1下底面紧贴墙面，如图7所示。此时弹簧5处于压缩状态。压盘6受到弹簧5的压力，使伞状的薄膜体7上半部分701在刚性杆7012的带动下完全张开，如图7所示，薄膜体7下半部分702的下表面平铺在墙面上，与墙面完全接触，薄膜体7下半部分702的膜在压力作用下进入到墙面的细小缝隙中。此时，线圈4通电，磁流变液10从牛顿流体状态变为Bingham半固体状态，薄膜体7下半部分702的膜固化在墙面的细小缝隙中，使装置获得对墙面的切向抓力。

当需要装置从墙面脱离时：线圈4断电，磁流变液10恢复成牛顿流体状态，薄膜体7下半部分702的膜变得柔软，装置对墙面的切向抓力显著减小。驱动模块带动主体框架1离开墙面，使薄膜体7下半部分702的膜从墙面的细小缝隙中脱离。

实施例3

本实施例提供了一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取方法，采用实施例1提供的抓取装置，如图8所示，本实施例中将抓取装置应用于抓取物体，在实施例1的基础上添加固定装置15，固定装置15安装在主体框架1的上表面。

当需要抓取物体时：通过固定装置15向物体施加一定压力，使薄膜体7下半部分702与被抓取的物体接触。直流电机3正转，通过柔性细绳Ⅰ9使薄膜体7下半部分702从中心点11开始向上运动，此时弹簧5处于压缩状态。弹簧5下压压盘6，密封装置8进入压盘6的连接孔601内，压盘6使伞状的薄膜体7上半部分701在刚性杆7012的带动下收缩，薄膜体7下半部分702将物体包裹。此时，线圈4通电，使磁流变液10从牛顿流体状态变为Bingham半固体状态，如图9所示，薄膜体7下半部分702的膜按照物体的形状固化，使装置获得对物体的抓取力。

当需要释放物体时：线圈4断电，磁流变液10恢复为牛顿流体状态，薄膜体7下半部分702的膜变得柔软，失去对物体的抓取力。接着，直流电机3反向旋转，释放柔性细绳Ⅰ9；弹簧5由压缩状态逐渐恢复为初始状态，薄膜体7整体向下移动，压盘6对薄膜体7上半部分701的压力减小，薄膜体7上半部分701在刚性杆7012的带动下恢复为伞状；通过固定装置15施加上提的拉力，带动装置脱离物体。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取装置，既能应用于爬墙机器人足端，又能应用于物体抓取装置，抓取装置包括主体框架（1），所述主体框架（1）为无底的内部中空的圆柱形壳体；其特征在于：还包括拉伸机构、线圈（4）、薄膜体（7）和磁流变液（10），所述薄膜体（7）活动安装在所述主体框架（1）的底部；所述拉伸机构安装在所述主体框架（1）的顶部，并穿过主体框架（1）与其底部的薄膜体（7）固定连接；所述薄膜体（7）内部填充有所述磁流变液（10）；所述线圈（4）套设在所述主体框架（1）的外壁上；

所述拉伸机构包括定滑轮（2）、直流电机（3）、弹簧（5）、压盘（6）和柔性细绳Ⅰ（9），所述压盘（6）活动安装在所述主体框架（1）的底部，所述弹簧（5）安装在所述主体框架（1）的内部；所述直流电机（3）安装在所述主体框架（1）的顶部，其输出轴与所述定滑轮（2）连接；所述柔性细绳Ⅰ（9）的一端缠绕在所述定滑轮（2）上，其另一端依次穿过主体框架（1）、弹簧（5）、压盘（6）和薄膜体（7）并与薄膜体（7）底部的中心点（11）固定连接；

所述薄膜体（7）包括上半部分（701）和下半部分（702），所述上半部分（701）和下半部分（702）通过热合连接；所述上半部分（701）包括薄膜（7011）、多个刚性杆（7012）以及柔性细绳Ⅱ（7013）；多个刚性杆（7012）嵌在薄膜（7011）的内壁上并呈伞状分布，各个刚性杆（7012）之间通过柔性细绳Ⅱ（7013）连接；

所述薄膜（7011）的形状为圆形，在其圆心处开设有安装孔，柔性细绳Ⅰ（9）穿过安装孔与下半部分（702）的中心点（11）固定连接；

所述抓取装置还包括用于密封薄膜体（7）与柔性细绳Ⅰ（9）连接处的密封装置（8），所述密封装置（8）安装在薄膜（7011）开孔处；所述密封装置（8）包括空心圆柱体（801）和两个O型密封圈（802）；所述空心圆柱体（801）上下底面均设有凹槽，所述O型密封圈（802）固定在凹槽内；所述O型密封圈（802）的内径小于柔性细绳Ⅰ（9）的半径。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取装置，其特征在于：所述主体框架（1）的顶部中心处开设有通孔（103），所述通孔（103）的半径大于所述柔性细绳Ⅰ（9）的半径；在通孔（103）的两旁对称设有支撑架（102），所述支撑架（102）用于固定所述定滑轮（2）。

3.根据权利要求2所述的一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取装置，其特征在于：所述主体框架（1）顶部设有固定装置（15）。

4.根据权利要求2所述的一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取装置，其特征在于：还包括驱动模块，所述驱动模块包括连接装置（12）、连杆装置（13）和电机（14），所述连接装置（12）套设在所述主体框架（1）外，电机（14）的输出轴通过连杆装置（13）与连接装置（12）连接。

5.一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取方法，采用权利要求3所述的一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取装置，其特征在于，包括如下步骤：

抓取物体：通过固定装置（15）向被抓取物体施加压力，使薄膜体（7）的下半部分（702）与被抓取的物体接触；此时，直流电机（3）正转，通过柔性细绳Ⅰ（9）带动薄膜体（7）向上运动，此时，弹簧（5）处于压缩状态，压盘（6）受到弹簧（5）的压力，使薄膜体（7）的上半部分（701）在刚性杆（7012）的带动下收缩，薄膜体（7）下半部分（702）将被抓取物体包裹；此时，线圈（4）通电，使磁流变液（10）从牛顿流体状态变为Bingham半固体状态，薄膜体（7）的下半部分（702）按照物体的形状固化，使装置获得对物体的抓取力；

释放物体：线圈（4）断电，磁流变液（10）恢复成牛顿流体状态，薄膜体（7）的下半部分（702）变得柔软，失去对物体的抓取力；直流电机（3）反向旋转，释放柔性细绳Ⅰ（9）；弹簧（5）由压缩状态变为初始状态，压盘（6）对薄膜体（7）上半部分（701）的压力减小，薄膜体（7）上半部分（701）在刚性杆（7012）的带动下恢复为原状；上提固定装置（15）带动装置脱离被抓取物体。

6.一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取方法，采用权利要求4所述的一种基于磁流变液的表面粘附力可控的抓取装置，其特征在于，将抓取装置安装在爬墙机器人足端，在爬墙机器人行走时，包括如下步骤：

吸附墙面：电机（14）转动，通过连杆装置（13）与连接装置（12）带动主体框架（1）运动，使主体框架（1）下底面紧贴墙面；此时，弹簧（5）处于压缩状态，压盘（6）受到弹簧（5）的压力，使薄膜体（7）的上半部分（701）在刚性杆（7012）的带动下完全张开，薄膜体（7）的下半部分（702）的下表面平铺在墙面上；此时，线圈（4）通电，使磁流变液（10）从牛顿流体状态变为Bingham半固体状态，薄膜体（7）的下半部分（702）固化在墙面上，使装置获得对墙面的切向抓力，从而吸附在墙面上；

脱离墙面：线圈（4）断电，磁流变液（10）恢复成牛顿流体状态，薄膜体（7）的下半部分（702）变得柔软，使装置对墙面的切向抓力减小，驱动模块带动主体框架（1）离开墙面，使薄膜体（7）的 下半部分（702）从墙面脱离。

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