CN114700981A - 一种基于磁流变液的可变刚度柔性夹爪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及夹爪的技术领域，具体是一种基于磁流变液的可变刚度柔性夹爪。包括抓持机构，和从上至下依次设置的罐体、转体机构和吸附机构；罐体内水平设有第一隔板和第二隔板，第一隔板和第二隔板之间形成密封腔体，密封腔体内布置有隔片将密封腔体分隔为上部的气体腔和下部的液体腔，转体机构包括三个以上的内齿轮、直线丝杆电机和伺服电机；三个以上的内齿轮通过隔断支架同轴布置在罐体的下方，从动轴承齿轮在直线丝杆电机的带动下轴向移动并分别和主动齿轮啮合传动；吸附机构包括环形磁铁，抓持机构包括三个以上的软体夹爪；因此本发明因磁流变液的快速响应能力，可迅速调整软体夹爪表面抓握力，安全性强、工作效率高、通用性好。

Description

一种基于磁流变液的可变刚度柔性夹爪

技术领域

本发明涉及夹爪的技术领域，具体是一种基于磁流变液的可变刚度柔性夹爪。

背景技术

传统的刚性机械手已经被广泛应用于人类的社会和生产中，为解放人的繁重劳动、实现工业生产的机械化和自动化发挥了重要作用。但是，随着社会的发展，人们在诸多领域对机械手装置提出了新的要求，包括灵活性、柔顺性和人-机-环境交互的多样性、安全性等，刚性机械手很难胜任这样的工作。而软体机械手充分利用和发挥各种柔性材料包括橡胶、聚合物、智能材料、多功能材料等天然的柔顺性，及其非线性、粘弹性和迟滞性等在软体手运动和控制中潜在的“机械智能”作用，从而降低控制的复杂度，实现高灵活性和良好的交互性。

我们设计的这款可变刚度的软体机械手，就是为了填补目前没有一种能够夹持有一定质量的柔软易碎品的机械手的空缺。而目前磁流变液技术以其较快的响应速度、动态范围大、能耗低等优点成为最有发展前景的智能材料之一。本发明就是利用磁流变技术可通过磁场改名流体刚度的特性，将磁流变技术与软体机械手结合，发明出一种能够具有更加广阔的使用范围，能够适应更多的工作环境的机械手，顺应人工智能发展的潮流，为人机之间的交互提供一种工具。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明提供一种基于磁流变液的可变刚度柔性夹爪，兼具软体机械手和刚性机械手特点的可变刚度软体机械手，其具有良好的柔韧性与灵活性，同时可以抓取相对软体机械手更重的物品。

变刚度软体机械手由柔软材料制作而成，不仅具有软体机器人的优点，而且还具有很强的柔顺性、安全性、更好的人机交互性和结构简单易控制等优点，更舍弃了刚性机器人复杂的传感和控制装置，

具体技术方案如下：一种基于磁流变液的可变刚度柔性夹爪，包括抓持机构1，和从上至下依次设置的罐体2、转体机构3和吸附机构4；

所述罐体2内水平设有第一隔板21和第二隔板22，第一隔板21和第二隔板22之间形成密封腔体，密封腔体内布置有隔片23将密封腔体分隔为上部的气体腔24和下部的液体腔25，且隔片23通过两根以上的支撑导柱26水平布置在密封腔体内；

所述第一隔板21的上部设有气泵27，气泵27的出气口和进气口分别通过管道和气体腔24接通；

所述转体机构3包括三个以上的内齿轮31、直线丝杆电机32和伺服电机33；

三个以上的内齿轮31通过隔断支架34同轴布置在罐体2的下方，

直线丝杆电机32和伺服电机33分别安装在罐体2内，且直线丝杆电机32的输出轴上安装有从动轴承齿轮321，伺服电机33的输出轴上设有三个以上的主动齿轮331，且主动齿轮331和内齿轮31一一对应且位于同一轴向上，

从动轴承齿轮321在直线丝杆电机32的带动下轴向移动并分别和主动齿轮331啮合传动，且从动轴承齿轮321同时和对应的内齿轮31啮合传动；

所述吸附机构4包括环形磁铁41，环形磁铁41的上端设有连接板42，环形磁铁41的下端设有橡胶薄层43，使得环形磁铁41内形成封闭腔体，封闭腔体内有磁流变液；

所述环形磁铁41通过连接板42和隔断支架34的下端固定连接；

抓持机构1包括三个以上的软体夹爪11；

所述软体夹爪11和内齿轮31一一对应，且软体夹爪11的进液口连通有弯管12，弯管12的另一端通过伸缩软管16和罐体2的液体腔25连通，

每个所述软体夹爪11内沿其长度方向并排开设有多个U形腔体，且每个U形腔体的底部连通形成夹爪腔，每个U形腔体的中间对应的软体夹爪11上开设有小矩形槽111。

工作时，上述可变刚度柔性夹爪通过罐体2顶部的安装槽28安装在机械臂上，在机械臂的带动下在指定区域作业，通过气泵27控制气体腔24的体积，进而改变液体腔25体积，调整进入软体夹爪11的磁流变液的流量，同时可通过环形磁铁41调整外部磁场，从而使得软体夹爪11刚度产生连续变化，实现抓取或放置物体。

进一步，所述抓持机构1包括4个软体夹爪11，四个软体夹爪11均匀布置在内齿轮31对应的圆周方向上；

所述转体机构3包括4个内齿轮31，软体夹爪11和内齿轮31一一对应设置，每个软体夹爪11的进液口连通有弯管12。

进一步，每根所述弯管12为倒立的L形，弯管12的水平伸出端通过电磁阀13连通着对应的伸缩软管16，弯管12的竖直伸出端连通着软体夹爪11的上端进液口，且弯管12的竖直伸出端通过轴承套齿轮14和软体夹爪11的上端连接；

所述弯管12的水平伸出部上设有电机15，电机15的电机轴竖直向下，且电机轴上套装有电机齿轮151，电机齿轮151和轴承套齿轮14齿轮啮合传动，使得软体夹爪11自转。

进一步，所述橡胶薄层43的下底面均匀设有4个支撑脚，每个支撑脚的下端均设有橡胶吸盘44。

进一步，所述隔断支架34包括三个以上的支撑圈341，三个以上的支撑圈341上下平行布置，且三个以上的支撑圈341的中轴线上的竖直布置有竖杆342，竖杆342分别通过三根连接支杆和每个支撑圈341固定连接，竖杆342的上端和所述罐体2的底部固定连接，竖杆342的下端水平布设有下支撑板343。

进一步，三个以上的软体夹爪11的相对内侧为软体夹爪11的夹持面，夹持面对应位于所述U形腔体的底部的一侧，每个软体夹爪11的夹持面上均匀设有凸起的摩擦锯齿112。

进一步，每个所述软体夹爪11为硅胶材质，且每个所述软体夹爪11的夹持面内设有纤维限制层113，纤维限制层113封于硅胶材质内。

本发明的有益技术效果如下：

（1）本发明的一种基于磁流变液的可变刚度柔性夹爪，气泵将气体压入气体腔，隔片继续下压，液体腔内的磁流变液通过伸缩软管被均匀压入每根软体夹爪的夹爪腔内，软体夹爪变形弯曲接近需夹持的物体表面，

环形磁铁通电产生外部磁场，使得软体夹爪的刚度变化，从而将其抓紧，当软体夹爪抓住物体后电磁阀自动关闭，停止向夹爪腔内输送磁流变液，在抓取过程中可通过转体机构实现软体夹爪绕罐体中心轴转动来使得软体夹爪之间相对位置改变，从而适应不同形状的物体。

同时可以通过电机齿轮和轴承套齿轮齿轮啮合传动，使得软体夹爪自转来调整夹爪自身角度，通过向不同方向弯曲以实现不同功能，例如使软体夹爪旋转180度朝向外侧以实现钩爪的功能，同时环形磁铁的上端设有连接板，环形磁铁的下端设有橡胶薄层，使得环形磁铁内形成封闭腔体，封闭腔体内有磁流变液；直接用橡胶薄层接触物体利用液体流动性以适应其形状并包裹物体，之后环形磁铁通电产生外部磁场，使得封闭腔体内磁流变液刚度变化，从而抓紧物体，达到辅助夹取物体或夹取一些较小的物体的作用；

因此本发明的可变刚度柔性夹爪抓取物体时具有软着陆特性，可很好的适应抓取不同复杂外形结构的物体；当接触物体表面后，环形磁铁通电，软体夹爪的夹爪腔均匀流体黏度迅速变化，软体夹爪刚度增加，夹紧物体，当去掉外部磁场时，流体恢复为流形，放置被夹取的物体。

（2）本发明的一种基于磁流变液的可变刚度柔性夹爪，转体机构包括三个以上的内齿轮、直线丝杆电机和伺服电机，从动轴承齿轮在直线丝杆电机的带动下轴向移动并分别和主动齿轮啮合传动，且从动轴承齿轮同时和对应的内齿轮啮合传动；主动齿轮带动从动轴承齿轮转动，从动轴承齿轮可带动对应的内齿轮转动，因此可调整软体夹爪的相对位置；同时弯管的竖直伸出端通过轴承套齿轮和软体夹爪的上端连接，电机轴可带动软体夹爪自转，改变软体夹爪的抓持面朝向，进而改变抓取角度，使其具有不同功能（比如说勾锁功能），具有更广阔的应用范围。

附图说明

图1为本发明一种基于磁流变液的可变刚度柔性夹爪的结构示意图。

图2为本发明的罐体的结构示意图。

图3为本发明的罐体和转体机构内部的结构示意图。

图4为本发明的气体腔和液体腔的结构示意图。

图5为本发明隔断支架、从动轴承齿轮和主动齿轮的安装图。

图6为本发明从动轴承齿轮、主动齿轮和内齿轮的安装图。

图7为本发明软体夹爪的结构示意图。

图8为图7的局部放大图。

图9为本发明软体夹爪的正视图。

图10为图9的A-A剖视图。

图11为本发明吸附机构的结构示意图。

其中：抓持机构1、软体夹爪11、小矩形槽111、摩擦锯齿112、纤维限制层113、弯管12、电磁阀13、轴承套齿轮14、电机15、电机齿轮151、伸缩软管16、罐体2、第一隔板21、第二隔板22、隔片23、气体腔24、液体腔25、支撑导柱26、气泵27、转体机构3、内齿轮31、直线丝杆电机32、伺服电机33、隔断支架34、支撑圈341、竖杆342、下支撑板343、344连接支杆、从动轴承齿轮321、主动齿轮331、吸附机构4、环形磁铁41、连接板42、橡胶薄层43、橡胶吸盘44。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

见图1，一种基于磁流变液的可变刚度柔性夹爪，包括抓持机构1，和从上至下依次设置的罐体2、转体机构3和吸附机构4；

图2~图4，所述罐体2内水平设有第一隔板21和第二隔板22，第一隔板21和第二隔板22之间形成密封腔体，密封腔体内布置有隔片23将密封腔体分隔为上部的气体腔24和下部的液体腔25，且隔片23通过两根以上的支撑导柱26水平布置在密封腔体内；使得隔片23不会侧翻。

所述第一隔板21的上部设有气泵27，气泵27的出气口和进气口分别通过管道和气体腔24接通；

见图5，所述转体机构3包括三个以上的内齿轮31、直线丝杆电机32和伺服电机33；

三个以上的内齿轮31通过隔断支架34同轴布置在罐体2的下方，

直线丝杆电机32和伺服电机33分别安装在罐体2内，且直线丝杆电机32的输出轴上安装有从动轴承齿轮321，伺服电机33的输出轴上设有三个以上的主动齿轮331，且主动齿轮331和内齿轮31一一对应且位于同一轴向上，

从动轴承齿轮321在直线丝杆电机32的带动下轴向移动并分别和主动齿轮331啮合传动，且从动轴承齿轮321同时和对应的内齿轮31啮合传动；

为保证从动轴承齿轮321上下移动时不会因相邻两层内齿轮31齿形相互错位而卡住，需保证主动齿轮331每次转动至少36度（主动齿轮10个齿）外层齿轮55个齿，即软体夹爪11每次最小转动5度。

见图11，所述吸附机构4包括环形磁铁41，环形磁铁41的上端设有连接板42，环形磁铁41的下端设有橡胶薄层43，使得环形磁铁41内形成封闭腔体，封闭腔体内有磁流变液；直接用橡胶薄层43接触物体利用液体流动性以适应其形状并包裹物体，之后环形磁铁41通电产生外部磁场，使得封闭腔体内磁流变液刚度变化，从而抓紧物体，达到辅助夹取物体或夹取一些较小的物体的作用；

环形磁铁41通过电流大小控制磁场，从而影响磁流变液的流动屈服应力。

所述环形磁铁41通过连接板42和隔断支架34的下端固定连接；

见图6，抓持机构1包括三个以上的软体夹爪11；

所述软体夹爪11和内齿轮31一一对应，且软体夹爪11的进液口连通有弯管12，弯管12的另一端通过伸缩软管16和罐体2的液体腔25连通，

每个所述软体夹爪11内沿其长度方向并排开设有多个U形腔体，且每个U形腔体的底部连通形成夹爪腔，每个U形腔体的中间对应的软体夹爪11上开设有小矩形槽111。

在无外部磁场作用下，磁流变液为均匀流体，夹爪腔内液体容量越多，压力越大，软体夹爪11弯曲变形越明显。

工作时，上述可变刚度柔性夹爪通过罐体2顶部的安装槽28安装在机械臂上，在机械臂的带动下在指定区域作业，通过气泵27控制气体腔24的体积，进而改变液体腔25体积，调整进入软体夹爪11的磁流变液的流量，同时可通过环形磁铁41调整外部磁场，从而使得软体夹爪11刚度产生连续变化，实现抓取或放置物体。

所述抓持机构1包括4个软体夹爪11，四个软体夹爪11均匀布置在内齿轮31对应的圆周方向上；

所述转体机构3包括4个内齿轮31，软体夹爪11和内齿轮31一一对应设置，每个软体夹爪11的进液口连通有弯管12。

见图7和图8，每根所述弯管12为倒立的L形，弯管12的水平伸出端通过电磁阀13连通着对应的伸缩软管16，弯管12的竖直伸出端连通着软体夹爪11的上端进液口，且弯管12的竖直伸出端通过轴承套齿轮14和软体夹爪11的上端连接；

所述弯管12的水平伸出部上设有电机15，电机15的电机轴竖直向下，且电机轴上套装有电机齿轮151，电机齿轮151和轴承套齿轮14齿轮啮合传动，使得软体夹爪11转动，改变软体夹爪11末端朝向来改变整个软体夹爪11形状，使其具有不同功能（比如说勾锁功能），具有更广阔的应用范围。

所述橡胶薄层43的下底面均匀设有4个支撑脚，每个支撑脚的下端均设有橡胶吸盘44，可吸附在被抓取物体表面。

见图5，所述隔断支架34包括三个以上的支撑圈341，三个以上的支撑圈341上下平行布置，且三个以上的支撑圈341的中轴线上的竖直布置有竖杆342，竖杆342分别通过三根连接支杆和每个支撑圈341固定连接，竖杆342的上端和所述罐体2的底部固定连接，竖杆342的下端水平布设有下支撑板343。

见图9和图10，三个以上的软体夹爪11的相对内侧为软体夹爪11的夹持面，夹持面对应位于所述U形腔体的底部的一侧，每个软体夹爪11的夹持面上均匀设有凸起的摩擦锯齿112，增加摩擦。

每个所述软体夹爪11为硅胶材质，且每个所述软体夹爪11的夹持面内设有纤维限制层113，纤维限制层113封于硅胶材质内，当向夹爪腔内充液时，夹爪腔压力使得软体夹爪11膨胀变形，此时软体夹爪11的夹持面即软体夹爪11的内侧在纤维限制层113的作用下无法伸长，因此可实现软体夹爪11的单侧延伸。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于磁流变液的可变刚度柔性夹爪，其特征在于：包括抓持机构（1），和从上至下依次设置的罐体（2）、转体机构（3）和吸附机构（4）；

所述罐体（2）内水平设有第一隔板（21）和第二隔板（22），第一隔板（21）和第二隔板（22）之间形成密封腔体，密封腔体内布置有隔片（23）将密封腔体分隔为上层的气体腔（24）和下层的液体腔（25），且隔片（23）通过两根以上的支撑导柱（26）水平布置在密封腔体内；

所述第一隔板（21）的上部设有气泵（27），气泵（27）的出气口和进气口分别通过管道和气体腔（24）接通；

所述转体机构（3）包括三个以上的内齿轮（31）、直线丝杆电机（32）和伺服电机（33）；

三个以上的内齿轮（31）通过隔断支架（34）同轴布置在罐体（2）的下方，

直线丝杆电机（32）和伺服电机（33）分别安装在罐体（2）内，且直线丝杆电机（32）的输出轴上安装有从动轴承齿轮（321），伺服电机（33）的输出轴上设有三个以上的主动齿轮（331），且主动齿轮（331）和内齿轮（31）一一对应且位于同一轴向上，

从动轴承齿轮（321）在直线丝杆电机（32）的带动下轴向移动并分别和主动齿轮（331）啮合传动，且从动轴承齿轮（321）同时和对应的内齿轮（31）啮合传动；

所述吸附机构（4）包括环形磁铁（41），环形磁铁（41）的上端设有连接板（42），环形磁铁（41）的下端设有橡胶薄层（43），使得环形磁铁（41）内形成封闭腔体，封闭腔体内有磁流变液；

所述环形磁铁（41）通过连接板（42）和隔断支架（34）的下端固定连接；

所述抓持机构（1）包括三个以上的软体夹爪（11）；

所述软体夹爪（11）和内齿轮（31）一一对应，且软体夹爪（11）的进液口连通有弯管（12），弯管（12）的另一端通过伸缩软管（16）和罐体（2）的液体腔（25）连通，

每个所述软体夹爪（11）内沿其长度方向并排开设有多个U形腔体，且每个U形腔体的底部连通形成夹爪腔，每个U形腔体的中间对应的软体夹爪（11）上开设有小矩形槽（111）；

工作时，上述可变刚度柔性夹爪通过罐体（2）顶部的安装槽（28）安装在机械臂上，气泵（27）调整气体腔（24）的体积来改变液体腔（25）体积，调整进入软体夹爪（11）的磁流变液的流量，环形磁铁（41）通电产生变化磁场，在磁场作用下软体夹爪（11）刚度产生连续变化；同时软体夹爪（11）在转体机构（3）作用下可绕罐体（2）中心轴转动来调整软体夹爪（11）之间的相对位置，实现对物体的抓取或放置。

2.根据权利要求1所述一种基于磁流变液的可变刚度柔性夹爪，其特征在于：

所述抓持机构（1）包括4个软体夹爪（11），四个软体夹爪（11）均匀布置在内齿轮（31）对应的圆周方向上；

所述转体机构（3）包括4个内齿轮（31），软体夹爪（11）和内齿轮（31）一一对应设置，每个软体夹爪（11）的进液口连通有弯管（12）。

3.根据权利要求2所述一种基于磁流变液的可变刚度柔性夹爪，其特征在于：

每根所述弯管（12）为倒立的L形，弯管（12）的水平伸出端通过电磁阀（13）连通着对应的伸缩软管（16），弯管（12）的竖直伸出端连通着软体夹爪（11）的上端进液口，且弯管（12）的竖直伸出端通过轴承套齿轮（14）和软体夹爪（11）的上端连接；

所述弯管（12）的水平伸出部上设有电机（15），电机（15）的电机轴竖直向下，且电机轴上套装有电机齿轮（151），电机齿轮（151）和轴承套齿轮（14）齿轮啮合传动，使得软体夹爪（11）实现自转。

4.根据权利要求1所述一种基于磁流变液的可变刚度柔性夹爪，其特征在于：所述橡胶薄层（43）的下底面均匀设有4个支撑脚，每个支撑脚的下端均设有橡胶吸盘（44）。

5.根据权利要求1所述一种基于磁流变液的可变刚度柔性夹爪，其特征在于：所述隔断支架（34）包括三个以上的支撑圈（341），三个以上的支撑圈（341）上下平行布置，且三个以上的支撑圈（341）的中轴线上的竖直布置有竖杆（342），竖杆（342）分别通过三根连接支杆（344）和每个支撑圈（341）固定连接，竖杆（342）的上端和所述罐体（2）的底部固定连接，竖杆（342）的下端水平布设有下支撑板（343）。

6.根据权利要求1所述一种基于磁流变液的可变刚度柔性夹爪，其特征在于：三个以上的软体夹爪（11）的相对内侧为软体夹爪（11）的夹持面，夹持面对应所述软体夹爪（11）的U形腔体的底部一侧，每个软体夹爪（11）的夹持面上均匀设有凸起的摩擦锯齿（112）。

7.根据权利要求6所述一种基于磁流变液的可变刚度柔性夹爪，其特征在于：每个所述软体夹爪（11）为硅胶材质，且每个所述软体夹爪（11）的夹持面内设有纤维限制层（113），纤维限制层（113）封于硅胶材质内。

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