CN116277089A - 粘附设备和机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粘附设备和使用该粘附设备的机器人。一种粘附设备，包括：基材，所述基材的内表面用于与待吸附物体接触；定向干粘合剂层，设于所述基材的所述内表面，所述定向干粘合剂层具有倾斜的多个微楔形结构；及粘附层，设于所述基材的所述内表面并环绕在所述定向干粘合剂层的周围。上述方案将定向干粘合剂层和粘附层这两种类型的粘合剂结合起来使用，结合后的粘附设备在所有方向上都可以提供较高的粘合力，同时只需要最小的压力就可以使干粘合剂层与物体接合，从而获得最佳效果。

Description

粘附设备和机器人

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，特别是涉及粘附设备和使用该粘附设备的机器人。

背景技术

抓取器通常用作机器人的末端执行器，从而实现各种活动，例如抓握、停留和攀爬。大多数抓取器严重依赖于任一法向夹紧力来产生足够的摩擦力，但对于较为脆弱的物体，过大的法向夹紧力有可能会造成物体变形或受损。为了避免这些问题，近年来出现了一些基于定向干粘合剂的抓取器。定向干粘合剂灵感来源于壁虎和某些蜘蛛脚上的纤维结构，其可以被定义为具有相对高的剪切(shear)粘附力和相对低的剥离强度同时还具有最小粘性的材料。这些材料通常还能够多次附着、脱离和重新附着到各种各样的待附着物上。

定向干粘合剂以最小的结合力和大的剪切粘附能力而闻名，但一般缺乏大的法向粘合力。

发明内容

基于此，有必要提供一种粘合力较高的粘附设备和使用该粘附设备的机器人。

一种粘附设备，包括：

基材，所述基材的内表面用于与待吸附物体接触；

定向干粘合剂层，设于所述基材的所述内表面，所述定向干粘合剂层具有倾斜的多个微楔形结构；及

粘附层，设于所述基材的所述内表面并环绕在所述定向干粘合剂层的周围。

在其中一个实施例中，所述定向干粘合剂层的厚度大于所述粘附层的厚度。

在其中一个实施例中，所述粘附层为压敏胶层。

在其中一个实施例中，所述粘附层包括多个微吸盘。

在其中一个实施例中，所述粘附层包括多个蘑菇形尖端。

在其中一个实施例中，所述粘附层包括薄膜和连接所述薄膜和所述内表面的多个纤维。

一种机器人的末端执行器，包括多个如上任意一项所述的粘附设备和连接在所述多个粘附设备之间的加载部件，所述多个粘附设备以所述加载部件的中心对称设置。

在其中一个实施例中，所述加载部件的两端分别与所述多个粘附设备的所述基材相连，所述加载部件被配置为在所述待吸附物体的表面切向和表面法向上对所述粘附设备进行加载。

在其中一个实施例中，所述加载部件包括腱、绳子、膜中的至少一种。

一种机器人，其特征在于，包括如上所述的末端执行器。

上述方案将定向干粘合剂层和粘附层这两种类型的粘合剂结合起来使用，结合后的粘附设备在所有方向上都可以提供较高的粘合力，同时只需要最小的压力就可以使干粘合剂层与物体接合，从而获得最佳效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据一实施例的粘附设备的示意图；

图2为图1所示粘附设备作用于待吸附物体时的示意图；

图3为图2中A处的放大图；

图4为图1所示粘附设备从待吸附物体上移除时的示意图；

图5A-图5D分别为图1所示粘附层的放大图；

图6为根据一实施例的末端执行器的示意图；

图7为图6所示末端执行器作用于待吸附物体时的示意图；

图8为图6所示粘附设备从待吸附物体上移除时的示意图；

图9为根据一实施例的机器人的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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在本发明中的具体含义。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参阅图1，本发明一实施例提供了一种粘附设备100，包括基材10、定向干粘合剂层20、和粘附层30。基材10包括与待吸附物体S接触的内表面12和与机械臂相连的外表面14。定向干粘合剂层20和粘附层30均设置于内表面12上。

如图2和图3所示，定向干粘合剂层20具有倾斜的微楔形结构。微楔形结构可以朝向与粘附设备100的主操纵方向相反的方向倾斜。在一些实施例中，每个微楔形结构包括第一倾斜面和第二倾斜面，第一倾斜面的底部与第二倾斜面的底部连接，形成突出尖端；示例性的，第一倾斜面与竖直面的夹角为50°～80°，第二倾斜面与竖直面的夹角为20°～60°，单个微楔形结构在竖直方向的高度为40μm～200μm。微楔形结构可以与基材10通过模具一体浇注成型，也可以分开成型，然后通过胶水等粘贴于基材10的内表面12。在其他实施例中，各微楔结构的形状尺寸也可以根据实际需要调整。

粘附层30环绕在定向干粘合剂层20的周围。粘附层30可以采用多种不同的设计方案。例如，请参阅图5A至图5C，在这些实施例中，粘附层30可以分别包括压敏胶层(例如透明胶)32、多个微吸盘34、多个蘑菇形尖端36。带有蘑菇形尖端的粘附层在法向方向的负载中远比其平头的同类产品更大，并且可以有较高的粘附强度与预载比。在另一个实施例中，如图5D所示，粘附层30还可以包括薄膜38和连接薄膜38和内表面12的多个纤维39。纤维39的高度例如可以从约1微米到100微米。纤维的纵横比可从约1:1到约5:1。纤维的形状和/或横截面可以为例如基本上圆形、椭圆形、六边形或矩形。在一个示例性实施例中，可使用商品名称为

184的聚二甲基硅氧烷(PDMS)(如可从Dow Chemical获得)来形成粘附层30的具体结构。

定向干粘合剂层20的厚度大于粘附层30的厚度，因此当将定向干粘合剂层20刚刚接触到待吸附物体S的表面时，粘附层30并不与待吸附物体S直接接触。此时，定向干粘合剂层20的微楔形结构的黏附机理为范德华力效应。当无切向载荷时，微楔形结构只有轻微的倾斜，仅尖端接触待吸附物体S的表面，在此种状态下，范德华力可以忽略不计，微楔形结构处于“关闭”状态。

如图2所示，当基材10对待吸附物体S施加一定的下压力时，定向干粘合剂层20的微楔形结构将发生弹性变形，并使得粘附层30与待吸附物体S接触。当向基材10上加载剪切力L时，定向干粘合剂层20的微楔形结构将逐渐受力弯曲而被激活。随着逐渐激活，微楔形结构与待吸附物体S表面之间的接触面积显著增加。因为法向黏附力与微楔形结构和物体表面之间的接触面积成比例，所以法向黏附力也显著增加。另外，当基材10在剪切方向上预加载时，定向干粘合剂层20与待吸附物体S的表面接合，使基材10更接近表面，并进一步向粘附层30施加法向的压力，使得粘附层30与待吸附物体S的表面接合。如果保持预加载，粘附层30与待吸附物体S的表面的接合是稳定的，因此可以向基材10施加全方位的载荷，以保证粘附层30获得非常强的粘附力。

当需要将粘附设备100从待吸附物体S的表面移除时，可以释放剪切预紧力，定向干粘合剂层20将发生回弹恢复为初始未变形的状态，从而使得定向干粘合剂层20的微楔形结构不再挤压触待吸附物体S的表面，仅尖端与触待吸附物体S接触，法向黏附力可忽略不计而处于“关闭”状态。当定向干粘合剂层20的面积远大于粘附层30的面积时，定向干粘合剂层20的回弹还能将粘附层30从待吸附物体S的表面弹起，换句话说，释放剪切预紧力后，整个粘附设备100会自动从待吸附物体S上脱落。

如图4所示，当粘附层30的面积较大时，定向干粘合剂层20的回弹力可能不足以将其从待吸附物体S的表面剥落，此时可以主动对基材10的边缘施加一个剥离力P，使得基材10的一端翘起，从而将粘附层30从待吸附物体S的表面手动剥离。在这种情况下，剪切力的预载不一定需要在加载期间时刻保持。

定向干粘合剂层可以提供较大的法向和剪切粘附力，但需要较大的压力来激活。另一方面，粘附层具有较小的接合力和较大的剪切粘附能力，但通常缺乏大的法向粘附力。在上述实施例将这两种类型的粘合剂结合起来使用，结合后的粘附设备在所有方向上都可以提供较高的粘合力，同时只需要最小的压力就可以使干粘合剂层与物体接合，从而获得最佳效果。

如图6所示，本发明另一实施例提供了一种机器人的末端执行器200，包括多个如上所述的粘附设备100和连接在多个粘附设备100之间的加载部件300。其中，多个粘附设备100以加载部件300的中心对称设置。本实施例中，相邻两个粘附设备100的微楔形结构的倾斜方向相反。

加载部件300可包括但不限于腱、绳子、锁链、膜等。一旦拉紧，加载部件300可以是基本上不可伸展的。加载部件300可以由例如聚酰亚胺，凯夫拉尔和/或聚酯(PET)制成。加载部件300的两端分别与相邻两个粘附设备100的基材10相连。请参阅图7，通过将加载部件300设置在相对设置的两个粘附设备100之间，可以对加载部件300的中部向上施力，此时，加载部件300被配置为在待吸附物体S的表面切向和表面法向上对两个粘附设备100进行加载。由于两个相对的粘附设备100的微楔形结构的倾斜方向相反，且每一微楔形结构的倾斜方向均与加载部件300对基材10的施力方向相反，因此可以实现两个定向干粘合剂层20的剪切力的同时预载。

与前述实施例类似的，在加载阶段，可以通过两个基材10施加外部载荷，以保证粘附层30获得非常强的粘附力。在移除阶段，如果定向干粘合剂层20的回弹力足够大，以至于能够克服粘附层30的粘附力时，释放剪切预紧力后，整个末端执行器200会自动从待吸附物体S上脱落。而当定向干粘合剂层20的回弹力不足以使得粘附层30从待吸附物体S的表面剥落时，如图8所示，可以对基材10的一端施力使其翘起，而辅助其从待吸附物体S的表面剥离。同理，在这种情况下，剪切力的预载不一定需要在加载期间时刻保持。

定向干粘合剂层20本身容易接合，但不能提供大的粘附力。粘附层30能提供大的粘附力，但与物体结合时需要较大的初始压力。上述实施例将两者组合，集合了二者的优点，即易于接合和分离以及大的粘附力，并消除了它们的缺点。

参见图9，根据一个实施例，还提供了一种机器人600。机器人600可以包括若干关节件601和末端执行器200。上述机器人600在超薄晶圆、超薄玻璃、柔性电路板、可穿戴产品等产品的拾取、搬运领域具有广泛的应用前景。本领域普通技术人员应当理解，图6所示的结构仅仅是机器人600的示例性实施例。在其它实施例中，机器人600可包括更多部件或更少部件，例如I/O设备、网络访问设备、通信总线、处理器、存储器、致动器和传感器等等。例如，机器人600可以包括处理器和存储指令的存储器，指令在由处理器执行时使处理器实现控制系统。存储器还可存储指令，指令在由处理器执行时致使处理器激活或停用末端执行器200以便抓取或释放待吸附的物体。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种粘附设备，其特征在于，包括：

基材，所述基材的内表面用于与待吸附物体接触；

定向干粘合剂层，设于所述基材的所述内表面，所述定向干粘合剂层具有倾斜的多个微楔形结构；及

粘附层，设于所述基材的所述内表面并环绕在所述定向干粘合剂层的周围。

2.根据权利要求1所述的粘附设备，其特征在于，所述定向干粘合剂层的厚度大于所述粘附层的厚度。

3.根据权利要求1所述的粘附设备，其特征在于，所述粘附层为压敏胶层。

4.根据权利要求1所述的粘附设备，其特征在于，所述粘附层包括多个微吸盘。

5.根据权利要求1所述的粘附设备，其特征在于，所述粘附层包括多个蘑菇形尖端。

6.根据权利要求1所述的粘附设备，其特征在于，所述粘附层包括薄膜和连接所述薄膜和所述内表面的多个纤维。

7.一种机器人的末端执行器，其特征在于，包括多个如权利要求1-6任意一项所述的粘附设备和连接在所述多个粘附设备之间的加载部件，所述多个粘附设备以所述加载部件的中心对称设置。

8.根据权利要求7所述的末端执行器，其特征在于，所述加载部件的两端分别与所述多个粘附设备的所述基材相连，所述加载部件被配置为在所述待吸附物体的表面切向和表面法向上对所述粘附设备进行加载。

9.根据权利要求7所述的末端执行器，其特征在于，所述加载部件包括腱、绳子、锁链和膜中的至少一种。

10.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求7-9任意一项所述的末端执行器。

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