CN116587305A - 一种基于介电流体驱动的变刚度软抓手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于介电流体驱动的变刚度软抓手。包括多根手指本体、手指驱动器和连接平台，多根手指本体与对应的手指驱动器固定连接后形成多根变刚度手指，多根变刚度手指的手指驱动器通过连接平台相连后形成变刚度软抓手。变刚度手指中，通过电极组件驱动内外两层流道的介电流体从内侧流向外侧，内外侧的腔室体积发生变化，进而使得手指产生弯曲变形，可用于物体的夹取。本发明通过调整变形层正极线与变刚度层正极线施加电压的大小即可控制介电流体驱动器的泵送效果，宏观上即可任意控制柔性手指的弯曲角度及刚度变化比，实现仅依靠电压的调整实现抓手对软、硬、脆不同对象的适应性抓取需求。

Description

一种基于介电流体驱动的变刚度软抓手

技术领域

本发明涉及了一种变刚度软抓手，具体涉及了一种基于介电流体驱动的具备一定刚度调节能力的软抓手。

背景技术

传统的刚性抓手难以适应柔软、易碎对象的抓取，而目前已有的基于气、液等流体驱动的典型软抓手又在承载能力上有所欠佳，同时必要的外附泵源及管路元件也限制了抓手的便携性。

针对以上情况，有必要研究一款新型的便携式可调节刚度的软抓手来解决这些问题。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种便携式可调节刚度的软抓手。本发明使用介电流体作为驱动，并在软抓手中并入阻塞片实现抓手的刚度人为可控，实现软抓手的功能拓展，能满足软、硬、脆不同对象的抓取需求。

本发明所采用的技术方案是：

本发明包括多根手指本体、手指驱动器和连接平台，多根手指本体与对应的手指驱动器固定连接后形成多根变刚度手指，多根变刚度手指的手指驱动器通过连接平台相连后形成变刚度软抓手，变刚度手指的驱动，控制变刚度软抓手抓取物体。

所述手指驱动器包括第一分隔片、内壳体、外壳体及电极组件；

外壳体的顶部与连接平台固定连接，外壳体内部中空，内壳体设置在外壳体内部，内壳体与外壳体之间间隔布置，内壳体和外壳体之间的腔室中内固定安装有电极组件；壳体内部也中空，第一分隔片设置在内壳体内部，第一分隔片与内壳体之间间隔布置，第一分隔片与内壳体之间的腔室中内固定安装有电极组件；

从外侧到内侧，所述手指本体的内部依次设置有外变形腔、外变刚度腔、内变刚度腔和内变形腔；外变形腔、外变刚度腔、内变刚度腔和内变形腔之间均不互通；外壳体、内壳体的底部设置有开口，外变刚度腔和内变刚度腔之间的腔壁顶部与第一分隔片的底部固定连接，外变形腔与外变刚度腔之间的腔壁顶部、内变刚度腔与内变形腔之间的腔壁顶部均和内壳体的底部固定连接，使得内壳体与第一分隔片之间的腔室与外变刚度腔、内变刚度腔之间连通后形成变刚度层，变刚度层内填充有介电流体；外变形腔外的手指本体顶部以及外的手指本体顶部均与外壳体的底部固定连接，使得内壳体和外壳体之间的腔室与外变形腔、内变形腔之间连通后形成变形层，变形度层内填充有介电流体。

所述电极组件由多组电极对上下间隔地固定安装在手指驱动器的腔室内，每组电极对包括多个三角电极和多个狭缝电极；每组电极对中，多个三角电极连接形成三角电极组，多个狭缝电极连接形成狭缝电极组，三角电极组与狭缝电极组之间间隔布置并且均固定安装在手指驱动器的腔室内，每个三角电极的其中一个尖端与对应狭缝电极的狭缝相对并形成一个电级对，电级对通电后，使得腔室内的介电液体从三角电极流向狭缝电极后形成产生射流。

所述内壳体和外壳体中，靠近内侧的电极组件的三角电极设置于对应狭缝电极的下方，三角电极的尖端指向壳体的顶部；靠近外侧的电极组件的三角电极设置于对应狭缝电极的上方，三角电极的尖端指向壳体的底部。

所述手指本体的内变刚度腔中还设置有阻塞片。

所述手指本体外的内侧面设置有多个凸起块或者凹槽，多个凸起块或者凹槽之间间隔布置，使得手指本体外表面为凹凸状。

所述变刚度腔的腔室体积小于变形腔的腔室体积。

本发明的有益效果是：

本发明提供的软抓手可以实现刚度的可控调节，针对软、硬、脆不同目标实现适应性抓取，同时具有高度的便携性。

本发明在抓取能力、系统便携性上比传统的软抓手有了较大改进，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图；

图2是左侧介电流体驱动器的总体示意图；

图3是左侧介电流体驱动器的结构示意图；

图4是三角-狭缝电极对示意图；

图5是左侧介电流体驱动器剖面图；

图6是左侧柔性手指变形示意图；

图7是左侧柔性手指剖面结构示意图；

图8是三角-狭缝电极对驱动原理示意图；

图9是左侧柔性手指变形原理示意图；

图10是层阻塞变刚度原理示意图；

图11是左侧柔性手指变刚度原理示意图；

图12是软抓手抓取作业示意图。

图中：1、左侧柔性手指，2、右侧柔性手指，3、后侧柔性手指，4、左侧介电流体驱动器，5、右侧介电流体驱动器，6、后侧介电流体驱动器，7、连接平台，8、变形层正极线，9、变刚度层正极线，10、公共负极线，11、外盖板，12、内盖板，13、第一分隔片，14、内壳体，15、外壳体，16、第二分隔片，17、电极对，18、负电级组，19、正电极组，20、外流道，21、内流道，22、外变形腔，23、内变形腔，24、外变刚度腔，25、内变刚度腔，26、阻塞片。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明包括多根手指本体、手指驱动器和连接平台7，多根手指本体与对应的手指驱动器固定连接后形成多根变刚度手指，多根变刚度手指的手指驱动器通过连接平台7相连后形成变刚度软抓手，变刚度手指的驱动，控制变刚度软抓手抓取物体。

具体实施中，变刚度软抓手为三指抓手，如图1所示，分别记为左侧变刚度手指、右侧变刚度手指和后侧变刚度手指，由左侧柔性手指1和左侧介电流体驱动器4组成左侧变刚度手指，右侧柔性手指2和右侧介电流体驱动器5组成右侧变刚度手指，由后侧柔性手指3和后侧介电流体驱动器6组成后侧变刚度手指。软抓手的三根手指结构相同，沿圆周方向均匀分布，俯视为正三角形结构。变形层正极线8、变刚度层正极线9与公共负极线10分别从介电流体驱动器的顶侧小孔穿出，与外接电路相连。该抓手使用介电流体作为驱动介质，给电极对施加电压即可驱动液体流动，无需传统泵源实现抓手变形；并在软抓手中嵌入阻塞片，通过电压控制阻塞层内液体流动实现抓手的刚度可调，从而提升抓手负载能力。

如图2、图3和图5所示，手指驱动器包括第一分隔片13、内壳体14、外壳体15、第二分隔片16及电极组件；

外壳体15的顶部与连接平台7固定连接，外壳体15内部中空，内壳体14设置在外壳体15内部，内壳体14与外壳体15之间间隔布置，内壳体14和外壳体15之间的腔室中内固定安装有电极组件，每个电极组件分别与内壳体14和外壳体15的腔壁固定连接，具体实施中，电极组件固定安装在内壳体14和外壳体15之间的内侧腔室和外侧腔室，其中内侧和外侧是相对于变刚度软抓手内的物体而言的；内壳体14内部也中空，第一分隔片13设置在内壳体14内部，第一分隔片13与内壳体14之间间隔布置，第一分隔片13与内壳体14之间的腔室中内固定安装有电极组件；每个电极组件分别与第一分隔片13和内壳体14的腔壁固定连接，具体实施中，电极组件固定安装在第一分隔片13和内壳体14之间的内侧腔室和外侧腔室。外壳体15、内壳体14的底部设置有开口，具体实施中，外壳体15的一侧板设置为可拆卸的外盖板11，与外壳体15相同侧的内壳体14侧板设置为可拆卸的内盖板12，内盖板12与第一分隔片13之间间隔布置，内盖板12与第一分隔片13之间的腔室中内固定安装有电极组件，电极组件分别与内盖板12和第一分隔片13的腔壁固定连接，具体实施中，电极组件固定安装在内盖板12和第一分隔片13之间的腔室。第二分隔片16设置在外壳体15、内壳体14的底部，第二分隔片16的顶部均与内盖板12、第一分隔片13、内壳体14的底部固定连接，第二分隔片16中开设有通槽，使得手指驱动器的腔室底部开口。外盖板11与内盖板12之间间隔布置，外盖板11与内盖板12之间的腔室中内固定安装有电极组件，每个电极组件分别与外盖板11和内盖板12的腔壁固定连接。从手指内侧到外侧，依次布置有第一电极组件、内壳体14、第二电极组件、第一分隔片13、第三电极组件、内盖板12、第四电极组件和外盖板11。

如图6和图7所示，从外侧到内侧，手指本体的内部依次设置有外变形腔22、外变刚度腔24、内变刚度腔25和内变形腔23；外变形腔22、外变刚度腔24、内变刚度腔25和内变形腔23之间均不互通；具体实施中，外变刚度腔24以及内变刚度腔25上部的腔室开口向下依次缩小，即外变刚度腔24以及内变刚度腔25上部的腔室的截面为倒置锥形。除了电极组件的导线向上穿过外壳体15、内壳体14的顶部外，外壳体15、内壳体14的顶部和侧部均为封闭结构，外变刚度腔24和内变刚度腔25之间的腔壁顶部与第二分隔片16的底部固定连接，外变形腔22与外变刚度腔24之间的腔壁顶部、内变刚度腔25与内变形腔23之间的腔壁顶部以及外变刚度腔24与内变刚度腔25之间的手指本体顶部均和内壳体14的底部固定连接，使得内壳体14与第一分隔片13之间的腔室与外变刚度腔24、内变刚度腔25之间连通后形成变刚度层，即内流道；变刚度层内填充有介电流体，介电流体从变刚度层的内侧向上流动后再从顶部向下流向变刚度层的外侧，直至流至变刚度层的外侧底部。外变形腔22与内变形腔23两独立腔室体积较大，外变刚度腔24与内变刚度腔25则体积较小。左侧柔性手指1顶端与左侧介电流体驱动器4底端相连并密封；外变形腔22外的手指本体顶部以及内变形腔23的手指本体顶部均与外壳体15的底部固定连接，使得内壳体14和外壳体15之间的腔室与外变形腔22、内变形腔23之间连通后形成变形层，即外流道；变形层内填充有介电流体，介电流体从变形层的内侧向上流动后再从顶部向下流向变形层的外侧，直至流至变形层的外侧底部；

手指本体的内变刚度腔25中还设置有阻塞片。当物体与抓手处于接触挤压状态时，对变刚度层正极线9施加电压，内流道液体流动，阻塞片所在区域处于负压高摩擦状态，手指硬化，刚度提升。

如图4所示，电极组件由多组电极对上下间隔地固定安装在手指驱动器的腔室内，每组电极对包括多个三角电极和多个狭缝电极；每组电极对中，多个三角电极连接形成三角电极组，多个狭缝电极连接形成狭缝电极组，三角电极组与狭缝电极组之间间隔布置并且均固定安装在手指驱动器的腔室内，每个三角电极的其中一个尖端与对应狭缝电极的狭缝相对并形成一个微电极对单元，即电极对17，电极对17通电后，由于腔室内填充有介电液体，三角电极和狭缝电极之间形成非均匀电场，使得腔室内的介电液体从三角电极流向狭缝电极后形成产生射流，即形成从正极流向负极的射流。具体实施中，三角电极组作为正电极组19，多组电极对的三角电极组通过第一山字形连接架进行连接，狭缝电极组作为负电级组18，狭缝电极组通过第二山字形连接架进行连接，第一山字形连接架和第二山字形连接架固定安装在腔室的内壁。第一山字形连接架的三个分支与第二山字形连接架的三个分支交错设置，使得各个三角电极与对应的狭缝电极上下间隔相对布置。将变刚度层中与三角电极组相连的导线记为变刚度层正极线9，将变形层中与三角电极组相连的导线记为变形层正极线8，与狭缝电极组相连的导线记为公共负极线10。公共负极线10与左侧介电流体驱动器4中所有四组电极对17的负电极组18分别相连，并从外壳体15顶端的一侧小孔穿出；同样的，变形层正极线8分别与外流道20内两组电极对17的正电极组19相连，并从外壳体15顶端另一侧的小孔穿出；变刚度层正极线9则与内流道21中另外两组电极对17的正电极组19相连，并同样从外壳体15顶端另一侧小孔穿出。具体实施中，四组电极对17分别连接导线，电极对按特定方向可嵌入驱动器各组件的插槽中，导线从外壳体15顶部小孔中穿出；装配沿由内向外方向依次按照外壳体15、内壳体14、分隔片13、内盖板12、外盖板11安装并在过程中两相邻构件间嵌入电极对17，最后第二分隔片16与介电流体驱动器底面粘接相连；使用粘合剂涂抹左侧介电流体驱动器4各侧缝隙及导线小孔，保证介电流体驱动器的密封。

左侧介电流体驱动器4顶面为矩形，四角上的小柱销与连接平台7上的小孔过盈配合并胶水粘接；中心的圆孔为注液孔，整体装配完成后工作液体由此孔注入，工作时为保证流体腔室封闭，使用粘接剂密封。

内壳体14和外壳体15中，靠近内侧的电极组件的三角电极设置于对应狭缝电极的下方，三角电极的尖端指向壳体的顶部；靠近外侧的电极组件的三角电极设置于对应狭缝电极的上方，三角电极的尖端指向壳体的底部。

手指本体外的内侧面设置有多个凸起块或者凹槽，多个凸起块或者凹槽之间间隔布置，使得手指本体外表面为凹凸状，从而增大抓取摩擦力。

本发明的工作原理如下：

左侧介电流体驱动器4工作原理：

介电流体作为一类可被极化的绝缘液体，将其置于足够强的外电场中，可直接被电场泵送，产生流动，进而制成介电流体驱动器。其微观原理基于介电流体动力学，总体而言，在静电场中，介电流体内的少量分子通过电子注入或者分子解离成带正或负离子的方式使液体微观上产生带电粒子，这些粒子沿着电场线方向快速移动拖拽大量液体分子随之移动，宏观上表现出液体定向的泵送。

如图8所示，电极对17中，正电极组19各单元的顶线与负电级组18对应的狭缝间存在多组不均匀强电场，形成泵送通道，宏观上使得介电流体沿着正电极组19三角柱指向的方向流动；进一步的，沿流动方向多对单元串联可以使输出能力提升。

左侧柔性手指1工作原理：

使用介电流体驱动器4驱动柔性手指1本质上仍属于流体驱动的范畴，手指结构的设计遵循柔性手指的通用设计准则。

本发明左侧柔性手指1变形原理如图9所示，左侧柔性手指1的外变形腔22、内变形腔23与左侧介电流体驱动器4的外流道20组成较大的U形空间。其中的介电流体由于电场的作用产生压强，由内变形腔23流向外变形腔22空间。基于液体的不可压缩性，左侧柔性手指1的内变形腔23侧收缩，而外变形腔22侧膨胀，造成柔性腔室体积上的变化，由此产生手指的弯曲。

片层阻塞变刚度原理：

如图10所示，若在柔性材料制成的封闭空间内堆叠多层片层材料，整体在外力作用下弯曲变形，此时刚度较小。封闭空间内变为负压后，片层状层阻塞材料间摩擦增大，模型整体对外界干扰抗性上升，表现为刚度提高。

如图11所示，阻塞片26封装于左侧柔性手指1的内变刚度腔25腔室内，变形层正极线8通电后，左侧介电流体驱动器4中外流道20部分电极对工作使得左侧柔性手指1弯曲到某一角度。此时接通变刚度层正极线9，左侧介电流体驱动器4中内流道21中电极对17工作，使得柔性手指1中内变刚度腔25中的液体流入外变刚度腔24中。阻塞片26处于负压硬化状态，总体上手指进入高刚度状态。

软抓手发明工作原理：

如上述工作原理，变形层正极线8、变刚度层正极线9及公共负极线10引出端施加3000～8000V直流高压电驱动软抓手工作。

介电流体，如乙酸芳樟酯等液体，通过连接平台7上注液孔注满左侧介电流体驱动器4、右侧介电流体驱动器5及后侧介电流体驱动器6后，使用单组份硅胶粘接剂涂抹各连接处，保证软抓手密封。

如图12，对变形层正极线8施加电压后，左侧介电流体驱动器4、右侧介电流体驱动器5及后侧介电流体驱动器6均开始工作，泵送液体流动；进一步的，左侧柔性手指1、右侧柔性手指2、后侧柔性手指3由于两侧液压差的存在，产生弯曲变形，可用于物体的夹取。当目标物体与抓手处于接触挤压状态时，对变刚度层正极线9施加电压，阻塞片26所在区域处于负压高摩擦状态，手指硬化，抓手刚度提升。

通过对变形层正极线8与变刚度层正极线9施加电压的大小进行调整即可控制左侧介电流体驱动器4、右侧介电流体驱动器5及后侧介电流体驱动器6的泵送能力，宏观上即可任意控制左侧柔性手指1、右侧柔性手指2、后侧柔性手指3的弯曲角度及刚度变化比，满足仅依靠电压的调整实现抓手对软、硬、脆不同对象的适应性抓取需求。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (7)

1.一种基于介电流体驱动的变刚度软抓手，其特征在于，包括多根手指本体、手指驱动器和连接平台(7)，多根手指本体与对应的手指驱动器固定连接后形成多根变刚度手指，多根变刚度手指的手指驱动器通过连接平台(7)相连后形成变刚度软抓手，变刚度手指的驱动，控制变刚度软抓手抓取物体。

2.根据权利要求1所述的一种基于介电流体驱动的变刚度软抓手，其特征在于，所述手指驱动器包括第一分隔片(13)、内壳体(14)、外壳体(15)及电极组件；

外壳体(15)的顶部与连接平台(7)固定连接，外壳体(15)内部中空，内壳体(14)设置在外壳体(15)内部，内壳体(14)与外壳体(15)之间间隔布置，内壳体(14)和外壳体(15)之间的腔室中内固定安装有电极组件；壳体(14)内部也中空，第一分隔片(13)设置在内壳体(14)内部，第一分隔片(13)与内壳体(14)之间间隔布置，第一分隔片(13)与内壳体(14)之间的腔室中内固定安装有电极组件；

从外侧到内侧，所述手指本体的内部依次设置有外变形腔(22)、外变刚度腔(24)、内变刚度腔(25)和内变形腔(23)；外变形腔(22)、外变刚度腔(24)、内变刚度腔(25)和内变形腔(23)之间均不互通；外壳体(15)、内壳体(14)的底部设置有开口，外变刚度腔(24)和内变刚度腔(25)之间的腔壁顶部与第一分隔片(13)的底部固定连接，外变形腔(22)与外变刚度腔(24)之间的腔壁顶部、内变刚度腔(25)与内变形腔(23)之间的腔壁顶部均和内壳体(14)的底部固定连接，使得内壳体(14)与第一分隔片(13)之间的腔室与外变刚度腔(24)、内变刚度腔(25)之间连通后形成变刚度层，变刚度层内填充有介电流体；外变形腔(22)外的手指本体顶部以及外的手指本体顶部均与外壳体(15)的底部固定连接，使得内壳体(14)和外壳体(15)之间的腔室与外变形腔(22)、内变形腔(23)之间连通后形成变形层，变形度层内填充有介电流体。

3.根据权利要求2所述的一种基于介电流体驱动的变刚度软抓手，其特征在于，所述电极组件由多组电极对上下间隔地固定安装在手指驱动器的腔室内，每组电极对包括多个三角电极和多个狭缝电极；每组电极对中，多个三角电极连接形成三角电极组，多个狭缝电极连接形成狭缝电极组，三角电极组与狭缝电极组之间间隔布置并且均固定安装在手指驱动器的腔室内，每个三角电极(17)的其中一个尖端与对应狭缝电极的狭缝相对并形成一个电极对(17)，电极对(17)通电后，使得腔室内的介电液体从三角电极流向狭缝电极后形成产生射流。

4.根据权利要求3所述的一种基于介电流体驱动的变刚度软抓手，其特征在于，所述内壳体(14)和外壳体(15)中，靠近内侧的电极组件的三角电极设置于对应狭缝电极的下方，三角电极的尖端指向壳体的顶部；靠近外侧的电极组件的三角电极设置于对应狭缝电极的上方，三角电极的尖端指向壳体的底部。

5.根据权利要求2所述的一种基于介电流体驱动的变刚度软抓手，其特征在于，所述手指本体的内变刚度腔(25)中还设置有阻塞片(26)。

6.根据权利要求1所述的一种基于介电流体驱动的变刚度软抓手，其特征在于，所述手指本体外的内侧面设置有多个凸起块或者凹槽，多个凸起块或者凹槽之间间隔布置，使得手指本体外表面为凹凸状。

7.根据权利要求2所述的一种基于介电流体驱动的变刚度软抓手，其特征在于，所述变刚度腔的腔室体积小于变形腔的腔室体积。