專利名稱：具有可控剛度的柔順表面的機(jī)器手爪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人、機(jī)械手或機(jī)械夾具的制造技術(shù)，也涉及電流變液的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在機(jī)器人工業(yè)和航空航天業(yè)上，常常需要使用可以控制剛度的柔順表面。當(dāng)需要夾持住一個不規(guī)則外形的物體時，如工業(yè)上使用的夾具和機(jī)器人使用的機(jī)械手需要定位抓住某個特定物體時，為了降低接觸應(yīng)力，增加接觸面積，增加摩擦力，需要接觸表面具備一定的柔性。這樣可以防止夾傷被夾持物和提高夾持的穩(wěn)固度。目前采用的方法主要有使用彈性材料，如橡膠、高分子聚合物包覆接觸表面和使用特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如使用針狀觸頭加彈簧復(fù)位裝置形成的柔性外表面等。但是現(xiàn)有的方法都有以下缺點無法克服(1)無論是使用彈性材料，還是使用普通的彈簧機(jī)械結(jié)構(gòu)，其接觸剛度都無法根據(jù)實際使用要求和被夾持物的剛度做任意的調(diào)節(jié)，因而限制了其使用范圍；(2)現(xiàn)有的技術(shù)都是使用彈性變形來達(dá)到擬合被夾持物外形的目的，由于被夾持物外表面所受壓力并不均衡，突起部分的應(yīng)力仍然較大，而凹下部分可能無法作用到夾持力。所以仍可能出現(xiàn)夾壞被夾持物和夾持不穩(wěn)的現(xiàn)象；(3)現(xiàn)有技術(shù)使用的柔順表面的變形都是受擠壓力作用產(chǎn)生的，在到達(dá)適應(yīng)所夾持物體表面外形的變形后，如果受到外力干擾仍會改變形狀，所以并不能非常穩(wěn)固地固定住被夾持物的位置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種能夠改變?nèi)犴槉A持表面的剛度的機(jī)器人手爪，從而增強(qiáng)機(jī)器人手爪的夾持力和夾持穩(wěn)定性。
本發(fā)明的目的由以下方式實現(xiàn)。
本發(fā)明具有可控剛度的柔順表面的機(jī)器手爪，包括手指體及由彈性薄膜構(gòu)成的柔順表面，其特征在于，所述的手指體包括一個具有開口端的容器，容器空腔內(nèi)設(shè)置有排列成行的可伸縮的彈性電極；彈性薄膜構(gòu)成的柔順表面固連在容器開口端，并與每個電極的上表面固連；每一行內(nèi)的電極的極性相同并串聯(lián)，相鄰行的電極的極性相反，多行同極性的電極并聯(lián)后由導(dǎo)線引出容器外與電路接通；在每行電極之間有間隙，其中充滿電流變液；所述單個彈性電極可以這樣構(gòu)成兩個直徑不同的金屬套筒以滑動配合方式嵌套成整體，內(nèi)腔中設(shè)置有一彈簧，該彈簧兩端分別與兩個套筒的內(nèi)壁面連接，兩個套筒交疊部分的長度大于彈簧的伸縮長度；所述單個彈性電極也可以由導(dǎo)電材料波紋管構(gòu)成；所述的容器內(nèi)還設(shè)有一個能改變電流變液容量的調(diào)節(jié)裝置，例如，與容器腔相通的高彈性空心球，或在容器空腔的一端設(shè)置一彈性隔板。
本發(fā)明具有可控剛度的柔順表面的機(jī)器手爪，采用電流變液在電場作用下能夠固化、形成類固體的特點，達(dá)到實現(xiàn)改變?nèi)犴槺砻鎰偠鹊哪康摹Ｆ涔ぷ髟頌楫?dāng)手爪的由彈性薄膜構(gòu)成的柔順表面接觸到被抓夾物體受到擠壓力時，與之相連的自身具有彈性的電極即發(fā)生變形，以適應(yīng)施力物體的外形。也就是隨著抓夾力的加大，電極套筒內(nèi)的彈簧不斷被壓縮，使上套筒也不斷下移，此時加上電場后，電流變液迅速固化，則物體的外形的包絡(luò)面將由電極陣列模擬出來，這樣就可以非?？煽康谋３直粖A持物的位置和穩(wěn)定性。當(dāng)撤去外部力的作用時，即當(dāng)手爪松開被夾持的物體時，撤去電場，彈簧復(fù)位，電極上套筒返回到原位，與之相連的由彈性薄膜構(gòu)成的柔順表面也恢復(fù)原狀。
對于使用液量調(diào)節(jié)裝置的情況，當(dāng)手指體容積受到被抓夾物體的擠壓而減小時，電流變液擠壓液量調(diào)節(jié)裝置的彈性壁，在彈性作用下，空心球的內(nèi)腔增大，或彈性隔板被擠壓，從而為電流變液騰出一部分空間，而當(dāng)外力撤除、撤除電場時，由于液量調(diào)節(jié)裝置的彈性恢復(fù)作用，使電流變液回到手指體容腔內(nèi)。
本發(fā)明具有可控剛度的柔順表面的機(jī)器手爪，其優(yōu)點如下通過對電場強(qiáng)度調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)對電流變液狀態(tài)及其流變性能的改變，從而實現(xiàn)可以無級調(diào)節(jié)柔順表面軟硬剛度的目的，能夠適應(yīng)各種不同剛度、不同形狀的被夾持物；由于柔順表面剛度可調(diào)，從而使得手指體可以適應(yīng)各種形狀的物體，可以保證不會夾壞被夾持物，又可以保證夾持的穩(wěn)固性；柔順表面的剛度隨時可調(diào)，當(dāng)物體被夾住前，可以調(diào)節(jié)剛度為最小，從而最快地擬合物體表面形狀；當(dāng)物體被夾住后，可以立即改變剛度到最大，使變形后的柔順表面無法再改變形狀，從而非常牢固可靠地保持被夾持物的位置和穩(wěn)定性。


下面通過實施例及附圖做進(jìn)一步描述。
圖1是本發(fā)明具有可控剛度的柔順表面的機(jī)器手爪的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1的俯視示意圖。
圖3是本發(fā)明所述的電極結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
參見圖1及圖2，1為上端開口的長方形容器(如50mm×30mm×5mm)，2為覆蓋在上開口端的高彈性薄膜(如橡膠膜)。3是設(shè)在容器內(nèi)的十排成行的電極，間距為0.5mm；所有電極均固接在一絕緣板4上，該絕緣板(如塑料板)通過粘接的方法固定在容器空腔的底部。高彈性薄膜2被強(qiáng)力膠粘接在容器1周邊及電極的上端面上。第一行電極為正極、第二行為負(fù)極(或反之，即第一行電極為負(fù)極、第二行為正極)，以此類推，正負(fù)極相間。每一行的各單個電極之間相互串聯(lián)后，第一、三、五、七、九行(單數(shù)行)分別與導(dǎo)電條5接通，并聯(lián)后由導(dǎo)線6引出容器外，第二、四、六、八、十行(雙數(shù)行)分別與導(dǎo)電條5接通，并聯(lián)后由導(dǎo)線6引出容器外。7為高彈性材料(如橡膠)構(gòu)成的彈性空心球，其內(nèi)腔空間與容器1內(nèi)腔連通，以用于調(diào)節(jié)容器1內(nèi)腔電流變液的液量。填充于正負(fù)電極之間的為電流變液(可從香港科技大學(xué)購買得到)。由于電流變液充滿于正負(fù)電極之間，因此若在正負(fù)兩極間增加電場的話，即可通過改變施加電場的場強(qiáng)的大小來實現(xiàn)對電流變液狀態(tài)的控制，從而改變?nèi)犴槺砻娴膭偠取?br> 單個電極的結(jié)構(gòu)參見圖3，8為電極的上金屬套筒(4mm×4mm×2mm)，9為下金屬套筒(3.8mm×3.8mm×2mm)，套筒壁厚為0.2mm，上金屬套筒的內(nèi)徑與下金屬套筒的外徑以滑動配合方式嵌套成整體，內(nèi)腔中設(shè)置有一金屬壓簧10(GB2089-80，材料直徑0.5mm，彈簧中徑為3mm，自由高度為6mm)，該彈簧兩端分別與兩個套筒的內(nèi)壁面連接，兩個套筒交疊部分的長度大于彈簧的伸縮長度。當(dāng)電極的上、下套筒之間采用接觸式的滑動配合時(例如一邊開槽、一邊設(shè)凸塊)，內(nèi)設(shè)的彈簧還可以采用非導(dǎo)電材料。所述單個彈性電極也可以由導(dǎo)電材料波紋管構(gòu)成可伸縮的整體，當(dāng)波紋管材料的彈性足以使其在受到的壓縮力撤除之后自動復(fù)位，就可以省略電極內(nèi)設(shè)的彈簧；若不能自動復(fù)位，還保留內(nèi)設(shè)的彈簧。
權(quán)利要求
1.一種具有可控剛度的柔順表面的機(jī)器手爪，包括手指體及由彈性薄膜構(gòu)成的柔順表面，其特征在于，所述的手指體包括一個具有開口端的容器，容器空腔內(nèi)設(shè)置有排列成行的可伸縮的彈性電極；彈性薄膜構(gòu)成的柔順表面固連在容器開口端，并與每個電極的上表面固連；每一行內(nèi)的電極的極性相同并串聯(lián)，相鄰行的電極的極性相反，多行同極性的電極并聯(lián)后由導(dǎo)線引出容器外與電路接通；在每行電極之間有間隙，其中充滿電流變液；所述的容器內(nèi)還設(shè)有一個能改變電流變液容量的調(diào)節(jié)裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的具有可控剛度的柔順表面的機(jī)器手爪，其特征在于，所述的單個電極這樣構(gòu)成兩個直徑不同的金屬套筒以滑動配合方式嵌套成整體，內(nèi)腔中設(shè)置有一彈簧，該彈簧兩端分別與兩個套筒的內(nèi)壁面連接，兩個套筒交疊部分的長度大于彈簧的伸縮長度。
3.如權(quán)利要求1所述的具有可控剛度的柔順表面的機(jī)器手爪，其特征在于，所述單個彈性電極由導(dǎo)電材料波紋管構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的具有可控剛度的柔順表面的機(jī)器手爪，其特征在于，所述的能改變電流變液容量的調(diào)節(jié)裝置是在容器空腔的一端設(shè)置可伸縮的彈性隔板。
5.如權(quán)利要求1所述的具有可控剛度的柔順表面的機(jī)器手爪，其特征在于，能改變電流變液容量的調(diào)節(jié)裝置是與容器腔相通的高彈性空心球。
全文摘要
本發(fā)明涉及機(jī)器人、機(jī)械手或機(jī)械夾具的制造，也涉及電流變液的應(yīng)用技術(shù)。它包括手指體及由彈性薄膜構(gòu)成的柔順表面，手指體包括一個具有開口端的容器，容器空腔內(nèi)設(shè)置有排列成行的可伸縮的彈性電極；彈性薄膜構(gòu)成的柔順表面固連在容器開口端，并與每個電極的上表面固連；每一行內(nèi)的電極的極性相同并串聯(lián)，相鄰行電極的極性相反，多行同極性的電極并聯(lián)后由導(dǎo)線引出容器外與電路接通；每行電極之間有間隙，其中充滿電流變液。本發(fā)明通過對電場強(qiáng)度調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對電流變液狀態(tài)及其流變性能的改變，從而實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)柔順表面軟硬剛度的目的，能夠適應(yīng)不同剛度不同形狀的被夾持物；不會夾壞被夾持物并保證夾持的穩(wěn)固性。
文檔編號B25J15/08GK1799790SQ200410103238
公開日2006年7月12日 申請日期2004年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月31日
發(fā)明者龔興龍, 錢林俊, 張先舟, 張培強(qiáng) 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)