專利名稱：具有可變剛度的柔性表面的夾持裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及機器人、機械手或機械夾具的制造技術(shù)，也涉及電、磁流變液的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在機器人工業(yè)以及精細加工等技術(shù)領(lǐng)域中，常常需要使用具有可變剛度的柔順表面的裝置，例如機械手或機械夾具等。當需要抓住或夾持住一個不規(guī)則外形的物體時，為防止夾傷被夾持物、提高夾持的穩(wěn)固度，要求夾持物與被夾持物相接觸的表面具備一定的柔性，以增加接觸面積、降低接觸應(yīng)力?，F(xiàn)有技術(shù)中采用的方法主要是使用彈性材料，即使用橡膠、高分子聚合物等彈性材料包覆接觸表面，也有使用特殊機械結(jié)構(gòu)的情況，例如使用針狀觸頭加彈簧復位裝置形成的柔性外表面等。但這些現(xiàn)有的方法存在以下無法克服缺點(1)無論是使用彈性材料，還是使用普通的彈簧機械結(jié)構(gòu)，其夾持物表面的剛度都無法根據(jù)實際使用要求作任意的調(diào)節(jié)；(2)夾持物使用彈性變形來擬合被夾持物外形時，由于被夾持物外表面所受壓力不均衡，如其突起部分的應(yīng)力較大，而凹下部分可能無法作用到夾持力，所以可能出現(xiàn)夾壞被夾持物表面或夾持不穩(wěn)的現(xiàn)象；(3)夾持物柔順表面的變形是受擠壓力作用產(chǎn)生的，當?shù)竭_變形點后，如果受到其它外力影響仍會改變形狀，所以不能非常穩(wěn)固地固定住被夾持物的位置。
電流、磁流變液是近幾十年發(fā)展起來的新技術(shù)。電流、磁流變液在外加電場的作用下，液體的粘性會隨電場強度的增加而明顯增大，直到發(fā)生相變而迅速固化，其固化過程在瞬間即可完成，而且該過程具有可逆性。隨著對電流、磁流變液的不斷深入的研究，其應(yīng)用前景受到很多行業(yè)的關(guān)注。但由于技術(shù)本身的復雜性，至今有關(guān)電、磁流變閥還處在初步探索階段，沒有其在工程中實際應(yīng)用的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是，針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種利用電流、磁流變閥來控制柔性表面的剛度變化，從而構(gòu)成具有可變剛度的柔性表面的夾持裝置。
本實用新型的解決方案如下本實用新型的具有可變剛度的柔性表面的夾持裝置，包括有柔性膜及其支撐件，其特征在于，所述支撐件由組成陣列的油壓活塞機構(gòu)和多路磁流變閥構(gòu)成，油壓活塞機構(gòu)包括缸體和在活塞缸內(nèi)直線運動的活塞，柔性膜的表面分別與活塞端頭表面固連，所述多路磁流變閥的閥體用非鐵磁性材料制成，該閥體上設(shè)置有兩個或兩個以上的接口，每個接口與一個活塞缸體接通，構(gòu)成密封連通空腔，腔體內(nèi)盛有磁流變液；閥體內(nèi)置有兩塊由軟磁性材料構(gòu)成的磁極，兩磁極間的距離至少為0.5毫米，它們的外端連接成一體并繞有與電源接通的磁線圈；或者閥體內(nèi)設(shè)置一塊由軟磁性材料構(gòu)成的繞有電磁線圈的磁極，該磁極與閥體內(nèi)端面之間的距離至少為0.5毫米；所述腔體內(nèi)盛裝的磁流變液也可以由電流變液代替，并用多路電流變閥代替多路磁流變閥，該閥閥體由不導電材料制成，其性狀結(jié)構(gòu)與多路磁流變閥相同，閥體內(nèi)置有兩塊由導電材料構(gòu)成的電極，兩電極間的距離至少為0.5毫米，兩電極分別由導線引出閥體外與電源接通。
當閥體腔內(nèi)只設(shè)有一個繞上電磁線圈的磁極時，磁流變液從磁極的一端流過，用電流控制磁場，可以簡化結(jié)構(gòu)，但是此時磁場強度會比封閉磁路的磁場強度低一半左右。
在實際使用中，可以根據(jù)夾持物體的不同或不同的夾持位置所需夾持力的差異，選擇使用不同數(shù)量的油壓活塞機構(gòu)及多路磁流變閥，當需要使用多個多路閥時，每個閥使用獨立的電源控制，這樣可以分布式控制不同位置的油缸活塞運動阻力，從而可以任意改變?nèi)犴槺砻嫔先魏挝恢玫慕佑|剛度。如果在每個油壓活塞缸上設(shè)置壓力傳感器來感測此處的觸點壓力，并且傳輸?shù)接嬎銠C中，可以通過特定的程序來調(diào)控不同位置的夾持力。
本實用新型的具有可變剛度的柔性表面的夾持裝置，具有以下優(yōu)點(1)通過調(diào)節(jié)多路電、磁流變閥內(nèi)的電壓或磁場大小，可以無級調(diào)節(jié)油缸內(nèi)活塞的運動阻力，從而達到可以無級調(diào)節(jié)柔順表面各個位置軟硬剛度的目的，同時由于設(shè)有活塞的油缸陣列是布置在一個平面上的，因此柔性膜表面的變形是二維的，能夠適應(yīng)各種不同剛度、不同形狀的被夾持物；(2)由于柔性膜表面的變形是依靠活塞運動產(chǎn)生，并且壓力可調(diào)。因此對于形狀各異的物體表面都可以做到各處壓力適當，這樣既可以保證不會夾壞被夾持物，又可以保證夾持的穩(wěn)固性；(3)柔性膜表面的剛度隨時可調(diào)，當物體被夾住前，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；(4)相對于純機械控制的系統(tǒng)，本實用新型的夾持裝置，結(jié)構(gòu)比較簡單。
以下通過實施例及其附圖作進一步描述。


圖1為本實用新型的具有可變剛度的柔性表面的夾持裝置的實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實用新型所述的具有多個多路磁流變閥并使用計算機控制的夾持裝置的實施例示意圖圖3為本實用新型中使用的多路磁流變閥實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本實用新型中使用的單磁極多路磁流變閥實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本實用新型中使用的多路電流變閥實施例結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式
參見圖1，1為多路磁流變閥，該閥體上設(shè)有6個接口，通過管道分別與6個油壓活塞機構(gòu)的缸體2接通，閥體1及缸體2的空腔內(nèi)置有磁流變液3，4為能在活塞缸內(nèi)作直線運動的活塞，在活塞的頭部安有小球5，以便于和柔性膜6(如彈性橡膠張力膜)的固連。7為固定缸體的鋁板基座。當部分油缸的活塞被擠壓后，其內(nèi)部的磁流變液會通過磁流變閥1流到其它油缸內(nèi)部使不受力的油缸活塞向外移動，直到接觸到物體并達到相同的內(nèi)部靜水壓。只要控制磁流變閥1對磁流變液的阻尼力大小，就可以控制柔順面的剛度。圖中虛線部分為設(shè)想的具有特定形狀的被夾持物體?；钊麑⒂透?陣列粘接固定在鋁板基座7上，粘結(jié)在活塞頭上的柔性膜6整體就構(gòu)成了一個可控柔順面。使用管道將所有油缸的進出口連接到多路磁流變閥1上，這樣就構(gòu)成了一個類似于連通器的結(jié)構(gòu)。當需要剛度很小時(如要夾住物體前)，可以調(diào)節(jié)電流為最小，使多路磁流變閥內(nèi)的磁流變液能夠任意流動，從而最快地擬合物體表面形狀；當需要剛度很大時(如物體被夾住后)，可以調(diào)節(jié)電流到最大，封閉多路磁流變閥，磁流變液無法自由進出油缸，使變形后的柔順表面無法再改變形狀，從而保持變形后位置。此外，還可以在夾持過程中根據(jù)需要調(diào)節(jié)電流大小來改變接觸剛度。
參見圖2，根據(jù)所需柔性膜面積的大小，同一臺夾持裝置中可以使用多個多路磁流變閥。本實施例中選用了3個多路磁流變閥，每個多路磁流變閥分別與6個油壓活塞機構(gòu)的缸體接通。每個油缸上安裝有壓力傳感器8，其測得的壓強信號反映了該油缸活塞觸點和被夾持物之間的壓力大小。將6個油缸的管道連接到同一個多路磁流變閥1上，對這6個油缸的運動阻力就可以獨立控制了。所有的油缸壓強信號都送入計算機系統(tǒng)9中處理，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好程序和實時給出的指令要求，經(jīng)計算后再從計算機系統(tǒng)中送出控制信號到不同的多路磁流變閥中，控制這部分油缸的運動阻力，便可以按照實際情況和要求調(diào)節(jié)柔性膜面上某一部分的當前響應(yīng)。圖中箭頭表示壓力傳感器8的壓強信號的傳遞方向。
參見圖3，所示多路磁流變閥中使用鋁合金制成空心圓環(huán)狀的閥體10，用電工純鐵制成C型銜鐵，銜鐵開口處在閥體10內(nèi)構(gòu)成上下兩塊圓片狀的磁極11和12并封閉閥體，磁極與閥體之間使用高強度環(huán)氧樹脂膠直接粘結(jié)密封，C型磁鐵的中段套有CJ10-60交流接觸器電磁線圈13，構(gòu)成磁流變閥的電磁鐵，磁流變液3從磁極11和12之間的間隙中流過。本實施例選用的磁極直徑為16mm，其上下兩塊磁極端面之間的間隙選擇為1mm。電磁線圈選用電壓為0-24V無級控制，則兩極間磁感應(yīng)強度為0-400mT，當電磁線圈13通上電流后，磁極11和12分別為N和S極。磁流變效應(yīng)引起了磁流變液類固化，使磁流變液具備了抗剪切能力，其剪切屈服強度的大小可以通過調(diào)節(jié)電磁線圈13中的電流大小無級控制。由于磁流變液閥的流體流動阻力和其剪切屈服強度成正比，所以可以使用磁流變閥控制進出流體的流動阻力。兩塊磁極端面之間的間隙選擇可隨電磁鐵線圈和電流的增加而增大，例如，在保證兩磁極間磁場強度能達到0-400mT的前提下，上下兩塊磁極端面之間的間隙可以選擇為0.5-5mm。
實驗表明，當使用美國LORD公司的磁流變液時，在400mT下可達到30kPa的剪切屈服強度。
圖4表示使用單磁極的多路磁流變閥的結(jié)構(gòu)，使用鋁合金制成圓盆狀的閥體10(即閥體一端封閉)，用電工純鐵制成柱型銜鐵，銜鐵開口處在閥體10內(nèi)構(gòu)成一塊圓片狀的磁極11并封閉閥體，磁極與閥體之間也使用高強度環(huán)氧樹脂膠直接粘結(jié)密封，即磁流變液是從閥體10內(nèi)端面和磁極11的端面之間的間隙中流過(磁極與閥體端面之間的間隙選擇同實施例1)，電磁線圈13繞在電磁鐵的另端并伸出閥體外，這樣可以簡化結(jié)構(gòu)。這樣也同樣達到了使用電流控制磁場來控制磁流變液流動的阻力的目的。只是與圖3所示結(jié)構(gòu)相比，在同等電流大小的情形下，本結(jié)構(gòu)的磁場強度會低一半左右。
如圖5所示，使用電流變閥來取代上述系統(tǒng)中的磁流變閥。閥體14使用非導體的聚四氟乙烯材料制成空心圓環(huán)狀，閥體內(nèi)設(shè)有的上下兩塊圓片狀電極15和16上分別引出導線與外接電源的正、負極接通，電極和閥體之間也使用高強度環(huán)氧樹脂膠直接粘結(jié)密封。電流變液17從上下兩塊電極15和16的端面之間的間隙中流過。其電流變液可以由納米尺寸量級的二氧化鈦粉末按30％的體積百分比均勻分布在硅油中制成。兩電極上的電壓高低無級調(diào)節(jié)；改變電壓的高低，就可以改變流經(jīng)閥門的流體流動阻力。其它控制方式與使用磁極的多路磁流變閥的情況相同。
權(quán)利要求1.一種具有可變剛度的柔性表面的夾持裝置，包括有柔性膜及其支撐件，其特征在于，所述支撐件由組成陣列的油壓活塞機構(gòu)和多路磁流變閥構(gòu)成，油壓活塞機構(gòu)包括缸體和在活塞缸內(nèi)直線運動的活塞，柔性膜的一個表面分別與活塞端頭表面固連，所述多路磁流變閥的閥體用非鐵磁性材料制成，該閥體上設(shè)置有兩個或兩個以上的接口，每個接口與一個活塞缸體接通，構(gòu)成密封連通空腔，腔體內(nèi)盛有磁流變液；閥體內(nèi)置有兩塊由軟磁性材料構(gòu)成的磁極，兩磁極間的距離至少為0.5毫米，它們的外端連接成一體并繞有與電源接通的磁線圈。
2.如權(quán)利要求1所述的具有可變剛度的柔性表面的夾持裝置，其特征在于，閥體內(nèi)設(shè)置一塊由軟磁性材料構(gòu)成的繞有電磁線圈的磁極，該磁極與閥體內(nèi)端面之間的距離至少為0.5毫米。
3.如權(quán)利要求1所述的具有可變剛度的柔性表面的夾持裝置，其特征在于，所述腔體內(nèi)盛裝的磁流變液由電流變液代替，并用多路電流變閥代替多路磁流變閥，該閥閥體由不導電材料制成，閥體內(nèi)置有兩塊由導電材料構(gòu)成的電極，兩電極間的距離至少為0.5毫米，兩電極分別由導線引出閥體外與電源接通。
專利摘要本實用新型涉及機器人、機械手或機械夾具的制造，也涉及電、磁流變液的應(yīng)用技術(shù)。它包括柔性膜和支撐件，支撐件由組成陣列的油壓活塞機構(gòu)和多路磁流變閥構(gòu)成，油壓活塞機構(gòu)包括缸體和在缸內(nèi)直線運動的活塞，柔性膜表面分別與活塞端頭固連，多路磁流變閥的閥體上設(shè)有兩個或兩個以上的接口，每個接口與一個活塞缸體接通，構(gòu)成密封連通空腔，腔體內(nèi)盛有磁流變液；閥體內(nèi)置有兩塊由軟磁性材料構(gòu)成的磁極，兩磁極間的距離為至少0.5毫米。磁流變液也可由電流變液代替，并用電流變閥代替磁流變閥。本裝置通過調(diào)節(jié)多路電、磁流變閥內(nèi)的電壓或磁場大小，達到無級調(diào)節(jié)柔性膜各個位置的剛度，能適應(yīng)不同剛度、不同形狀的被夾持物。
文檔編號B25J9/14GK2761378SQ200420121240
公開日2006年3月1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)明者張先舟, 龔興龍, 張培強 申請人:中國科學技術(shù)大學