一种姿态可控的可变刚度的黏附装置及机械手

本发明涉及可控抓取，具体涉及一种姿态可控的可变刚度的黏附装置及机械手。

背景技术：

1、在推行智能制造的大环境下，自动化生产在生产过程中的占比逐渐增加，机械手也参与到了各种产品的生产制造过程中。

2、对于厚且坚硬的物品，强粘合和抓取机械手可以完成稳定的转移任务，但对于薄且易碎的目标，如集成电路芯片等，对黏附装置的响应时间及有效控制的要求更高，需要在不破坏接触目标物的情况下实现可逆和可切换的粘附。但是传统的黏附装置存在控制能力不足、缺乏表面适应性、负载能力不足、易破坏被抓取目标物等问题，因此有必要设计出一种可控、表面适应性强、负载能力强、不易破坏被抓取目标物的可控黏附装置。

3、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明中提供了一种姿态可控的可变刚度的黏附装置及机械手，从而有效解决背景技术中所指出的问题。

2、为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、一种姿态可控的可变刚度的黏附装置，包括绝缘保护外壳和设置于所述绝缘保护外壳底部，且竖直相对设置的两个黏附片；

4、每个所述黏附片包括形状记忆聚合物密封腔和设于所述形状记忆聚合物密封腔靠近工作面的一侧的改性pdms仿生黏附层；

5、每个所述形状记忆聚合物密封腔内部设有可变刚度金属通道，所述可变刚度金属通道的两端分别设有用于引出的柔性电极；

6、所述绝缘保护外壳内部设有脉冲电磁铁，用于产生静止的电磁场。

7、进一步地，所述可变刚度金属通道为从内向外依次围设成的回字形线圈结构。

8、进一步地，每层所述回字形线圈间隔均匀设置。

9、进一步地，所述形状记忆聚合物密封腔由98％～99％质量比的聚氨酯、1％～3％质量比的乙烯基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅制成。

10、进一步地，所述可变刚度金属通道由铟、锡、铋、银金属制成，金属配比为铟50％～70％、锡20％～30％、铋10％～20％、银10％～15％和镁3％～5％。

11、进一步地，所述黏附片的黏附强度随温度升高而降低，黏附强度与温度的关系模型包括：

12、

13、式中，t为温度，单位为℃，p1 p2 p3 p4 p5 q1 q2 q3 q4为函

14、、、、、、、、、数关系模型中的可变系数，p1的取值范围为1.389～1.396，p2的取值范围为-75.38～-74.08，p3的取值范围为1642～1692，p4的取值范围为-4.669～-4.423，p5的取值范围为393.8～404，q1的取值范围为-49.16～-48.47，q2的取值范围为1134-1168，q3的取值范围为-126～-125.7，q4的取值范围为4057～4072。

15、进一步地，所述黏附片的黏附强度随时间变化的过程分为三个阶段，包括刚性黏附阶段、脱附阶段和快速致动阶段；

16、所述刚性黏附阶段，温度升至38.25℃之前，所述黏附片的黏附强度和刚度，用fa表示；

17、所述脱附阶段，温度上升38.25℃至58℃之间，所述黏附片的黏附强度和刚度，用fb表示；

18、所述快速致动阶段，温度高于58℃之后，所述黏附片的黏附强度和刚度，用fc表示；

19、其中，fa＞fb＞fc 。

20、

21、进一步地，在所述黏附片处于快速致动阶段时，所述黏附片的弯曲角度通过改变电流大小实现精确控制，所述黏附片温度与电流和加热时间的关系，所述黏附片的弯曲角度与电流大小的关系模型包括：

22、

23、式中，i为通过黏附片的电流，ρ为可变刚度金属的电阻率，l为可变刚度金属的总长度，a,b分别为可变刚度金属电路横截面的长度和宽度，c为黏附片的比热容，m为黏附片的总质量，t0为黏附片初始时刻的温度，te为黏附片工作环境的温度，a为黏附片的表面积，h为黏附片的热传导系数，m1 m2 m3 m4为函数关系模型中

24、、、、的可变系数，m1的取值范围为2953～3011，m2的取值范围为19.21～31.23，m3的取值范围为134.34～146.37，m4的取值范围为6.32～8.88。

25、姿态可控的可变刚度的黏附装置工作过程，包括如下步骤：

26、初始状态：黏附装置以0.1～0.5m/s速度接近目标物，在此过程中，所述可变刚度金属通道通电，产生焦耳热提升所述可变刚度金属通道的温度，使所述形状记忆聚合物密封腔的刚度降低；

27、升温黏附状态：所述可变刚度金属通道因温度上升而融化，刚度达到最低，此时形状记忆聚合物密封腔处于完全柔软状态；所述黏附片靠近目标物时，所述脉冲电磁铁通电以产生与所述绝缘保护外壳的基座相对静止的强磁场，所述可变刚度金属通道的水平部分受安培力作用，通过所述形状记忆聚合物密封腔驱动所述改性pdms仿生黏附层弯曲并充分接触挤压目标物表面；

28、降温定形状态：接触挤压后，对所述可变刚度金属通道进行降温处理，所述可变刚度金属的温度迅速降至熔点以下，变为固体；

29、夹取目标物状态：关闭电流，所述形状记忆聚合物密封腔和所述改性pdms仿生黏附层一直保持黏附形状，刚度达到最大；

30、释放目标物状态：对所述可变刚度金属通道施加与所述初始状态的相反方向的电流，所述可变刚度金属通道因产生的焦耳热而温度上升至熔化，刚度达到最低，同时电流与磁场耦合作用，所述可变刚度金属通道的水平部分受与所述初始状态相反的安培力，向远离被夹取目标物表面外发生弹性形变。

31、本发明还包括一种机械手，使用如上述的姿态可控的可变刚度的黏附装置。

32、通过本发明的技术方案，可实现以下技术效果：

33、1、可以通过控制可变刚度金属通道的温度来控制黏附装置的刚度，以达到控制黏附装置黏附姿态、黏附姿态和黏脱附状态切换的作用。

34、2、黏附装置刚度下降后，可以被安培力驱动，以非接触的方式施加黏附预紧力，不易损伤脆性材料。

35、3、完成黏附后，冷却可变刚度金属通道，其刚度上升，使黏附装置不易发生形变，提升黏附装置的承载力。

36、4、在脱附过程中，通过改变电流的方向，磁场以非接触的方式对黏附装置施加一个垂直于黏附面的反向安培力，实现快速脱附。

技术特征：

1.一种姿态可控的可变刚度的黏附装置，其特征在于，包括：绝缘保护外壳和设置于所述绝缘保护外壳底部，且竖直相对设置的两个黏附片；

2.根据权利要求1所述的姿态可控的可变刚度的黏附装置，其特征在于，所述可变刚度金属通道为从内向外依次围设成的回字形线圈结构。

3.根据权利要求2所述的姿态可控的可变刚度的黏附装置，其特征在于，每层所述回字形线圈间隔均匀设置。

4.根据权利要求1所述的姿态可控的可变刚度的黏附装置，其特征在于，所述形状记忆聚合物密封腔由98％～99％质量比的聚氨酯、1％～3％质量比的乙烯基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅制成。

5.根据权利要求1所述的姿态可控的可变刚度的黏附装置，其特征在于，所述可变刚度金属通道由铟、锡、铋、银金属制成，金属配比为铟50％～70％、锡20％～30％、铋10％～20％、银10％～15％和镁3％～5％。

6.根据权利要求1所述的姿态可控的可变刚度的黏附装置，其特征在于，所述黏附片的黏附强度随温度升高而降低，黏附强度与温度的关系模型包括：

7.根据权利要求1所述的姿态可控的可变刚度的黏附装置，其特征在于，所述黏附片的黏附强度随时间变化的过程分为三个阶段，包括刚性黏附阶段、脱附阶段和快速致动阶段；

8.根据权利要求7所述的姿态可控的可变刚度的黏附装置，其特征在于，在所述黏附片处于快速致动阶段时，所述黏附片的弯曲角度通过改变电流大小实现精确控制，所述黏附片温度与电流和加热时间的关系，所述黏附片的弯曲角度与电流大小的关系模型包括：

9.根据权利要求1所述的姿态可控的可变刚度的黏附装置，其特征在于，工作过程包括如下步骤：

10.一种机械手，其特征在于，使用如权利要求1至8任一项所述的姿态可控的可变刚度的黏附装置。

技术总结本发明涉及可控抓取技术领域，具体涉及一种姿态可控的可变刚度的黏附装置及机械手，包括绝缘保护外壳和竖直相对设置的两个黏附片；每个黏附片包括形状记忆聚合物密封腔和设于形状记忆聚合物密封腔靠近工作面的一侧的改性PDMS仿生黏附层；形状记忆聚合物密封腔内部设有可变刚度金属通道，可变刚度金属通道的两端分别设有用于引出的柔性电极；绝缘保护外壳内部设有脉冲电磁铁，在电流、磁场和温度的耦合作用下，可以精确控制黏附装置抓取目标物前的姿态，以非接触的方式施加驱动力，且能施加反向剥离力实现快速脱附，实现强黏附与快速剥离的功能，能够精确调整黏附装置的姿态和黏附力，能够灵活地适应不同工作环境和要求。技术研发人员：李绿洲,解文翔,丁建宁受保护的技术使用者：扬州大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11