CN100369719C - 具有可变刚度的柔性表面的夹持装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机器人、机械手或机械夹具的制造，也涉及电、磁流变液的应用技术。它包括柔性膜和支撑件，支撑件由组成阵列的油压活塞机构和多路磁流变阀构成，油压活塞机构包括缸体和在缸内直线运动的活塞，柔性膜表面分别与活塞端头固连，多路磁流变阀的阀体上设有两个或两个以上的接口，每个接口与一个活塞缸体接通，构成密封连通空腔，腔体内盛有磁流变液；阀体内置有两块由软磁性材料构成的磁极，两磁极间的距离为至少0.5毫米。磁流变液也可由电流变液代替，并用电流变阀代替磁流变阀。本装置通过调节多路电、磁流变阀内的电压或磁场大小，达到无级调节柔性膜各个位置的刚度，能适应不同刚度、不同形状的被夹持物。
Description
技术领域：
本发明涉及机器人、机械手或机械夹具的制造技术，也涉及电、磁流变液的应用技术领域。
背景技术：
在机器人工业以及精细加工等技术领域中，常常需要使用具有可变刚度的柔顺表面的装置，例如机械手或机械夹具等。当需要抓住或夹持住一个不规则外形的物体时，为防止夹伤被夹持物、提高夹持的稳固度，要求夹持物与被夹持物相接触的表面具备一定的柔性，以增加接触面积、降低接触应力。现有技术中采用的方法主要是使用弹性材料，即使用橡胶、高分子聚合物等弹性材料包覆接触表面，也有使用特殊机械结构的情况，例如使用针状触头加弹簧复位装置形成的柔性外表面等。但这些现有的方法存在以下无法克服缺点：(1)无论是使用弹性材料，还是使用普通的弹簧机械结构，其夹持物表面的刚度都无法根据实际使用要求作任意的调节：(2)夹持物使用弹性变形来拟合被夹持物外形时，由于被夹持物外表面所受压力不均衡，如其突起部分的应力较大，而凹下部分可能无法作用到夹持力，所以可能出现夹坏被夹持物表面或夹持不稳的现象；(3)夹持物柔顺表面的变形是受挤压力作用产生的，当到达变形点后，如果受到其它外力影响仍会改变形状，所以不能非常稳固地固定住被夹持物的位置。
电流、磁流变液是近几十年发展起来的新技术。电流、磁流变液在外加电场的作用下，液体的粘性会随电场强度的增加而明显增大，直到发生相变而迅速固化，其固化过程在瞬间即可完成，而且该过程具有可逆性。随着对电流、磁流变液的不断深入的研究，其应用前景受到很多行业的关注。但由于技术本身的复杂性，至今有关电、磁流变阀还处在初步探索阶段，没有其在工程中实际应用的报道。
发明内容：
本发明的目的是，针对现有技术中的不足，提供一种利用电流、磁流变阀来控制柔性表面的刚度变化，从而构成具有可变刚度的柔性表面的夹持装置。
本发明的解决方案如下：
本发明的具有可变刚度的柔性表面的夹持装置，包括有柔性膜及其支撑件，其特征在于，所述支撑件由组成阵列的油压活塞机构和多路磁流变阀构成，油压活塞机构包括缸体和在活塞缸内直线运动的活塞，柔性膜的表面分别与活塞端头表面固连，所述多路磁流变阀的阀体用非铁磁性材料制成，该阀体上设置有两个或两个以上的接口，每个接口与一个活塞缸体接通，构成密封连通空腔，腔体内盛有磁流变液；阀体内置有两块由软磁性材料构成的磁极，两磁极间的距离至少为0.5毫米，它们的外端连接成一体并绕有与电源接通的磁线圈；或者阀体内设置一块由软磁性材料构成的绕有电磁线圈的磁极，该磁极与阀体内端面之间的距离至少为0.5毫米；所述腔体内盛装的磁流变液也可以由电流变液代替，并用多路电流变阀代替多路磁流变阀，该阀阀体由不导电材料制成，其形状结构与多路磁流变阀相同，阀体内置有两块由导电材料构成的电极，两电极间的距离至少为0.5毫米，两电极分别由导线引出阀体外与电源接通。
当阀体腔内只设有一个绕上电磁线圈的磁极时，磁流变液从磁极的一端流过，用电流控制磁场，可以简化结构，但是此时磁场强度会比封闭磁路的磁场强度低一半左右。
在实际使用中，可以根据夹持物体的不同或不同的夹持位置所需夹持力的差异，选择使用不同数量的油压活塞机构及多路磁流变阀，当需要使用多个多路阀时，每个阀使用独立的电源控制，这样可以分布式控制不同位置的油缸活塞运动阻力，从而可以任意改变柔顺表面上任何位置的接触刚度。如果在每个油压活塞缸上设置压力传感器来感测此处的触点压力，并且传输到计算机中，可以通过特定的程序来调控不同位置的夹持力。
本发明的具有可变刚度的柔性表面的夹持装置，具有以下优点：
(1)通过调节多路电、磁流变阀内的电压或磁场大小，可以无级调节油缸内活塞的运动阻力，从而达到可以无级调节柔顺表面各个位置软硬刚度的目的，同时由于设有活塞的油缸阵列是布置在一个平面上的，因此柔性膜表面的变形是二维的，能够适应各种不同刚度、不同形状的被夹持物；
(2)由于柔性膜表面的变形是依靠活塞运动产生，并且压力可调。因此对于形状各异的物体表面都可以做到各处压力适当，这样既可以保证不会夹坏被夹持物，又可以保证夹持的稳固性；
(3)柔性膜表面的刚度随时可调，当物体被夹住前，可以调节刚度为最小，从而最快地拟合物体表面形状；当物体被夹住后，可以立即改变刚度到最大，使变形后的柔顺表面无法再改变形状，从而非常牢固可靠地保持被夹持物的位置和稳定性；
(4)相对于纯机械控制的系统，本发明的夹持装置，结构比较简单。
以下通过实施例及其附图作进一步描述。
附图说明
图1为本发明的具有可变刚度的柔性表面的夹持装置的实施例结构示意图。
图2为本发明所述的具有多个多路磁流变阀并使用计算机控制的夹持装置的实施例示意图
图3为本发明中使用的多路磁流变阀实施例结构示意图。
图4为本发明中使用的单磁极多路磁流变阀实施例结构示意图。
图5为本发明中使用的多路电流变阀实施例结构图。
具体实施方式：
参见图1，1为多路磁流变阀，该阀体上设有6个接口，通过管道分别与6个油压活塞机构的缸体2接通，阀体1及缸体2的空腔内置有磁流变液3，4为能在活塞缸内作直线运动的活塞，在活塞的头部安有小球5，以便于和柔性膜6(如弹性橡胶张力膜)的固连。7为固定缸体的铝板基座。当部分油缸的活塞被挤压后，其内部的磁流变液会通过磁流变阀1流到其它油缸内部使不受力的油缸活塞向外移动，直到接触到物体并达到相同的内部静水压。只要控制磁流变阀1对磁流变液的阻尼力大小，就可以控制柔顺面的刚度。图中虚线部分为设想的具有特定形状的被夹持物体。活塞将油缸2阵列粘接固定在铝板基座7上，粘结在活塞头上的柔性膜6整体就构成了一个可控柔顺面。使用管道将所有油缸的进出口连接到多路磁流变阀1上，这样就构成了一个类似于连通器的结构。当需要刚度很小时(如要夹住物体前)，可以调节电流为最小，使多路磁流变阀内的磁流变液能够任意流动，从而最快地拟合物体表面形状；当需要刚度很大时(如物体被夹住后)，可以调节电流到最大，封闭多路磁流变阀，磁流变液无法自由进出油缸，使变形后的柔顺表面无法再改变形状，从而保持变形后位置。此外，还可以在夹持过程中根据需要调节电流大小来改变接触刚度。
参见图2，根据所需柔性膜面积的大小，同一台夹持装置中可以使用多个多路磁流变阀。本实施例中选用了3个多路磁流变阀，每个多路磁流变阀分别与6个油压活塞机构的缸体接通。每个油缸上安装有压力传感器8，其测得的压强信号反映了该油缸活塞触点和被夹持物之间的压力大小。将6个油缸的管道连接到同一个多路磁流变阀1上，对这6个油缸的运动阻力就可以独立控制了。所有的油缸压强信号都送入计算机系统9中处理，根据预先设定好程序和实时给出的指令要求，经计算后再从计算机系统中送出控制信号到不同的多路磁流变阀中，控制这部分油缸的运动阻力，便可以按照实际情况和要求调节柔性膜面上某一部分的当前响应。图中箭头表示压力传感器8的压强信号的传递方向。
参见图3，所示多路磁流变阀中使用铝合金制成空心圆环状的阀体10，用电工纯铁制成C型衔铁，衔铁开口处在阀体10内构成上下两块圆片状的磁极11和12并封闭阀体，磁极与阀体之间使用高强度环氧树脂胶直接粘结密封，C型磁铁的中段套有CJ10-60交流接触器电磁线圈13，构成磁流变阀的电磁铁，磁流变液3从磁极11和12之间的间隙中流过。本实施例选用的磁极直径为16mm，其上下两块磁极端面之间的间隙选择为1mm。电磁线圈选用电压为0-24V无级控制，则两极间磁感应强度为0-400mT，当电磁线圈13通上电流后，磁极11和12分别为N和S极。磁流变效应引起了磁流变液类固化，使磁流变液具备了抗剪切能力，其剪切屈服强度的大小可以通过调节电磁线圈13中的电流大小无级控制。由于磁流变液阀的流体流动阻力和其剪切屈服强度成正比，所以可以使用磁流变阀控制进出流体的流动阻力。两块磁极端面之间的间隙选择可随电磁铁线圈和电流的增加而增大，例如，在保证两磁极间磁场强度能达到0-400mT的前提下，上下两块磁极端面之间的间隙可以选择为0.5-5mm。
实验表明，当使用美国LORD公司的磁流变液时，在400mT下可达到30kPa的剪切屈服强度。
图4表示使用单磁极的多路磁流变阀的结构，使用铝合金制成圆盆状的阀体10(即阀体一端封闭)，用电工纯铁制成柱型衔铁，衔铁开口处在阀体10内构成一块圆片状的磁极11并封闭阀体，磁极与阀体之间也使用高强度环氧树脂胶直接粘结密封，即磁流变液是从阀体10内端面和磁极11的端面之间的间隙中流过(磁极与阀体端面之间的间隙选择同实施例1)，电磁线圈13绕在电磁铁的另端并伸出阀体外，这样可以简化结构。这样也同样达到了使用电流控制磁场来控制磁流变液流动的阻力的目的。只是与图3所示结构相比，在同等电流大小的情形下，本结构的磁场强度会低一半左右。
如图5所示，使用电流变阀来取代上述系统中的磁流变阀。阀体14使用非导体的聚四氟乙烯材料制成空心圆环状，阀体内设有的上下两块圆片状电极15和16上分别引出导线与外接电源的正、负极接通，电极和阀体之间也使用高强度环氧树脂胶直接粘结密封。电流变液17从上下两块电极15和16的端面之间的间隙中流过。其电流变液可以由纳米尺寸量级的二氧化钛粉末按30％的体积百分比均匀分布在硅油中制成。两电极上的电压高低无级调节；改变电压的高低，就可以改变流经阀门的流体流动阻力。其它控制方式与使用磁极的多路磁流变阀的情况相同。
Claims (3)
1.一种具有可变刚度的柔性表面的夹持装置，包括有柔性膜及其支撑件，其特征在于，所述支撑件由组成阵列的油压活塞机构和多路磁流变阀构成，油压活塞机构包括缸体和在活塞缸内直线运动的活塞，柔性膜的一个表面分别与活塞端头表面固连，所述多路磁流变阀的阀体用非铁磁性材料制成，该阀体上设置有两个或两个以上的接口，每个接口与一个活塞缸体接通，构成密封连通空腔，腔体内盛有磁流变液；阀体内置有两块由软磁性材料构成的磁极，两磁极间的距离至少为0.5毫米，它们的外端连接成一体并绕有与电源接通的磁线圈。
2.一种具有可变刚度的柔性表面的夹持装置，包括有柔性膜及其支撑件，其特征在于，所述支撑件由组成阵列的油压活塞机构和多路磁流变阀构成，油压活塞机构包括缸体和在活塞缸内直线运动的活塞，柔性膜的一个表面分别与活塞端头表面固连，所述多路磁流变阀的阀体用非铁磁性材料制成，该阀体上设置有两个或两个以上的接口，每个接口与一个活塞缸体接通，构成密封连通空腔，腔体内盛有磁流变液；阀体内设置一块由软磁性材料构成的绕有电磁线圈的磁极，该磁极与阀体内端面之间的距离至少为0.5毫米，该磁极的电磁线圈与电源接通。
3.一种具有可变刚度的柔性表面的夹持装置，包括有柔性膜及其支撑件，其特征在于，所述支撑件由组成阵列的油压活塞机构和多路电流变阀构成，油压活塞机构包括缸体和在活塞缸内直线运动的活塞，柔性膜的一个表面分别与活塞端头表面固连，所述多路电流变阀阀体由不导电材料制成，该阀体上设置有两个或两个以上的接口，每个接口与一个活塞缸体接通，构成密封连通空腔，腔体内盛有电流变液，阀体内置有两块由导电材料构成的电极，两电极间的距离至少为0.5毫米，两电极分别由导线引出阀体外与电源接通。
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