CN110103462B - 具有弹射与抓取功能的软体抓手及其3d打印制备方法 - Google Patents

具有弹射与抓取功能的软体抓手及其3d打印制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有弹射与抓取功能的软体抓手及其3D打印制备方法，属于软体抓手领域，包括：抓取部件、夹持部件、电磁线圈和运动控制部件，所述夹持部件的一端与抓取部件连接，另一端与运动控制部件连接，所述电磁线圈缠绕于运动控制部件周围；所述抓取部件的形状为C形，用于抓取目标；所述电磁线圈，用于在通电时，对运动控制部件产生推力；所述运动控制部件，用于通过夹持部件驱动抓取部件运动，实现弹射和拉回运动。本发明软体抓手实现快速弹射‑抓取‑拉回的过程，具有响应较快、抓取速度快、造价成本低、结构紧凑、耗能小、可自动回复的优点。

Description

具有弹射与抓取功能的软体抓手及其3D打印制备方法
技术领域
本发明属于软体抓手领域，更具体地，涉及一种具有弹射与抓取功能的软体抓手及其3D打印制备方法。
背景技术
软体抓手属于软体机器人的领域，主要用软体材料制成，一般认为是杨氏模量低于人类肌肉的材料，相比传统的刚性抓手，软体抓手在变形程度、灵活性和可抓取物体的范围方面有较大的优势，能够适应各种非结构化环境，与人类的交互也更安全。目前主要通过电场、压力、磁场、化学反应、光、温度等来进行驱动。
柔性电磁材料通常是三种(聚合物/电学/磁学)或三种以上的材料构成的复合材料体系，这类材料可以感知环境的刺激然后采取一定的措施进行适度响应。具有在外加电/磁场下可调控的、预计的性能，同时其自身存在的电磁耦合/相互作用。对柔性电磁材料的研究涉及到了材料科学的最前沿领域，对经济、社会、国家安全和科学技术自身发展有着十分重要影响。增材制造技术也是近年来迅猛发展的一种新技术，不同于传统的去材制造和等材制造，增材制造是基于逐层堆积的思想来进行三维几何形体的成形的。可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件“自由制造”，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。而且产品结构越复杂，其制造速度的作用就越显著。
然而，目前的软体抓手存在响应、抓取速度慢，造价高昂等不足。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有弹射与抓取功能的软体抓手及其3D打印制备方法，由此解决现有技术存在响应、抓取速度慢，造价高昂的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具有弹射与抓取功能的软体抓手，包括：抓取部件、夹持部件、电磁线圈和运动控制部件，所述夹持部件的一端与抓取部件连接，另一端与运动控制部件连接，所述电磁线圈缠绕于运动控制部件周围；
所述抓取部件的形状为C形，用于抓取目标；
所述电磁线圈，用于在通电时，对运动控制部件产生推力；
所述运动控制部件，用于通过夹持部件驱动抓取部件运动，实现弹射和拉回运动。
进一步地，运动控制部件包括：支撑杆、阻挡部件、磁块和柔性部件，
所述支撑杆的一端位于夹持部件内部，另一端穿过阻挡部件后与磁块连接，运动控制部件内部除了支撑杆、阻挡部件、磁块外的其他部分均为柔性部件；
所述支撑杆，用于在磁块运动时推动夹持部件和抓取部件运动；
所述阻挡部件，用于包裹柔性部件靠近抓取部件的一端；
所述磁块，用于在电磁线圈通电时产生磁场的作用下运动；
所述柔性部件，用于在抓取部件抓取目标前进行拉伸实现弹射，在抓取部件抓取目标后进行收缩实现拉回运动。
进一步地，抓取部件的材料为外部包裹塑料的钢片。
进一步地，钢片的厚度为0.1mm-0.3mm。
进一步地，夹持部件的材料为光固化树脂或者尼龙。
进一步地，柔性部件的材料为硅橡胶。
按照本发明的另一方面，提供了一种具有弹射与抓取功能的软体抓手的3D打印制备方法，包括如下步骤：
(1)使用3D打印制备包含夹持部件和运动控制部件的模子；
(2)将支撑杆、阻挡部件和磁块固定在模子中，将硅橡胶浇灌至模子中，在40℃-60℃下烘烤模子5h-7h，然后在室温下放置5h-7h，得到夹持部件和运动控制部件；
(3)将电磁线圈缠绕于运动控制部件周围，将抓取部件安装于夹持部件的一端，得到软体抓手。
进一步地，夹持部件的材料为光固化树脂时，使用光敏树脂选择性固化制备含夹持部件和运动控制部件的模子。
进一步地，夹持部件的材料为尼龙时，使用熔融沉积成型制备含夹持部件和运动控制部件的模子。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明软体抓手集快速弹射-抓取-拉回于一身，相比传统软体抓手，本发明软体抓手能够在距离目标一定距离的地方快速弹射以抓取目标物体而不需要靠近目标。这就决定了本发明除了能抓取静态的物体外还能抓取一些动态物体，这是传统软体抓手所不具备的能力。本发明具有响应较快、抓取速度快、造价成本低、结构紧凑、耗能小、可自动回复的优点。
(2)本发明中运动控制部件包括：支撑杆、阻挡部件、磁块和柔性部件夹持部件通过支撑杆直接与磁块相连，磁块获得的速度直接通过刚性接触传递给前端的夹持部件和抓取部件，从而尽可能减少了速度的损失。
(3)本发明运动控制部件主要指控制软体抓手向前运动和向后运动。向前运动是基于磁块在通电线圈中的加速实现的，而向后运动主要是基于柔性部件的弹性收缩实现的。这要求软体抓手抓住被抓取物体时柔性部件是处于伸长状态的，同时要求柔性部件能提供足够的弹力能够顺利将被抓取物体拉回。柔性部件的材料为硅橡胶时可以满足这些要求。
(4)本发明抓取部件采用C形薄钢片制成，同时在外部包裹塑料以使得抓取部件较软而不至于损毁被抓取物体，同时确保当C形薄钢片受到冲击的时候能够产生弯曲变形。
(5)本发明柔性部件选用的材料简单、成本低廉、化学性质稳定、对人体没有毒害作用；制备条件温和，能耗小，成本低，采用的加工方法设备简单易操作，所得产品的性能及厚度尺寸可调，得到的制件有着弹射抓取速度快、稳定性好、辅助装置少等特点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种具有弹射与抓取功能的软体抓手的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种具有弹射与抓取功能的软体抓手的局部结构示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1为抓取部件，2为夹持部件，3为电磁线圈，4为运动控制部件，5为支撑杆，6为阻挡部件，7为磁块，8为柔性部件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种具有弹射与抓取功能的软体抓手，包括：抓取部件1、夹持部件2、电磁线圈3和运动控制部件4，所述夹持部件的一端与抓取部件连接，另一端与运动控制部件连接，所述电磁线圈缠绕于运动控制部件周围；
所述抓取部件的形状为C形，用于抓取目标；
所述电磁线圈，用于在通电时，对运动控制部件产生推力；
所述运动控制部件，用于通过夹持部件驱动抓取部件运动，实现弹射和拉回运动。
抓取部件的材料为外部包裹塑料的钢片，钢片的厚度为0.1mm-0.3mm，夹持部件的材料为光固化树脂或者尼龙。
如图2所示，运动控制部件4包括：支撑杆5、阻挡部件6、磁块7和柔性部件8，
所述支撑杆的一端位于夹持部件内部，另一端穿过阻挡部件后与磁块连接，运动控制部件内部除了支撑杆、阻挡部件、磁块外的其他部分均为柔性部件；
所述支撑杆，用于在磁块运动时推动夹持部件和抓取部件运动；
所述阻挡部件，用于包裹柔性部件靠近抓取部件的一端；
所述磁块，用于在电磁线圈通电时产生磁场的作用下运动；
所述柔性部件，用于在抓取部件抓取目标前进行拉伸实现弹射，在抓取部件抓取目标后进行收缩实现拉回运动，柔性部件的材料为硅橡胶。
一种具有弹射与抓取功能的软体抓手的3D打印制备方法，包括如下步骤：
(1)使用3D打印制备包含夹持部件和运动控制部件的模子；
(2)将支撑杆、阻挡部件和磁块固定在模子中，将硅橡胶(ecoflex)浇灌至模子中，在40℃-60℃下烘烤模子5h-7h，然后在室温下放置5h-7h，得到夹持部件和运动控制部件；
(3)将电磁线圈缠绕于运动控制部件周围，将抓取部件安装于夹持部件的一端，得到软体抓手。
夹持部件的材料为光固化树脂时，使用光敏树脂选择性固化(StereoLithography Apparatus)制备含夹持部件和运动控制部件的模子。
夹持部件的材料为尼龙时，使用熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling)制备含夹持部件和运动控制部件的模子。
本发明能够克服传统软体抓手响应速度和抓取速度慢的缺点，能够在距离目标物体一定距离的地方快速抓取静止或者运动的目标物体。这是传统软体抓手所不能实现的。同时还具有结构紧凑，耗能小，可自动回复等优点，利用电磁耦合/相互作用的特点，只需要一个瞬间的放电过程即可实现整个软体抓手的弹射，大大降低了所需的电压和能耗，同时机械能转换效率也较高，具有诸如快速响应、弹射速度快、稳定性好、辅助装置少等优点，为软体抓手设计制造提供了一种新的思路。
实施例1
一种具有弹射与抓取功能的软体抓手的3D打印制备方法，包括如下步骤：
(1)夹持部件的材料为光固化树脂时，使用光敏树脂选择性固化制备含夹持部件和运动控制部件的模子；
(2)将支撑杆、阻挡部件和磁块固定在模子中，将硅橡胶浇灌至模子中，在40℃下烘烤模子7h，然后在室温下放置5h，得到夹持部件和运动控制部件；
(3)将电磁线圈缠绕于运动控制部件周围，将抓取部件安装于夹持部件的一端，得到软体抓手。
实施例2
一种具有弹射与抓取功能的软体抓手的3D打印制备方法，包括如下步骤：
(1)夹持部件的材料为尼龙时，使用熔融沉积成型制备含夹持部件和运动控制部件的模子；
(2)将支撑杆、阻挡部件和磁块固定在模子中，将硅橡胶浇灌至模子中，在60℃下烘烤模子5h，然后在室温下放置7h，得到夹持部件和运动控制部件；
(3)将电磁线圈缠绕于运动控制部件周围，将抓取部件安装于夹持部件的一端，得到软体抓手。
实施例3
一种具有弹射与抓取功能的软体抓手的3D打印制备方法，包括如下步骤：
(1)夹持部件的材料为光固化树脂时，使用光敏树脂选择性固化制备含夹持部件和运动控制部件的模子；
(2)将支撑杆、阻挡部件和磁块固定在模子中，将硅橡胶浇灌至模子中，在50℃下烘烤模子6h，然后在室温下放置6h，得到夹持部件和运动控制部件；
(3)将电磁线圈缠绕于运动控制部件周围，将抓取部件安装于夹持部件的一端，得到软体抓手。
线圈可以使用现成的线圈或者自行绕制，线圈内径需要大于运动控制部分直径以确保软体抓手可以顺利发射，同时线圈内径不能太大，需要对运动控制部件有一定空间位置的限制作用，防止其倾斜等。同时为了减小运动控制部分与线圈内壁的摩擦，可以在线圈内部加一个塑料衬套，要求塑料衬套内壁较为光滑，同时和运动控制部件之间的摩擦系数较小。此外电磁线圈两端需要预留一部分导线并引出连接电源。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有弹射与抓取功能的软体抓手，其特征在于，包括：抓取部件(1)、夹持部件(2)、电磁线圈(3)和运动控制部件(4)，所述夹持部件(2)的一端与抓取部件(1)连接，另一端与运动控制部件(4)连接，所述电磁线圈(3)缠绕于运动控制部件(4)周围；
所述抓取部件(1)的形状为C形，用于抓取目标；
所述电磁线圈(3)，用于在通电时，对运动控制部件(4)产生推力；
所述运动控制部件(4)，用于通过夹持部件(2)驱动抓取部件(1)运动，实现弹射和拉回运动；
所述运动控制部件(4)包括：支撑杆(5)、阻挡部件(6)、磁块(7)和柔性部件(8)，
所述支撑杆(5)的一端位于夹持部件(2)内部，另一端穿过阻挡部件(6)后与磁块(7)连接，运动控制部件(4)内部除了支撑杆(5)、阻挡部件(6)、磁块(7)外的其他部分均为柔性部件(8)；
所述支撑杆(5)，用于在磁块(7)运动时推动夹持部件(2)和抓取部件(1)运动；
所述阻挡部件(6)，用于包裹柔性部件(8)靠近抓取部件(1)的一端；
所述磁块(7)，用于在电磁线圈(3)通电时产生磁场的作用下运动；
所述柔性部件(8)，用于在抓取部件(1)抓取目标前进行拉伸实现弹射，在抓取部件(1)抓取目标后进行收缩实现拉回运动；
所述抓取部件(1)的材料为外部包裹塑料的钢片；
所述软体抓手用于抓取静态物体和动态物体；
所述钢片的厚度为0.1mm-0.3mm。
2.如权利要求1所述的一种具有弹射与抓取功能的软体抓手，其特征在于，所述夹持部件(2)的材料为光固化树脂或者尼龙。
3.如权利要求1所述的一种具有弹射与抓取功能的软体抓手，其特征在于，所述柔性部件(8)的材料为硅橡胶。
4.如权利要求1-3任一所述的一种具有弹射与抓取功能的软体抓手的3D打印制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)使用3D打印制备包含夹持部件和运动控制部件的模子；
(2)将支撑杆、阻挡部件和磁块固定在模子中，将硅橡胶浇灌至模子中，在40℃-60℃下烘烤模子5h-7h，然后在室温下放置5h-7h，得到夹持部件和运动控制部件；
(3)将电磁线圈缠绕于运动控制部件周围，将抓取部件安装于夹持部件的一端，得到软体抓手。
5.如权利要求4所述的一种具有弹射与抓取功能的软体抓手的3D打印制备方法，其特征在于，所述夹持部件的材料为光固化树脂时，使用光敏树脂选择性固化制备含夹持部件和运动控制部件的模子。
6.如权利要求4所述的一种具有弹射与抓取功能的软体抓手的3D打印制备方法，其特征在于，所述夹持部件的材料为尼龙时，使用熔融沉积成型制备含夹持部件和运动控制部件的模子。
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