可贴合电粘保持装置的制作方法

文档序号：11913794阅读：185来源：国知局

本发明涉及用于固定装置/加工工具/材料操作和机器人末端执行器的工件抓持装置。

背景技术：

用于加工工具、固定装置和机器人末端执行器的通用抓持器有利地采用保持装置，所述保持装置附接到各种任意形状的工件，用于在制造和组装过程期间运动和定位。通用抓持器可以采用一些形式的外部功率源，以实现抓持和释放，包括基于真空的吸取式抓持器、拟人多位数字抓持器，用于抓持和操作工件。

被动式通用抓持器要求极小的抓持规划且包括被动贴合独特工件几何形状的部件，赋予其不需要重新调整就能抓持各种不同的工件。被动式通用抓持器可以易于使用且对其环境需要极小的视觉处理。然而，抓持许多不同工件的能力通常使得被动式通用抓持器在抓持具体的任何一个工件时表现不佳。

一个被动式通用卡持抓持器采用包含在柔韧膜中的粒状材料，其通过施加卡持力而与工件的表面相符合。这种操作利用粒状材料的温度独立的类似流体的特点，所述粒状材料可在柔韧膜中施加真空时转变为类似固体的伪相。这类抓持器采用来自表面接触的静摩擦，通过贴合互锁捕获工件，且在工件表面的部分一些部分上实现气密密封时形成真空吸取。卡持抓持器采用来自表面接触的静摩擦，通过互锁捕获工件，和进行真空抽吸，以通过不采用抓持规划、视觉或传感反馈的开路构造下抓持各种形状、重量和易碎性的不同工件。

技术实现要素：

描述一种抓持装置，且其包括保持器，所述保持器包括基部和可贴合卡持元件，所述可贴合卡持元件在其表面上具有电粘元件和电连接到电粘元件的可控制的电压源。

本发明提供一种抓持装置，包括：保持器，包括基部和可贴合卡持元件，所述可贴合卡持元件在其表面上具有电粘元件；和可控制的电压源，电连接到电粘元件。

在所述的装置中，电粘元件包括嵌入有多个柔性导电电极对的柔韧基体。

在所述的装置中，每一个柔性导电电极对具有蜿蜒的布置形式。

在所述的装置中，柔韧基体用介电材料制造。

在所述的装置中，电极对用高拉伸强度金属、可伸展导线、液体导线、和螺旋编织的导线中的一种制造。

在所述的装置中，电连接到电粘元件的可控制的电压源包括电连接到电极对的可控制的电压源；和其中可控制的电压源被通电，以在电极对上感应交替的正电荷和负电荷，以在电粘元件的表面上产生相反电荷。

在所述的装置中，可控制的电压源被通电，以在电极对上感应交替的正电荷和负电荷，以在电粘元件的表面上产生电粘保持力。

所述的装置进一步包括可控制的电压源被断电，以释放电粘元件的表面上的电粘力。

在所述的装置中，卡持元件的表面上的电粘元件进一步包括采用多个可重复使用附接装置而固定在卡持元件表面上的电粘元件。

在所述的装置中，附接到基部的可贴合卡持元件包括密闭含有粒状填充材料的密闭不渗透柔韧膜；且进一步包括基部，所述基部包括流体管道，所述流体管道连接到压力源，其中压力源响应于第一控制信号在卡持元件中产生负压力。

在所述的装置中，压力源响应于第一控制信号在卡持元件中产生负压力，所述第一控制信号与被通电的可控制的电压源关联，以在电极对上感应出交替的正电荷和负电荷，以在表面上产生电粘保持力。

提供一种用于抓持工件一部分的装置，包括：保持器，包括基部和可贴合卡持元件，所述可贴合卡持元件在其表面上具有电粘元件；可贴合卡持元件，附接到基部且包括密闭不渗透柔韧膜，所述柔韧膜含有粒状填充材料；可控制的压力装置，流体联接到可贴合卡持元件；可控制的电压源，电连接到电粘元件；和控制器，与可控制的压力装置和可控制的电压源通信；其中电粘元件响应于从控制器到可控制的压力装置和可控制的电压源的命令而抓持工件的一部分。

在所述的装置中，电粘元件包括钱瑞了多个柔性导电电极对的柔韧基体。

在所述的装置中，每一个柔性导电电极对具有蜿蜒结构，所述蜿蜒结构用高拉伸强度金属、可伸展导线、液体导线、和螺旋编织的导线中的一种制造。

在所述的装置中，可控制的电压源电连接到电粘元件包括可控制的电压源电连接到电极对；和其中可控制的电压源被通电，以在电极对上感应交替的正电荷和负电荷，以在电粘元件的表面上产生相反电荷。

在所述的装置中，可控制的电压源被通电，以在电极对上感应交替的正电荷和负电荷，以在电粘元件的表面上产生电粘保持。

所述的装置进一步包括可控制的电压源被断电，以释放电粘元件的表面上的电粘力。

在所述的装置中，表面上具有电粘元件的可贴合卡持元件包括直接固定在密闭不渗透柔韧膜表面上的电粘元件。

本发明提供一种用于抓持工件的保持器，包括：多个可贴合保持装置，每一个保持装置包括基部和具有电粘元件的可贴合卡持元件，所述电粘元件固定在可贴合卡持元件的表面上，其中每一个可贴合卡持元件附接到其基部且包括含有粒状填充材料的密闭不渗透柔韧膜；可控制的压力装置，流体联接到可贴合卡持元件；可控制的电压源，电连接到电粘元件；和控制器，与可控制的压力装置和可控制的电压源通信；其中电粘元件响应于从控制器到可控制的压力装置和可控制的电压源的命令而抓持工件的一些部分；和其中可贴合保持装置中的一个具有在适用于所述工件的保持器上运动的自由度。

在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。

附图说明

参考附图通过例子描述一个或多个实施例，其中:

图1示意性地示出了根据本发明的保持装置的二维侧视图，所述保持装置包括可贴合卡持元件，所述可贴合卡持元件在其表面上固定了可控制的电粘元件；

图2示意性地根据本发明的显示了电粘元件的平面图，包括柔韧基体，在柔韧基体上嵌入有多个柔性导电电极对；

图3示意性地显示了根据本发明的工件保持器的三维部分半透明等轴视图，所述工件保持器包括可贴合卡持元件，所述可贴合卡持元件具有固定在其表面上的可控制的电粘元件且配置为在多个抓持位置与工件贴合接合，工件被固定在保持器的顶部；

图4示意性地显示了根据本发明的工件保持器的三维部分半透明等轴视图，所述工件保持器包括可贴合卡持元件，所述可贴合卡持元件具有固定在其表面上的可控制的电粘元件且配置为在多个抓持位置处贴合接合工件，工件固定在保持器下方。

具体实施方式

现在参见附图，其中仅显示些示例性实施例的目的而不出于限制本发明的目的显示了附图，图1示意性地示出了可贴合保持装置10的二维侧视图，该可贴合保持装置包括固定到卡持元件50的表面上的可控制的电粘元件20(electro adhesive)。保持装置10可以用在机器人手臂的末端执行器上，以可控地抓持或以其他方式保持在工件上或有助于保持在工件上，以将工件局限在一位置或将工件承载到另一位置。

卡持元件50包括气密柔韧膜52，所述柔韧膜附接到基部56且含有粒状填充材料54。在一个实施例中，基部56附接到机器人手臂的末端执行器。可以用于制造膜52的合适材料包括乳胶、乙烯、涂层织物和金属箔等。膜材料是气密的且优选例如通过使用多层结构而抵抗撕裂。用于粒状填充材料54的合适材料包括碎玉米、磨碎的咖啡和粉状塑料等。基部56包括连接到可控制的压力源60的流体管道。压力源60响应于第一控制信号而在卡持元件50中产生负压力(真空)，以实现对工件的抓持，且响应于随后的第二控制信号在卡持元件50中允许真空释放或产生正压力，以实现工件的释放。在一个实施例中，压力源60通过可控制的关闭阀62流体联接到卡持元件50，其中在压力源于卡持元件50中产生真空以实现工件抓持时关闭阀62打开，在请求抓持时关闭阀62关闭，和被再次打开以允许卡持元件50中的真空释放，以实现工件的释放。

采用多个可重复使用的附接装置30(例如钩环紧固件)，可控制的电粘元件20优选固定在卡持元件50的表面上。采用可重复使用附接装置30允许去除和更换电粘元件20。替换地，通过并入装填膜52，可控制的电粘元件20可以直接固定在卡持元件50的表面上。电粘元件20电连接到电粘激活控制器40，所述激活控制器40控制其激活。系统控制器70与激活控制器40和压力源60通信，以实现与工件的附接和分离。

卡持元件50在被促动抵靠工件时通过接触和贴合工件的形状而操作。真空被施加以使得被填充的膜52真空硬化，以刚性地抓持工件。同时地或随后立即地，电粘激活控制器40激活电粘元件20，所述电粘元件将工件连结到在工件附近的膜52的一部分。在工件上已经执行了工作之后或工件已经被运送到另一位置之后，可以施加一股或多股正压力，以将类流体到类固体相转变逆转，即使对卡持逆操作。电粘激活控制器40使得电粘元件20停用，以强制释放工件且将填充膜52返回且由此重设到可变形的待命状态。

术语控制器、控制模块、模块、控制部、控制单元、处理器和相似的术语是指专用集成电路(一个或多个)(ASIC)、电子回路(一个或多个)、执行一个或多个软件或固件程序或过程的中央处理单元(一个或多个)(例如是微处理器(一个或多个))和相关的存储器和存储部(只读、可编程只读、随机存取、硬件驱动等)、组合的逻辑回路(一个或多个)、输入/输出回路(一个或多个)和装置、信号调节和缓冲器电路和提供所述功能的其他部件的组合。软件、固件、程序、指令、控制程序、代码、算法和相似的术语是指任何控制器可执行的指令集，包括校准和查找表。每一个控制器执行控制程序(一个或多个)，以提供期望功能，包括监测来自传感装置和其他联网控制器的输入和执行控制和诊断的程序，以控制促动器的操作。程序可以以规律的间隔执行。替换地，程序可以响应于事件(例如外部命令)的发生而执行。控制器之间以及控制器、促动器和/或传感器之间的通信可以使用直接有线链路、网络通信总线链路、无线链路或任何其他合适的通信链路实现。

图2示意性地显示了电粘元件20的一个实施例的平面图，包括柔韧基体22，其中嵌入了多个柔性导电电极对24、25。替换地，多个柔性导电电极对24、25可以直接嵌入到装填膜52的材料中，而不采用柔韧基体22。电极对24、25被制造为允许沿三个维度的弹性运动，使得它们通过卡持元件50与工件贴合，且在一个非限制性的实施例中是蜿蜒的。柔韧基体22用合适介电材料制造。电极对24、25用柔性导电材料制造，所述柔性导电材料可以包括高拉伸强度金属、可伸展导线、液体导线(liquid wire)、成螺旋形编织的导线或另一合适材料。电极对24、25还布置在柔韧基体22上，其方式是在具体状态下实现电粘。在电极对24、25上感应出交替正电荷和负电荷，最终的带电区域在基体22的表面上形成相反电荷，其可以有助于粘附到工件。这种粘附施加到各种工件材料，例如包括金属、碳纤维、塑料、玻璃、厚纸板和有机材料等。

电粘是指使用静电力将例如电粘装置20和工件这样的两个物体机械联接。由于通过产生在电粘装置20中的电场而形成的静电力，电粘将物体的邻近表面保持在一起或增加两个表面之间的有效牵引或摩擦。静电粘附电压是指产生合适静电力以联接邻近表面的电压，例如电粘装置20联接到工件。电极对24、25形成距离很近的电导体，其产生交替样式的感应电流流动。交替样式的感应电流流动可以通过沿交替方向制造电极对24、25来产生，例如以曲折样式或螺旋形样式。电极对24、25嵌入介电基体22中，使得每一个电极对24、25之间的电场在介电基体22中感应出库仑电荷。电场(E)的增加造成电荷密度(D)的增加。在电粘装置20接触工件时，通过同一电场在工件中建立相反电荷。因为电荷是相反的，所以它们基于介电基体22的电容率而在它们之间形成吸引力(F)。因为电粘装置20的表面的材料可以与工件的材料不同，两材料的电容率(epsilon)的差必须被在确定吸引力的量时考虑。介电基体22和工件之间的距离也必须被考虑，这种距离是覆盖电粘装置20的介电基体22的厚度，其用作电绝缘体。由此，抓持力的量通过介电基体22的材料和工件的材料的电容率(epsilon)确定。由此，保持力将针对不同工件材料变化且优选在电粘装置20的设计中考虑。优选的设计参数包括相对的高压、大接触表面面积和介电基体22的最小厚度。

用于电粘元件20的所需最小电压针对以下有关因素变化：电粘元件20的表面面积、电极对24、25的材料导电性和间距、介电基体22的材料、工件的表面材料、任何对电粘性干扰的存在(例如灰尘、其他颗粒或湿气)、被电粘力支撑的任何物体的重量、电粘装置20的三维顺应性(compliance)、工件的介电性和电阻性、和/或电极对24、25与工件表面之间的相关间隙。在一个实施例中，静电粘附电压包括电极对24、25之间的差分电压(所述差分电压为约500伏特到约15千伏)。更低的电压可以用在微小尺寸的应用中。在一个实施例中，差分电压为约2千伏到约5千伏。用于电极对24、25中的一个的电压可以是零。交替的正电荷和负电荷也可以施加到附近的电极对24、25。单个电极上的电压可以及时变化，且具体地可以在正电荷和负电荷之间交替，以便不对工件产生显著长期的静电充电。最终的保持力将随具体电粘装置20的具体情况、其所粘附的材料、任何颗粒干扰、表面粗糙度等等变化。通常，如在本文所述的电粘提供宽范围的保持压力(压强)，通常限定为电粘装置施加的吸引力除以电粘装置通过其与工件接触的面积。

实际的电粘力和压力将随设计和其他因素而变化。在一个实施例中，电粘装置20提供约0.7kPa(约0.1psi)到约70kPa(约10psi)的压力，但是其他量和范围当然也是可以的。具体应用所需的力的量可以通过改变接触表面的面积、改变所施加的电压、和/或改变电极和工件表面之间的距离而实现，但是其他相关的因素也可以按照期望操作。

图3示意性地显示了工件保持器300的三维等轴视图，所述工件保持器可以是固定装置、加工工具或机器人末端执行器的形式，其已经配置为在多个抓持位置与工件315贴合接合。保持器300包括与参考图1和2所述的保持装置10类似的多个保持装置310。在一个实施例中，保持器300包括保持装置310中的一个。保持装置310每一个包括可贴合卡持元件312，所述可贴合卡持元件具有可控制的电粘元件314，所述可控制的电粘元件固定在可贴合卡持元件的表面上且配置为在被控制器激活时与工件315贴合接合。如所示的，工件315位于保持器300的顶部且工件315通过施加到多个保持装置310的贴合表面的电粘保持力而与之固定。保持装置310全部被显示为与保持器300的平面表面正交，但是应理解，保持装置310可以布置为相对于保持器300成任何合适取向。进而，如元件321所示，各个保持装置310可以运动到保持器300上的不同位置，包括配置为用于在保持器310的表面上进行xy平面平移，沿z方向延伸，或绕x轴线、y轴线和/或z轴线旋转，即俯仰、偏航和/或翻滚旋转，由此具有六个运动自由度以适应且适于具有不同几何形状的工件315。所选择的自由度可以是x、y、z平移和/或俯仰/偏航 /翻滚旋转的任何组合。

图4示意性地显示了工件保持器400的三维等轴视图，所述工件保持器可以是固定装置、加工工具或机器人末端执行器的形式，其已经配置为在多个抓持位置与工件415贴合接合。保持器400包括与参考图1和2所述的保持装置10类似的多个可贴合保持装置410。如此，每一个保持装置包括可贴合卡持元件412，所述可贴合卡持元件具有可控制的电粘元件414，所述可控制的电粘元件固定在可贴合卡持元件的表面上且配置为在被控制器控制时与工件415贴合接合。如所示的，工件415从保持器400悬挂并附着到保持器400，工件415通过施加到多个保持装置410的被贴合表面的电粘保持力而与之固定。保持装置410被显示为与保持器400的平面表面正交，但是应理解，保持装置410可以布置为相对于保持器400成任何合适取向。

本文所述的保持器400的每一个实施例包括如下操作的一个或多个可贴合电粘保持装置410。保持器400附接到机器人手臂的末端，作为末端执行器的元件。最初，每一个保持装置410被断电且不施加真空。机器人手臂被控制为通过具有一定量的力而将保持器400促动抵靠工件415的一部分，所述一定量的力足以将保持装置贴合到工件415的表面。压力源460被激活，以在卡持元件412中产生负压力(真空)，使得颗粒挤在一起，以保持贴合形状和为外部特征提供一些保持力。激活控制器440对电粘元件414通电，以产生静电保持力。保持器400可以被机器人手臂运送到期望位置，以在工件415上执行工作。在工作完成之后，真空被释放且电粘元件414被断电，以释放工件415。该构造在贴合工件形状和工件空腔时实现任何合适工件的抓持取向，包括内部抓持、平坦抓持和外部抓持。该构造可容易地重构以适应不同工件几何形状。

包括一个或多个电粘保持装置的工件保持器的实施例提供抓持器元件，其中抓持器可以具有一个或多个这样的元件，以抓持工件或支撑工件，同时提供足够的可操作性，以实现焊接。包包括一个或多个可贴合电粘保持装置的工件保持器提供抓持器元件，其中抓持器可以具有一个或多个这样的元件，以实现工件的抓持，同时提供足够的可操作性，以实现焊接或在工件上或通过工件执行其他工作。一个或多个保持装置可重新定位/重构到不同位置，以适应具有不同几何形状的不同工件。一个或多个保持装置可重新定位或重构到不同位置，以适应具有不同几何形状的不同工件。包括电粘保持装置的工件保持器提供抓持器元件，所述抓持器元件能通过折叠围绕且贴合到工件的一部分并通过使用电粘力而实现外部抓持。包括电粘保持装置的工件保持器提供抓持器元件，所述抓持器元件能通过使用电粘力实现对工件一部分的内部抓持或平坦抓持。包括电粘保持装置的工件保持器提供抓持器元件，所述抓持器元件能通过使用电粘力实现对工件的一部分的外部抓持、内部抓持和/或平坦抓持的组合。工件保持器可以应用在任何材料操作位置，包括但不限于制造和组装过程、材料操作和运输、测量、测试等。

附图中的详细的描述和显示是对本发明的支持和描述，而本发明的范围仅通过权利要求限定。尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。