一种可变刚度的抓取装置及其制备方法与流程

本发明涉及机器人技术领域，具体而言，涉及一种可变刚度的抓取装置及其制备方法。

背景技术：

目前现有机器人可分为传统机器人及软体机器人。传统机器人即使用传统的钢铁、铝合金等制作机器人结构，使用电机等进行驱动，广泛应用于工业制造、生产等领域，但是这类机器人本身刚性较大，不适用与一些软质材料的取放等操作。软体机器人是新兴的一种机器人，采用热塑性聚氨酯弹性体橡胶、硅橡胶等软体材料制作而成，这些材料质软，在使用时不易对物体造成破坏，尤其是一些易碎或者软质物体，因而也被广泛研究以及应用。但是软体机器人本身刚度较小，对质量较大的物体进行取放等操作不适用。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践提出了本发明。

技术实现要素：

本发明解决的问题是传动机器人机构在抓取物品时不能够根据物体本身刚度的采用合适的抓取机构进行抓取，一方面用刚度大的抓取机构抓取质量小的柔性物体容易造成物体损坏；另一方面，无法用刚度小的抓取机构抓取质量大的刚性物体。

为解决上述问题，本发明提供了一种可变刚度的抓取装置，包括相互连接的支撑结构和抓取机构，所述抓取机构包括形状记忆聚合物板和介电弹性体薄膜；所述介电弹性体薄膜上下表面分别设有与外接电源连接的柔性电极，且所述柔性电极包括设置在所述介电弹性体薄膜上表面的第一柔性电极和设置在所述介电弹性体薄膜下表面的第二柔性电极，所述形状记忆聚合物板粘接在所述第一柔性电极上表面，且所述形状记忆聚合物板内部设置有与外界电源连接的导电网络。

可选地，所述支撑结构包括支撑板和连接板，所述连接板一端与所述支撑板连接，所述连接板另一端设置有凹槽，所述抓取机构固定设置在所述凹槽内。

可选地，所述抓取机构还包括绝缘保护层，所述绝缘保护层设置在所述第二柔性电极下表面。

可选地，所述形状记忆聚合物板是由热致型形状记忆聚合物制成。所述热致型形状记忆聚合物包括苯乙烯形状记忆聚合物或环氧形状记忆聚合物。

可选地，所述导电网络为s形水平网络结构或s形竖直连续网络结构。

本发明可变刚度的抓取装置，刚度可以调节，可以根据抓取物体刚度大小不同，自行调节所述抓取装置的刚度，可以满足不同刚度的抓取物的需求。

本发明还提供一种抓取装置的制备方法，包括如下步骤：

步骤s1，制作形状记忆聚合物板；

步骤s2，制作介电弹性体薄膜；

步骤s3，将步骤s1制备的所述形状记忆聚合物板与步骤s2制备的所述介电弹性体薄膜进行组装，并在所述电弹性体薄膜上覆盖一层绝缘保护层，制作抓取机构；

步骤s4，制作支撑结构；

步骤s5，将步骤s4制作的支撑结构与步骤s3制作的所述抓取机构组装，制作可变刚度的抓取装置。

可选地，所述步骤s1包括：

步骤s11，利用3d打印机，使用水溶性打印材料，打印网络结构基板，所述网络结构基板为s形排布；

步骤s12，将所述基板放入容器中，并将配置好的热致型形状记忆聚合物溶液倒入所述容器中，在70℃-80℃的条件下固化10-12小时；

步骤s13，将步骤s12固化好的所述基板取出，放入50℃-60℃的水浴中，待所述水溶性材料溶解后取出晾干；

步骤s14，将低熔点合金注入到所述基板的空隙中，形成导电网络，并引出加热导线，使用聚二甲基硅氧烷封装并进行固化。

较佳地，所述步骤s1包括：

步骤s11，利用3d打印机，使用形状记忆聚合物打印材料，打印网络结构基板，所述网络结构基板包括s形排布的空腔；

步骤s12，将低熔点合金注入所述空腔中，形成导电网络，并引出加热导线，封装并进行固化。

可选地，所述步骤s2包括：

步骤s21，将所述介电弹性体薄膜单轴拉伸1-2倍；将具有电极形状的离型纸覆盖在所述介电弹性体薄膜的上下表面；

步骤s22，将电极采用移印的方式加工到所述离型纸的所述电极形状处，然后去除所述离型纸，形成所述第一柔性电极和所述第二柔性电极并引出驱动导线。

可选地，步骤s3具体包括：

步骤s31，将步骤s1制作好的所述形状记忆聚合物板覆盖在步骤s2制作好的所述介电弹性体薄膜上，与所述第一柔性电极上表面进行粘接；

步骤s32，将粘接好的所述形状记忆聚合物板从整块所述介电弹性体薄膜上裁剪下来；

步骤s33，将所述第二柔性电极表面的绝缘保护层进行固化，所述固化的溶液为聚二甲基硅氧烷溶液，所述固化的温度为60℃-80℃，所述固化的时间为30-40min。

可选地，所述步骤s4包括：

步骤s41，使用3d打印机，打印出具有凹槽的所述支撑结构；

步骤s42，将步骤s3中制作好的所述可变刚度的抓取机构插入步骤s41制作的所述凹槽中，并进行固定。

与现有技术比较，本发明的有益效果在于：

1、本发明中所使用的热致型形状记忆聚合物可使用内嵌的导电网络进行加热；

2、本发明的抓取装置所使用的抓取机构刚度可变；

3、本发明的抓取装置在刚性状态下可抓取质量大的刚性物体；

4、本发明的抓取装置在柔性状态下可抓取质量小的柔性物体。

附图说明

图1是本发明中一种抓取装置张开时整体示意图；

图2是本发明中一种抓取装置抓取物体时整体示意图；

图3是本发明中一种可变刚度的抓取机构内部剖视图；

图4是介电弹性体薄膜的正视图；

图5是介电弹性体薄膜的侧视图；

图6是第一柔性电极的正视图；

图7是第二柔性电极的正视图；

图8是本发明另一种实施方式的一种抓取装置张开时整体示意图；

图9是本发明另一种实施方式的一种抓取装置抓取物体时整体示意图；

图10是本发明另一种实施方式的形状记忆聚合物板的剖视图。

附图标记说明：

1-支撑结构；11-凸起；12-支撑座；121-支撑板；122-连接板；2-抓取机构；21-形状记忆聚合物板；211-导电网络；212-引出端点；213-加热导线；22介电弹性体薄膜；221-第一柔性电极；222-第二柔性电极；223-驱动导线。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

本发明提供了一种可变刚度的抓取装置，包括相互连接的支撑结构1和抓取机构2，所述抓取机构2包括形状记忆聚合物板21和介电弹性体薄膜22；所述介电弹性体薄膜22上下表面分别设有与外接电源连接的柔性电极，且所述柔性电极包括设置在所述介电弹性体薄膜22上表面的第一柔性电极221和设置在所述介电弹性体薄膜22下表面的第二柔性电极222；所述形状记忆聚合物板21粘接在所述第一柔性电极221上表面，且所述形状记忆聚合物板21内部设置有与外界电源连接的导电网络211。

以下结合附图1-7，本发明提供了一种实施方式，在于提供一种可变刚度的抓取装置，包括抓取机构2和支撑结构1，所述支撑结构1与三个所述抓取机构2固定连接，所述支撑结构1包括凸起11和支撑座12，所述支撑座12中心位置与所述凸起11下表面固定连接，所述抓取机构2分别与所述支撑座12外侧固定连接。所述支撑座12包括两爪支撑座12、三爪支撑座12和四爪支撑座12，本实施方式中采用的是三爪支撑座12，所述支撑座12包括支撑板121和连接板122，所述连接板122一端与所述支撑座12连接，所述支撑板121与所述连接板122呈现一定角度，所述角度包括120°至180°，本实方式中所述角度为120°。所述连接板122的另一端设置有凹槽，三个所述抓取机构2分别固定连接在所述凹槽内部。

所述抓取机构2包括形状记忆聚合物板21、介电弹性体薄膜22和绝缘保护层，所述形状记忆聚合物板21、所述介电弹性体薄膜22和所述绝缘保护层自上而下依次连接，所述介电弹性体薄膜22为透明薄膜，所述介电弹性体薄膜22上下表面分别设置有柔性电极，所述柔性电极与驱动导线223连接，所述柔性电极包括在所述介电弹性体薄膜22上表面的第一柔性电极221和在所述介电弹性体薄膜22下表面的第二柔性电极222，所述第一柔性电极221和所述第二柔性电极222与驱动导线223连接，所述驱动导线223与外接电源连接，用于驱动所述抓取机构2发生形变。所述形状记忆聚合物板21粘接在所述第一柔性电极221上表面，所述绝缘保护层设置在所述第二柔性电极222下表面。所述形状记忆聚合物板21是苯乙烯形状记忆聚合物板。可以根据温度变化会发生软化和硬化的可逆变化。所述形状记忆聚合物板21内部设置有导电网络211，所述导电网络211是低熔点合金制成的，所述导电网络211包括s形排布的网络结构，所述s形排布的网状结构包括s形水平网络结构或s形竖直连续网络结构。本实施方式中采用是s形水平网络结构，所述s形水平网络结构包括首先将所述导电网络211从左至右，再从右至左，自下而上s形排列，然后再自上而下的反向s形排列，最后所述导电网络211在所述所述形状记忆聚合物板21的左侧设置引出端点212，所述引出端点212与加热导线213连接。所述加热导线213与外界电源连接用于加热所述形状记忆聚合物板21。

工作原理：

所述抓取装置可以根据所述抓取物体的刚度，自行调节所述抓取机构2的刚度，当被抓取物体为质量较大的刚性物体时，所述加热导线213与外接电源连通，所述导电网络211开始加热，所述形状记忆聚合物板21加热至玻璃化转变温度时，所述形状记忆聚合物板21变软，处于柔性状态，所述抓取机构2变弯曲，此时抓取物体，但由于物体质量较大无法完全抓取起来，停止加热，所述抓取机构2处于刚性状态，并且可以维持该状态，所述抓取装置可完全抓取物体。当需要将物体释放时，所述加热导线213与外接电源连通，所述导电网络211加热，所述形状记忆聚合物板21加热后，在将驱动导线223接入高压电路，此时所述抓取机构2恢复初始状态，即所述抓取机构2变直，所述抓取装置完成释放物体。所述抓取装置可以根据抓取物的刚度自行改变所述抓取装置的刚度，确保了所述抓取装置不会弄伤所述抓取物体。

当所述抓取装置抓取质量较小的柔性物体时，所述加热导线213与外接电源连通，所述导电网络211开始加热，所述形状记忆聚合物板21加热至玻璃化转变温度时，所述形状记忆聚合物板21变软，处于柔性状态，所述抓取机构2变弯曲，可以直接对所述柔性物体进行抓取，当需要释放物体时，只需要在将驱动导线223接入高压电路，此时所述抓取机构2恢复初始状态。

因此，本实施方式中所提供的抓取装置中的抓取机构刚度可变，使其在刚性状态下可抓取质量大的刚性物体，在柔性状态下可抓取质量小的柔性物体。

以下结合附图4-10本发明还提供另一种实施方式，本实施方式与上述实施方式区别在于，所述支撑座12为两抓支撑座12，所述s形排布的网络结构为s形竖直连续网络结构，所述s形竖直连续网络结构为所述导电网络211为自下而上，再自上而下，从左至右的连续分布的s形网状结构分布。

本发明还提供另一种实施方式，提供一种抓取装置的制备方法，包括如下步骤：

步骤s1，制作形状记忆聚合物板21；

步骤s11，利用3d打印机，使用水溶性打印材料，打印网络结构基板，所述网络结构基板为s形排布；

步骤s12，将所述基板放入容器中，并将配置好的热致型形状记忆聚合物溶液倒入所述容器中，在70-80℃的条件下固化10-12小时；所述热致型形状记忆聚合物包括苯乙烯形状记忆聚合物或环氧形状记忆聚合物。

步骤s13，将步骤s12固化好的所述基板取出，放入50℃-60℃的水域中4-6小时，将所述基板中的水溶性材料溶解后取出晾干，

步骤s14将熔融状态下的低熔点合金注入所述基板中的空隙中，形成导电网络211，并引出加热导线213，使用聚二甲基硅氧烷溶液封装并进行固化。

步骤s2，制作介电弹性体薄膜22；

步骤s21，所述介电弹性体薄膜22为丙烯酸薄膜，将所述介电弹性体薄膜22单轴拉伸1-2倍；

步骤s22，将混合碳粉的硅橡胶溶液电极采用移印的方式加工到所述离型纸上，然后利用激光切割机将所述离型纸切成所述第一柔性电极221和所述第二柔性电极222的形状，并且对应覆盖在所述介电弹性体薄膜22上下表面，并引出驱动导线223。

步骤s3，将步骤s1制备的所述形状记忆聚合物板21与步骤s2制备的所述介电弹性体薄膜22进行组装，并在所述电弹性体薄膜22覆盖一层绝缘保护层，制作所述抓取机构2；

步骤s31,将步骤s1制作好的所述形状记忆聚合物板21覆盖在步骤s2制作好的所述介电弹性体薄膜22上，与所述第一柔性电极221上表面进行粘接；

步骤s32，将粘接好的所述形状记忆聚合物板21从所述介电弹性体薄膜22上裁剪下来；

步骤s33，在第二柔性电极222表面覆盖一层聚二甲基硅氧烷溶液，将平板放在60℃-80℃的温度箱中固化30-40min后取出，形成所述绝缘保护层，制作所述抓取机构2；

步骤s4，制作支撑结构1；

步骤s41，使用solidworks三维建模软件，进行所述支撑结构1的建模，然后利用3d打印机，打印出具有凹槽的所述支撑结构1；

步骤s42，将步骤s3中制作好所述抓取机构2插入步骤s41制作的所述凹槽中，并进行固定。

步骤s5，将步骤s4制作的支撑结构1与步骤s3制作的所述可变刚度的抓取机构2组装，形成可变刚度的抓取装置。

因此，本实施方式中所使用的热致型形状记忆聚合物可使用内嵌的导电网络进行加热；通过本方法制备的所提供的抓取装置中的抓取机构刚度可变，使其在刚性状态下可抓取质量大的刚性物体，在柔性状态下可抓取质量小的柔性物体。

一种较佳的实施方式在于，形状记忆聚合物板21的制作步骤包括：

步骤s11，利用3d打印机，使用形状记忆聚合物打印材料，打印网络结构基板，所述网络结构基板包括s形排布的空腔，所述状记忆聚合物包括环氧形状记忆聚合物或聚乳酸形状记忆聚合物；

步骤s12，将低熔点合金注入所述空腔中，形成导电网络211，并引出加热导线213，使用聚二甲基硅氧烷封装并进行固化。

本实施方式提供的形状记忆聚合物板21的制作过程更加简单、易操作，制作时间更短，提高了工作效率。

实施例1

提供一种抓取装置的制备方法，包括如下步骤：

步骤s1，制作形状记忆聚合物板21；

步骤s11，利用3d打印机，使用水溶性打印材料，打印网络结构基板，所述网络结构基板为s形排布；

步骤s12，将所述基板放入容器中，并将配置好的聚氨酯溶液倒入所述容器中，在70℃的条件下固化12小时；

步骤s13，将步骤s12固化好的所述基板取出，放入50℃的水域中6小时，将所述基板中的水溶性材料溶解后取出晾干，

步骤s14将熔融状态下的低熔点合金注入所述基板中的空隙中，形成导电网络211，并引出加热导线213，使用聚二甲基硅氧烷溶液封装并进行固化。

步骤s2，制作介电弹性体薄膜22；

步骤s21，所述介电弹性体薄膜22为丙烯酸薄膜，将所述介电弹性体薄膜22单轴拉伸1倍；

步骤s22，将混合碳粉的硅橡胶溶液电极采用移印的方式加工到所述离型纸上，然后利用激光切割机将所述离型纸切成所述第一柔性电极221和所述第二柔性电极222的形状，并且对应覆盖在所述介电弹性体薄膜22上下表面，并引出驱动导线223。

步骤s3，将步骤s1制备的所述形状记忆聚合物板21与步骤s2制备的所述介电弹性体薄膜22进行组装，并在所述电弹性体薄膜22覆盖一层绝缘保护层，制作所述抓取机构2；

步骤s31,将步骤s1制作好的所述形状记忆聚合物板21覆盖在步骤s2制作好的所述介电弹性体薄膜22上，与所述第一柔性电极221上表面进行粘接；

步骤s32，将粘接好的所述形状记忆聚合物板21从所述介电弹性体薄膜22上裁剪下来；

步骤s33，在第二柔性电极222表面覆盖一层聚二甲基硅氧烷溶液，将平板放在60℃的温度箱中固化40min后取出，形成所述绝缘保护层，制作所述抓取机构2；

步骤s4，制作支撑结构1；

步骤s41，使用solidworks三维建模软件，进行所述支撑结构1的建模，然后利用3d打印机，打印出具有凹槽的所述支撑结构1；

步骤s42，将步骤s3中制作好所述抓取机构2插入步骤s41制作的所述凹槽中，并进行固定。

步骤s5，将步骤s4制作的支撑结构1与步骤s3制作的所述可变刚度的抓取机构2组装，形成可变刚度的抓取装置。

实施例2

提供一种抓取装置的制备方法，包括如下步骤：

步骤s1，制作形状记忆聚合物板21；

步骤s11，利用3d打印机，使用水溶性打印材料，打印网络结构基板，所述网络结构基板为s形排布；

步骤s12，将所述基板放入容器中，并将配置好的聚酰胺溶液倒入所述容器中，在75℃的条件下固化11小时；

步骤s13，将步骤s12固化好的所述基板取出，放入55℃的水域中5小时，将所述基板中的水溶性材料溶解后取出晾干，

步骤s14将熔融状态下的低熔点合金注入所述基板中的空隙中，形成导电网络211，并引出加热导线213，使用聚二甲基硅氧烷溶液封装并进行固化。

步骤s2，制作介电弹性体薄膜22；

步骤s21，所述介电弹性体薄膜22为丙烯酸薄膜，将所述介电弹性体薄膜22单轴拉伸1.5倍；

步骤s22，将混合碳粉的硅橡胶溶液电极采用移印的方式加工到所述离型纸上，然后利用激光切割机将所述离型纸切成所述第一柔性电极221和所述第二柔性电极222的形状，并且对应覆盖在所述介电弹性体薄膜22上下表面，并引出驱动导线223。

步骤s3，将步骤s1制备的所述形状记忆聚合物板21与步骤s2制备的所述介电弹性体薄膜22进行组装，并在所述电弹性体薄膜22覆盖一层绝缘保护层，制作所述抓取机构2；

步骤s31,将步骤s1制作好的所述形状记忆聚合物板21覆盖在步骤s2制作好的所述介电弹性体薄膜22上，与所述第一柔性电极221上表面进行粘接；

步骤s32，将粘接好的所述形状记忆聚合物板21从所述介电弹性体薄膜22上裁剪下来；

步骤s33，在第二柔性电极222表面覆盖一层聚二甲基硅氧烷溶液，将平板放在70℃的温度箱中固化35min后取出，形成所述绝缘保护层，制作所述抓取机构2；

步骤s4，制作支撑结构1；

步骤s41，使用solidworks三维建模软件，进行所述支撑结构1的建模，然后利用3d打印机，打印出具有凹槽的所述支撑结构1；

步骤s42，将步骤s3中制作好所述抓取机构2插入步骤s41制作的所述凹槽中，并进行固定。

步骤s5，将步骤s4制作的支撑结构1与步骤s3制作的所述可变刚度的抓取机构2组装，形成可变刚度的抓取装置。

实施例3

提供一种抓取装置的制备方法，包括如下步骤：

步骤s1，制作形状记忆聚合物板21；

步骤s11，利用3d打印机，使用水溶性打印材料，打印网络结构基板，所述网络结构基板为s形排布；

步骤s12，将所述基板放入容器中，并将配置好的聚降冰片烯溶液倒入所述容器中，在80℃的条件下固化10小时；

步骤s13，将步骤s12固化好的所述基板取出，放入60℃的水域中4小时，将所述基板中的水溶性材料溶解后取出晾干，

步骤s14将熔融状态下的低熔点合金注入所述基板中的空隙中，形成导电网络211，并引出加热导线213，使用聚二甲基硅氧烷溶液封装并进行固化。

步骤s2，制作介电弹性体薄膜22；

步骤s21，所述介电弹性体薄膜22为丙烯酸薄膜，将所述介电弹性体薄膜22单轴拉伸2倍；

步骤s22，将混合碳粉的硅橡胶溶液电极采用移印的方式加工到所述离型纸上，然后利用激光切割机将所述离型纸切成所述第一柔性电极221和所述第二柔性电极222的形状，并且对应覆盖在所述介电弹性体薄膜22上下表面，并引出驱动导线223。

步骤s3，将步骤s1制备的所述形状记忆聚合物板21与步骤s2制备的所述介电弹性体薄膜22进行组装，并在所述电弹性体薄膜22覆盖一层绝缘保护层，制作所述抓取机构2；

步骤s31,将步骤s1制作好的所述形状记忆聚合物板21覆盖在步骤s2制作好的所述介电弹性体薄膜22上，与所述第一柔性电极221上表面进行粘接；

步骤s32，将粘接好的所述形状记忆聚合物板21从所述介电弹性体薄膜22上裁剪下来；

步骤s33，在第二柔性电极222表面覆盖一层聚二甲基硅氧烷溶液，将平板放在80℃的温度箱中固化30min后取出，形成所述绝缘保护层，制作所述抓取机构2；

步骤s4，制作支撑结构1；

步骤s41，使用solidworks三维建模软件，进行所述支撑结构1的建模，然后利用3d打印机，打印出具有凹槽的所述支撑结构1；

步骤s42，将步骤s3中制作好所述抓取机构2插入步骤s41制作的所述凹槽中，并进行固定。

步骤s5，将步骤s4制作的支撑结构1与步骤s3制作的所述可变刚度的抓取机构2组装，形成可变刚度的抓取装置。

实施例4

本实施例与上述实施例的区别在于，步骤s1中，制作形状记忆聚合物板21的步骤不同，具体包括

步骤s11，利用3d打印机，使用形状记忆聚合物打印材料，打印网络结构基板，所述网络结构基板包括s形排布的空腔，所述状记忆聚合物为聚乳酸形状记忆聚合物；

步骤s12，将低熔点合金注入所述空腔中，形成导电网络211，并引出加热导线213，使用聚二甲基硅氧烷封装并进行固化。

本实施例提供的形状记忆聚合物板21的制作过程更加简单、易操作，制作时间更短，提高了工作效率。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。