电粘附性系统的制作方法
【专利说明】电粘附性系统
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2012年10月16日提交的美国专利申请号13/653, 376的优先权，该 美国专利申请要求2011年10月19日提交的美国临时专利申请号61/549, 099的优先权； 本申请还要求2012年10月12日提交的美国临时专利申请号61/713, 174的优先权，所有 运些申请通过引用W其全文且出于所有目的而结合在此。
【背景技术】
[0003] 除非在此另有说明，否则运个部分中描述的材料不是本申请中的权利要求书的现 有技术，并且并不因为包括在运个部分中就被认可为现有技术。
[0004] 多年来，产品的大批量生产已导致许多创新。对各种材料和物件的工业处置已取 得实质性发展，特别是在机器人技术领域。举例来说，现在使用各种类型的机器人技术和其 他自动系统W便在许多制造W及其他材料处置过程期间"抓放"物件。此类机器人技术和 其他系统可W包括例如作为指定过程的部分而抓持、提升和/或放置物件的机械臂。当然， 也可W借助于此类机器人技术或其他自动系统实现其他操纵和材料处置技术。尽管多年来 本领域中存在许多进展，但关于能够W此方式处置的物品方面存在限制。
[0005] 常规机器人式抓持器通常使用吸力或大的法向力和精细控制与机械致动的组合 W便抓持物体。此类技术具有若干缺点。举例来说，使用吸力倾向于需要平滑、清洁、干燥 并且大体上平坦的表面，运限制了可W抓持的物体的类型和条件。吸力还倾向于需要累的 大量功率并且容易在真空或低压密封件上的任何位置处泄漏，所导致的吸力丧失可能是灾 难性的。使用机械致动常常需要在物体上的大的法向或"挤压"力，并且还倾向于限制W机 器人方式抓持易碎或精密物体的能力。产生大的力还增大机械致动的成本。具有大挤压力 的机械累W及常规机械致动还常常需要实质性重量，运对于一些应用来说是主要缺点，例 如在机械手臂的末端，必须支撑加大的质量。此外，即使当配合坚固物体使用时，机械臂、 机械爪等也可能在物体自身的表面上留下损坏标记。
[0006] 可W使用经由非永久性和/或可逆附接来处置物件和材料的替代技术。化学粘附 剂可能会留下残留物，并且倾向于吸引灰尘W及其他减小有效性的残渣。一旦应用此类化 学粘附剂抓持或附接，化学粘附剂也可能需要大量加大的力来撤销或克服对物体的抓持或 附接，因为在运些情况下，抓持交互作用和力典型地是不可逆的。提供到物件的附接的另一 种方法设及使用紧固件，例如钉子、螺钉、粘接、绳索、编结，等等。然而，类似于化学粘附剂， 此类紧固件典型地是不可容易地拆卸的，并且因此附接在没有前提条件的情况下可能是不 可逆的，并且可能会导致对物件或衬底的损坏。
[0007] 将物体非永久性和/或可逆地附接到衬底的其他方法可W依赖于范德华力。由天 然壁虎W及更为新近的"人工壁虎"系统在应用于衬底时采用的运些力在应用于衬底时常 常需要使用机械平滑（压力）力W便诱发紧密接触，并且因此，运些系统典型地不是非常适 合于在长时间段内承受大负载。 【实用新型内容】
[000引一些实例设及电粘附性表面和装置。此类电粘附性表面可W包括电极，运些电极 被配置为在将一个适当电压或电流施加到运些电极时诱发与附近物体的静电吸引。在一些 情况下，电极极化可W在一个附近物体中诱发对应极化W实现该物体到该电粘附性表面的 粘附。在此所披露的系统包括用于电粘附性表面的框架背衬，运些框架背衬被配置为使形 状从一个卷曲形状改变为一个不卷曲形状。当将该电粘附性表面压抵一个目标物件时，从 该卷曲形状到该不卷曲形状的该转变能够W如下方式使得该电粘附性表面在该目标表面 上变平滑：迫使空气和污染物从该抓持表面与该目标衬底之间的界面排空。该框架的不卷 曲的、平滑化应用由此可W在该抓持表面与该目标衬底之间创建真空密封。
[0009] 本实用新型的一些实施例提供一种系统。该系统可W包括一个电粘附性表面、一 个承重背衬，W及一个电源。该电粘附性表面可W与一个或多个电极相关联。该承重背衬 可W联接到该电粘附性表面的一个背侧W便至少部分地定义该电粘附性表面的形状。该背 衬可W被配置为从一个卷曲形状晓曲到一个不卷曲形状。该晓曲可W诱发该电粘附性表面 的该形状的对应转变。该电源可W被配置为将一个电压施加到与该电粘附性表面相关联的 该一个或多个电极W由此使得该电粘附性表面粘附到位置接近于该电粘附性表面的一个 物件。
[0010] 该系统的所述电粘附性表面的形状的所述转变包括从所述背衬具有所述卷曲形 状时的第一形状转变到所述背衬具有所述不卷曲形状时的第二形状，其中所述第一形状的 凸曲率比所述第二形状的凸曲率大。
[0011] 该系统的所述背衬被配置为使得所述电粘附性表面从所述第一形状到所述第二 形状的所述转变通过W下操作而进行：（i)所述电粘附性表面的初始部分变得与所述第二 形状的对应部分重合，W及（ii)响应于施加到所述背衬的力，所述电粘附性表面的紧邻所 述初始部分的后续部分变得与所述第二形状的另一部分重合。
[0012] 该系统的所述转变是按空间顺序方式进行，使得仅在所述电粘附性表面的给定部 分与所述初始部分之间所述电粘附性表面上的所有点也与所述第二形状的相应部分重合 之后，所述给定部分才变得与所述第二形状的对应部分重合。
[0013] 该系统的所述电粘附性表面的形状的改变包括从所述背衬具有所述卷曲形状时 的凸弯曲的表面改变为所述背衬具有所述不卷曲形状时的平坦的表面。
[0014] 该系统的所述背衬在所述背衬的与联接到所述电粘附性表面的所述背侧的侧面 相对的带凹口侧中包括多个凹口，其中所述凹口被配置为使得所述背衬经由压缩所述凹口 中的间隙而晓曲到所述卷曲形状，W便相对于联接到所述电粘附性表面的所述背侧的所述 侧面减小所述带凹口侧的长度。
[0015] 该系统的所述凹口是平行的，并且横向于所述背衬的长度而定向。
[0016] 该系统的所述背衬进一步包括在所述多个凹口之间联接到所述带凹口侧的系链， 使得在所述背衬呈所述不卷曲形状时，所述系链中的张力抵抗所述带凹口侧的长度的增 大。
[0017] 该系统进一步包括：伸展臂，所述伸展臂联接到所述背衬并且被配置为将力施加 到所述背衬W便使所述背衬从所述卷曲形状晓曲到所述不卷曲形状；W及形状锁定装置， 所述形状锁定装置被配置为在柔性支撑构件处于所述不卷曲位置时选择性地锁定所述伸 展臂的位置，由此使所述电粘附性表面的形状固定。
[0018] 该系统的所述形状锁定装置包括偏置装置，所述偏置装置被配置为在所述形状锁 定装置不接合时经由所述伸展臂将所述背衬偏置成所述卷曲形状，并且所述形状锁定装置 被配置为在所述形状锁定装置接合时克服所述伸展臂上的所述偏置。
[0019] 该系统的所述形状锁定装置包括具有一个或多个电极的电粘附性板，所述电粘附 性板响应于将电压施加到所述一个或多个电极而使所述伸展臂将所述背衬保持于所述不 卷曲形状。
[0020] 该系统进一步包括：控制器，所述控制器被配置为：（i)使所述电源将电压施加到 与所述电粘附性表面相关联的所述一个或多个电极，W便使所述电粘附性表面粘附到所述 物件，并且（ii)使所述电源将电压施加到所述电粘附性板W选择性地接合所述形状锁定 装置W便使所述电粘附性表面的形状固定。
[0021] 该系统进一步包括：轴杆，所述轴杆经由滑动套髓联接到所述伸展臂，所述滑动套 髓被配置为沿着所述轴杆的长度从第一位置滑动到第二位置，处于所述第一位置的所述轴 杆使所述伸展臂将所述背衬保持于所述卷曲形状，并且处于所述第二位置的所述轴杆使所 述伸展臂将所述背衬保持于所述不卷曲形状。
[0022] 该系统进一步包括：力传送套髓，所述力传送套髓被配置为沿着所述轴杆邻近于 所述滑动套髓滑动W便接合所述滑动套髓W从所述第一位置移动到所述第二位置。
[0023] 该系统的所述电粘附性表面被配置为与所述物件创建气密的密封。
[0024] 所属领域的普通技术人员通过适当地参考附图阅读W下详细描述将明白运些W 及其他的方面、优点和替代方案。
【附图说明】
[0025] 图1A是示例电粘附性装置的侧视横截面。
[0026] 图1BW侧视横截面图来图示粘附到一个外物的图1A的示例电粘附性装置。
[0027] 图1CW侧视横截面特写图来图示由于所粘附的示例电粘附性装置中的电极之 间的电压差而形成于图1B的外物中的电场。
[002引图2AW侧视横截面图来图示其上具有单一电极的一对示例电粘附性抓持表面。
[0029] 图2BW侧视横截面图来图示电压所施加到的图2A的该对示例电粘附性抓持表 面。
[0030] 图3AW顶部透视图来图示呈薄片形式的示例电粘附性抓持表面，其中电极于其 顶部表面和底部表面上图案化。
[0031] 图3BW顶部透视图来图示呈薄片形式的另一示例电粘附性抓持表面，其中电极 于其单一表面上图案化。
[0032] 图4AW侧视横截面图来图示符合粗糖表面的形状的示例可变形电粘附性装置。
[0033] 图4BW部分侧视横截面图来图示一个示例可变形电粘附性装置的表面，此时该 装置最初接触外来表面。
[0034] 图4C图示归因于静电吸引和顺应性的图4B的电粘附性装置的变形。
[0035] 图5AW正视横截面图来图示使一个底表面粘附到外物的示例电粘附性装置。
[0036] 图5BW特写正视横截面图来图示图5A的示例电粘附性装置。
[0037] 图6W特写正视横截面图来图示底表面粘附到外物的具有电极的另一示例电粘 附性装置。
[003引图7AW正视横截面图来图示一个示例电粘附性系统，该电粘附性系统具有电粘 附部件W及被适配成将分开的物体粘附在一起的辅助粘附部件。
[0039] 图7BW顶部横截面图来图示图7A的示例电粘附性系统。
[0040] 图8A图示一个示例真空增强电粘附性抓持器系统。
[0041] 图8B图示一个示例真空增强电粘附性抓持器系统的侧视横截面图。
[0042] 图9AW外观图来图示一个示例真空增强电粘附性抓持器。
[0043] 图9BW横截面图来图示一个示例卷曲背衬的一个区段。
[0044] 图9CW横截面图来图示呈卷曲形状的一个示例卷曲背衬。
[0045] 图9DW横截面图来图示配备有柔性系链W强制执行单向卷曲的一个示例卷曲背 衬。
[0046] 图10A是接近衬底的一个示例真空增强电粘附性抓持器的侧视图。
[0047] 图10B示出图10A的抓持器，此时该抓持器初次接触衬底。
[0048] 图10C示出跨越衬底伸展W创建真空粘附的图10A的抓持器。
[004引图10D示出图10A的抓持器，该抓持器提升衬底，而粘附同时通过真空与电粘附力 两者提供粘附。
[0050] 图10E示出图10A的抓持器，该抓持器撤消真空和电粘附W释放衬底。
[0051] 图11A图示具有分开激活的经图案化区域W促进真空增强电粘附的一个示例电 粘附性抓持器。
[0052] 图11B图示具有分开激活的经图案化区域W促进真空增强电粘附的另一个示例 电粘附性抓持器。
[0053] 图11C图示具有分开激活的经图案化区域W促进真空增强电粘附的另一个示例 电粘附性抓持器。
[0054] 图12A是一种用于操作由辅助粘附力增强的示例电粘附性装置的工艺的流程图。
[0055] 图12B是另一种用于操作示例真空增强电粘附性装置的工艺的流程图。
[0056] 图13描绘根据示例实施例而配置的计算机可读介质。
【具体实施方式】
[0057] 在W下详细说明中，对附图进行参考，运些附图形成本文的一部分。除非上下文另 外规定，否则在附图中，相似的符号典型地标识相似的部件。在详细说明、附图W及权利要 求书中描述的示意性实施例并非意在具有限制性。在不背离于此所提供的主题的范围的情 况下，可W利用其他实施例，并且可W进行其他改变。将容易理解，可W在多种不同配置中 安排、替代、组合、分开并且设计如在此所总体描述并且在附图中说明的本实用新型的各方 面，所有配置明确地涵盖在此。
[0058] I.概述
[0059] 在此所披露的抓持系统允许经由真空力与所诱发的静电吸引的组合选择性地粘 附到一个物体。在此所披露的系统和装置包括柔性电粘附性抓持表面，该抓持表面施加到 一个物体W便在抓持表面与该物体之间诱发真空密封。真空吸引可W接着补充和/或替换 电粘附w将物体紧固到抓持表面。此类系统可w应用于自动和/或手动地处置适合于形成 真空密封的平滑表面，例如玻璃薄片或其他平滑衬底。
[0060] 为在电粘附性表面与目标衬底之间创建真空密封，披露了一个框架，该框架包括 用于电粘附性抓持表面的背衬。该背衬被配置为在一个卷曲形状与一个不卷曲形状之间晓 曲。当被压抵目标衬底时，抓持表面最初与目标衬底的一小部分接触，并且接着因为背衬在 目标衬底上是不卷曲的而跨越目标衬底向外平滑化。所得平滑化作用排空目标衬底与抓持 表面的界面之间的空气和污染物，并且导致两者之间的真空密封。激活抓持表面中的电粘 附增强并且补充真空粘附W使组合的粘附力比任一单独粘附技术更强且更具弹性。
[0061] 为释放该密封，撤消静电吸引力，并且允许框架返回到其卷曲形状，运使抓持表面 从边缘开始并且向内移动而从目标衬底剥离。抓持表面的重新卷曲由此自动地打破真空密 封W允许释放该物件。
[0062] 与常规真空密封系统相比，本披露允许密封到脏的表面（例如，覆盖有灰尘的玻 璃）。电粘附使得柔性抓持表面围绕物体或衬底上的颗粒保持紧密密封。电粘附还提供相 对更具弹性的真空密封，因为归因于瞬态应力或剥离而形成的小间隙或气穴经自校正W通 过电粘附将抓持表面拉回到物体而重整该密封。相比之下，常规真空密封并不在密封表面 与物体之间形成气穴时自修复。因此，与单独使用真空粘附或单独使用静电粘附的系统相 比，在此所披露的真空增强电粘附性系统和装置用相对较大的强度和可靠性创建粘附。所 披露的系统和装置因此使得自动和/或手动物件处置操作能够包括较高速度移位、移动较 重负载并且W比常规系统相对更大的可预测性和/或安全性进行，并且还具有其他优点。
[0063] II.示例电粘附性系统
[0064] 在此使用时，术语'电粘附'是指使用静电力将两个物体机械联接。如在此所述的 电粘附使用运些静电力的电控制来准许两个物体之间的暂时性W及可拆卸的附接。归因于 由所施加电场创建的静电力，此静电粘附将运些物体的两个表面保持在一起或增大两个表 面之间的有效牵引或摩擦。除了将两个平坦、平滑并且通常导电的表面固持在一起之外，在 此披露的电粘附装置和技术并不限制经受电粘附力和处置的物体的材料性质或表面粗糖 度。在一些情况下，电粘附性表面可W是顺应性表面W促进独立于表面粗糖度的电粘附性 吸引。举例来说，电粘附性表面可W具有足够柔性W使得该表面遵循所粘附物体的外表面 的局部非均一性和/或缺陷。举例来说，电粘附性表面可W至少部分地符合微观、介观和/ 或宏观表面特征。当将适当电压施加到此类顺应性电粘附性表面时，电粘附性表面被吸引 到所粘附物体的外表面，并且吸引使得电粘附性表面通过局部晓曲而至少部分地符合该外 表面，使得电粘附性表面朝向外表面移动。
[0065] 在不同实施例中，本披露设及电粘附性或静电应用的系统、装置和方法。在一些实 施例中，不同电粘附性或静电系统或装置可W包括被适配成提供适合于将分开的物体粘附 在一起的静电力的电极W及促进除了静电力之外还使用辅助力或方式将分开的物体粘附 在一起的底表面或其他辅助粘附部件。在一些情况下，此类底表面或其他辅助粘附部件可 W包括具有到外物的多种粘附模式的软衬垫材料。尽管在此所披露的不同实例集中于特定 电粘附性应用的具体方面，但将理解，在此所披露的不同原理和实施例同样可W应用于其 他静电应用和安排。此外，尽管在此阐述的不同实例和论述除了电粘附力或部件之外还常 常提及"辅助（secondary)"力或部件，但将容易了解，此类其他力或部件无需在所有情况 下被视为"辅助"。在一些实例中，将一种类型的力或物件认为是静电或电粘附性吸引力或 部件并且将另一种类型的力或物件认为是与运些静电或电粘附性类型分离的分开的吸引 力或部件可能更为适当。此类其他吸引力在性质上可W是物理的，并且因此可W称为物理 吸引力，运些力可W用W增强静电或电粘附力。
[0066] 首先转到图1A，W正视横截面图来图示示例电粘附性装置。电粘附性装置10包括 位于其"电粘附性抓持表面"11处或附近的一个或多个电极18,W及在电极之间的绝缘材 料20W及背衬24或其他支撑结构部件。为了图示目的，电粘附性装置10示出为具有成Ξ 对的六个电极，但将容易了解，可从隐更多或更少电极用于给定电粘附性末端执行器中。在 仅单一电极用于一个给定电粘附性装置中的情况下，优选与该电粘附性装置一起使用具有 相反极性的至少一个电极的互补电粘附性装置。关于大小，电粘附性装置10实质上比例不 变。目P，电粘附性末端执行器大小在表面积上可W在小于1平方厘米到大于若干米的范围 内。更大和更小的表面积也是可能的，并且可W根据给定应用的需要来设定大小。