具体实施方式

下面描述本发明的示例性实施例。以下解释提供了用于彻底理解和对实现这些实施例的描述的具体细节。本领域技术人员将理解，本发明可以在没有这些细节的情况下实施。在其他情况下，为了避免不必要地模糊实施例的描述，没有详细地示出或描述众所周知的结构和功能。除非上下文另有明确要求，在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”等应以包容的含义来理解，而不是以排他或穷尽的含义来理解；也就是说，在“包括但不限于”的含义上，使用单数或复数的词语也分别包括复数或单数。此外，在本申请中使用的词语“这里”、“之上”、“之下”和类似的意思的词语应指本申请的整体，而不是指本申请的任意特定部分。当权利要求书在提及两个或两个以上项目列表时使用词语“或”时，该词语涵盖对该词语的以下所有解释：列表中的任意项目、列表中的所有项目以及列表中项目的任意组合。

本发明包括腔室20、缠绕在腔室20周围的螺线管21、可变形膜31和附接到可变形膜31的柱塞41。本权利要求书描述了这些部件的各种构造，并且这些部件协同工作以向物体91提供夹持，或者更具体地，通过电磁力使膜30变形，从而使膜31产生提升和移动物体91所需的负压(吸力)和/或其他力。螺线管21和柱塞41之间的电磁相互作用会引起膜31的移动，从而导致膜31依循物体91的表面成形。物体91的进一步移动，取决于物体91的粗糙度和孔隙率，可以在物体91和膜31之间产生吸力腔，进一步提高本发明的抓取潜力。

在优选实施例中，腔室20包括对本装置的结构支撑，并且通常为圆柱形。在优选实施例中，腔室20将具有至少一个开口端。替代地，腔室20可以包括封闭端，从而与膜31共同形成密封腔室。腔室20可以是任意合适的形状，例如圆柱形、矩形或锥形。在替代的实施例中，多个腔室20可连接并协同工作，以提供移动柱塞41所需的力。腔室20包括耐用且有弹性的材料，诸如铝或其他金属合金。替代地，腔室20可以由耐用、弹性和非磁性材料制成。在另一替代的实施例中，安装了多个传感器以检测膜31、柱塞41、物体91的位置，装置的温度，装置的压力以及其他环境信息。

螺线管21定位在腔室20内或腔室20的周边周围，并且包括通常以螺旋线圈形状环绕在腔室20周围的导线，导线适于在向螺线管21施加电流时产生磁场。螺线管21产生的磁场适于与柱塞41相互作用，该柱塞41定位成与螺线管21相邻或定位在螺线管21内部。磁场强度根据应用而变化，因此，本发明的设计要求可能因应用而改变。更具体地，通过增加或减少螺线管21环绕在腔室20周围的线匝数，通过增加或减少螺线管21中的线的直径和长度，通过增加施加到螺线管21的电流，或者通过改变螺线管21中使用的材料来改变磁场强度。此外，可以通过改变施加在螺线管21上的电源极性来切换磁场的方向。

螺线管21是导电的，其导电性取决于所用材料。螺线管21可以由铜、银、金或其他合适的导电材料制成，这取决于应用的功率、效率和成本需求。此外，螺线管21可以是可拉伸和柔性的(例如导电聚合物)。在替代的实施例中，本发明可以包括多个串联、并联或其他构造的螺线管21，这些螺线管21适于与柱塞41协同工作，以产生与柱塞41相互作用的单个磁场。例如，可以堆叠多个螺线管21，每个螺线管21具有一组独立的端子，可以被单独供电，或者也可以串联或并联地被供电。此外，多个螺线管可以具有不同的线径，每个螺线管可以需要不同的电流，并且可以进一步彼此相邻地环绕以提供更加受控的电磁场。图中虽然示出了通常的螺旋形状，但是螺线管21的整体形状可以是圆柱形、锥形、环形、螺旋形或其他可以产生磁场以与柱塞41相互作用的几何形状。

膜31包括能够提供有力夹持的柔性且耐用的基体，并且定位成与螺线管21相邻。膜31适于与物体91直接接触并且依循物体91的部分或整个表面变形。更具体地，膜31将在腔室20内向中间移动，但是膜31在腔室20内的移动可根据应用而变化。合适的膜31材料包括乳胶、硅酮、聚氨酯和其他聚合物或柔性材料。膜31也可以由圆形、矩形、具有封闭端的圆柱形以及任意其他形状制成，这取决于螺线管21和柱塞41的形状。此外，膜21可以具有恒定或可变的厚度。最后，膜31的表面可以是光滑的以更好地贴合光滑的物体，或者具有结构化的表面以更好地贴合具有更粗糙表面的物体，或者具有可以决定膜31将如何折叠以及在何处折叠以使抓取力和吸力最大化的结构化表面。

由于物体91附近的变形，膜31将通过膜31作用的压力向物体91提供直接夹持力。膜31还将施加其他夹持力，包括摩擦、吸力、干粘附、电粘附、磁粘附、负压，或由膜31和物体91的机械、化学或核性质提供的其他形式的吸引力。干粘附基于膜31表面产生的范德华力。这些范德华力基于电偶极子相互作用，可通过电干粘附增强。因此，电干粘附可以通过向待提升的物体施加电力来增加膜的预载荷。为此，电极可以被嵌入膜31中并被相应地充电以增加预载荷并降低膜施加在物体上的压力。

更具体地，可以将膜31专门设计为可提供独立于其形变的吸引力和/或排斥力。这里，膜31将进一步包括适于提供干粘附的微特性表面和适于提供静电粘附的至少一种导电材料。向导电材料施加电压，以提供吸引力从而自己预加载所述微特性表面，以提供拒阻力以自剥离所述微特性表面，或交替施加所述电压以自清洁所述微特性表面。膜31可包括导电聚合物、橡胶或硅橡胶或具有嵌入导电粒子(例如炭黑、碳纳米管、银粒子、石墨烯、石墨烯、石墨或其他导电材料)的复合聚合物、橡胶或硅橡胶材料，以及一个电极。

柱塞41包括适于对螺线管21产生的磁场作出反应的磁性或铁磁性材料。柱塞41直接附接到膜31，因此，当柱塞41移动时，膜31也移动。更具体地，螺线管21施加在柱塞41上的磁力大小将使膜31受控地移动到一定位置。并且随着磁力大小的改变，柱塞41的位置也随之变化，从而当物体通过柱塞41的受控位置被移动时，维持着膜31的形变。例如，如果物体定位于膜31之下，则通过螺线管21发送的电流可能减小或反向，从而使膜31下降并与物体91直接接触，在此之后，电流将增加，升高膜31，并造成摩擦力、吸力和其他力来夹持和提升物体91。

在优选实施例中，柱塞41定位在膜31的中心。替代地，柱塞41可以基于应用而定位在膜31上的其他位置，而不必位于膜31的中心位置。尽管在附图中提供了各种柱塞41的形状，但是只要柱塞41可以与螺线管21提供的磁场相互作用，柱塞41可以是任意合适的形状，诸如矩形、圆柱形或其他形状。更具体地，柱塞41的尺寸和形状，与柱塞41中使用的材料及其在装置中的位置，都将直接影响柱塞41与磁场的相互作用，因此，柱塞的尺寸、形状、位置和材料都是根据应用的要求来选择的。在替代的实施例中，多个柱塞41附接到膜31。在另一替代的实施例中，柱塞41与膜31隔离。在又一替代的实施例中，柱塞41以被掺杂或以其他方式组合到膜31中，使得膜31由螺线管21直接操纵而不需要柱塞41。在再一替代的实施例中，柱塞41是中空的并且填充有聚合磁性材料。

图19是描述抓取方法201的流程图。首先，螺线管21被激活221。由此，由于螺线管21的磁场，柱塞41和/或膜31被激活222。因此，物体91被抓取223。

在如图20所示的另一方法202中，膜31在第一步骤231中与物体91直接接触。在第二步骤232中，如前面解释的膜31的抓取力，诸如摩擦或电粘附，向物体91提供夹持力。然后螺线管21被激活以增加或产生额外的夹持力233，例如摩擦和吸力。因此，物体91被抓取234。

附图示出了在实施本发明时可以使用的各种实施例。在图1中，螺线管21、柱塞41和膜31用于抓取物体91。图21示出了夹持物体的方法的流程图203。在第一步骤241中，物体91移动，然后它与如步骤242所示的夹持装置接触。随后螺线管21被激活243，由于与螺线管21的相互作用，柱塞41被移动使其远离物体91。基于物体的粗糙度和孔隙率，通过螺线管21移动柱塞41，可在物体91和膜31之间形成密封，从而形成吸力腔。通过吸力腔和/或由夹持装置100施加到物体91上的其他力，膜31能够抓取244物体91。

在如图22所示的替代的实施例中，示出了夹持物体91的方法的流程图204，其中螺线管21朝向物体91移动251，并且如在步骤252中，夹持装置与物体91接触。然后螺线管21被激活253，膜31和/或吸力腔的夹持力可以抓取254物体91。

在另一替代的实施例中，螺线管21通过操纵柱塞41导致膜变形。在另一实施例中，柱塞41定位于螺线管21的轴线上。

在另一替代的实施例中，如图1和18所示，夹持装置100包括螺线管21、膜31和柱塞41。柱塞41位于膜31的中心附近或接近膜31的中心。螺线管21和膜31可经由具有不同形状和材料的连接器连接在一起。这种连接器可以有突出或缩进的形状。这可以便于膜31与待抓取的物体相一致。图29示出了夹持装置143的示例，其中连接器171附接到膜36。这种连接器171可以固定到螺线管23或腔室53或夹持器的其他部分。

更详细地，仍然参考图1和18，螺线管21可设计用于抓取特定物体，因此其尺寸可根据被移动的物体设计。在这种情况下，螺线管21呈圆柱形。根据设计要求，线可以具有不同的直径和不同的匝数，从而限定螺线管21的内径、外径和长度。膜21通过任意粘接材料(诸如环氧树脂)在其边缘与螺线管21相邻附接，或者当膜已经与螺线管21接触时可以将膜固化。图1所示的膜21附接到螺线管21的一端，但膜31不一定需要连接到螺线管21的端部；换句话说，它也可以连接在螺线管21的中间，或者甚至定位于两个螺线管之间。本实施例中的柱塞41使用任意可粘接到膜31的材料附接至膜31。柱塞41也可嵌入膜31中。柱塞41相对于螺线管21的比例很重要，该比例需要根据被抓取物体的大小和重量进行选择。

现在参考图2，示出了夹持装置101的另一版本，其中螺线管21、膜31和柱塞42，该柱塞42以小颗粒的形式附接在膜31上。柱塞42也可以嵌入膜31中。例如，膜31可由掺杂有铁磁性或磁性粒子的聚合物组成。图28示出了嵌入了颗粒47的膜35。

现在参考图3，示出了夹持装置108的另一版本，其中存在螺线管23和膜31，并且带有柱塞43，该柱塞43是多个单一柱塞的堆叠。可以将任意数量的部件堆叠在一起以形成柱塞43，从而可以根据需要改变其长度。例如，如果柱塞43是被磁化了的，那么通过向堆叠中添加更多，我们可以增加最终夹持力，因为柱塞43可以被螺线管23所吸引或排斥。因此，夹持装置108的夹持强度可以根据其抓取的物体而增加或减少，而无需对设计进行重大改变。

在如图4所示的另一实施例中，夹持装置109具有根据设计要求串联或并联地附接到螺线管25的螺线管24。在本实施例中，膜31位于两个螺线管24和25之间。膜31的位置有助于将柱塞41定位到所需位置，以便更好地夹持物体91。一般来说，柱塞41相对于螺线管21的尺寸和位置是在需要的位置实现所需夹持强度的重要设计因素。与柱塞41相互作用的螺线管24和25的磁场根据柱塞41相对于整个螺线管21的位置而改变。

在如图5所示的另一实施例中，夹持装置102具有腔室20，螺线管21环绕腔室20周围。该腔室20可以是不同的形式，以更好地帮助夹持过程。在一个示例中，腔室51呈一个圆柱体与一个半环形附接在一起的形状，如图5所示。事实上，通过使得膜32可以进一步覆盖物体的更多表面积，夹持装置的不同形状能够促进对物体的夹持，也有助于将物体导向螺线管21的轴线。腔室51还可以通过其在底部所具有的额外的半环来改变柱塞41相对于螺线管21的位置，从而使膜32移位。例如，它可以将柱塞41置于更远离螺线管21的位置，从而在其处于需要更大夹持力的位置时产生更强的磁场。换句话说，当物体靠近螺线管21后，柱塞41被定位于螺线管21内的更强的磁场中。

在如图6所示的另一实施例中，具有带有锥形腔室52的夹持器103，其中螺线管22以相同的形式环绕在夹持器103周围。腔室52的这种锥形形式具有不同的优点。例如，随着物体被抓取并沿着螺线管22的轴线进一步向上移动，它可以通过减小螺线管22的内径来进一步增加夹持力。取决于柱塞41相对于螺线管22的相对尺寸，此实施例可以增加影响柱塞41的磁力，这是由于尽管柱塞41和螺线管22的尺寸在本实施例中保持不变，但是随着柱塞41沿着螺线管22的轴线进一步向上移动，从柱塞41到螺线管22的距离会减小。

在如图7所示的另一实施例中，夹持装置104具有环绕在腔室53周围的螺线管22，腔室53的一端附接至加压气体或流体线路。在本实施例中，当夹持物体时，柱塞41可被螺线管22向上拉或吸引，并且加压气体或流体可以推开柱塞41以释放抓取的物体。因此，由于根据应用加压气体或液体的力足以抵抗柱塞41，从而物体可以在腔室53中具有更紧密和更强的配合。

在如图8所示的另一实施例中，夹持装置105具有螺线管23、膜32和柱塞41。在该实施例中，使用了呈截头圆锥形的膜32。这种形式的膜32允许更灵活地抓取物体。例如，与先前实施例相比，膜32的表面积更大。换句话说，当物体91被抓取并在螺线管21内移动时，膜32被拉伸的程度会更小。因此，保持物体91所需的保持力或将柱塞41保持在螺线管21中所需的磁力较小。本实施例中的大部分磁力被用来将柱塞41保持在螺线管23中，从而将物体91保持在抓取位置，理想情况下，不需要使用力来补偿由于膜32被拉伸造成的应力。

在如图9所示的另一实施例中，夹持装置106由螺线管23、膜33和柱塞41组成。在这种情况下，膜33具有可变的厚度。它用于更好地控制膜33不同区域内的拉伸比。换句话说，对膜33施加相同应力的情况下，较薄的区域将比较厚的部分拉伸得更多。这种想法也有助于获得更好的吸力来夹持物体91，如图17所示，这将在另一实施例中进行更详细地解释。

在如图10所示的另一实施例中，夹持装置107由螺线管23、膜31、柱塞41、腔室54和锁止器61组成。在该构造中，螺线管23环绕在腔室54周围，腔室54的一端具有支架，用于保持锁止器61。该锁止器61可以是能够锁止住柱塞41的任何装置的形式。例如，它可以是由铁磁性或磁性材料制成的实心件，或者它甚至可以是能够被激活或被反激活以吸引柱塞41的锁止机构。该锁止器61可以降低夹持装置107的功耗。当物体被夹持装置107抓取时，该锁止器还可以将柱塞41锁止保持在螺线管23中，从而减小螺线管23所需的磁力。

在另一替代实施例中，柱塞41可被螺线管23拉动，然后螺线管电源断开，在夹持住物体的同时，锁止器61锁止住柱塞41的位置。然后，为了释放柱塞41从而释放物体91，螺线管23的极性可以被反转，以推出并释放物体91。在该示例中，柱塞41可以是磁性的，因此通过反转螺线管23的极性，可以在螺线管23中推动或拉动柱塞41。

在如图11所示的另一实施例中，夹持装置110具有环绕在腔室55周围的螺线管23，腔室55包括一组传感器71。例如，这些传感器71可用于检测被抓取的物体91、测量诸如压力和温度等环境属性，或用作另一装置的触发器。这些传感器可以基于红外光或其他原理。

线圈具有电阻并产生磁场，因此线圈被激活时会发热，特别是当线圈被持续激活时。因此，冷却装置可以用来冷却螺线管的温度，以获得更好的性能和使用时限。图12-14展示了将冷却装置整合进夹持装置以降低螺线管温度的实施例。例如，图12示出了夹持装置111，其具有环绕在螺线管23周围的冷却装置81。该冷却装置81可以是中空管的形式，通入冷却液体或气体以从螺线管23带走热量。冷却装置81也可以由导电材料制成，并且还可以用作第二螺线管与螺线管23串联或并联。

现在参考图13，夹持装置112还具有环绕在冷却装置81周围的另一螺线管26。在该实施例中，冷却装置81不仅冷却螺线管23和26，而且还可以作为螺线管本身与螺线管23和26串联或并联。在图14所示的另一实施例中，夹持装置113具有冷却装置82，该冷却装置82是覆盖螺线管23的圆柱体。在本实施例中，冷却装置82具有大的表面积，并且可以通过液体或空气冷却的方式散热。例如，为了更好地进行空气冷却，冷却装置82还可以在其周围具有翅片，并且在顶部具有风扇，以将冷却空气吹入翅片之间内并将热量从另一端排出。

在如图15所示的另一实施例中，夹持装置114具有三个螺线管26-28。腔室56被构建成使螺线管26-28环绕其分支。例如，螺线管26-28可以用来更好地控制柱塞41的移动方向。根据设计要求，螺线管26-28可以彼此完全不同。它们也可以单独连接至控制器或者串联或并联在一起。虽然图15包括三个螺线管，但是螺线管数量可以更多或更少，并且这些螺线管的位置可以根据应用不同地布置。在如图16所示的另一实施例中，所示的夹持装置115具有螺线管29周围的柱塞44。在该实施例中，螺线管29外部周围的磁场与柱塞44相互作用，以诱导膜31提供夹持力或吸引力。

在如图17所示的另一实施例中，示出了夹持装置116夹持着物体91。在该实施例中，螺线管23将柱塞41拉得比物体91更高。由此在膜31和物体91之间产生吸力。因此，不仅膜31和物体91之间的表面纹理和摩擦在夹持物体91，而且在物体91和膜31之间产生的吸力腔也加大了夹持力。物体91不一定需要在物体周围，也可以具有不同的形状。例如，如果物体91是平坦的，那么产生的吸力会对夹持强度具有很大的影响。在本实施例中，吸力是由物体91和膜31之间的腔的初始容积和最终容积之间的比率造成的。初始容积被认为是当膜31刚好碰到物体91时的容积。这样的初始容积可以是零。最终容积是图17所示的吸力腔的容积。

更详细地，仍然参考图17，还可以通过改变设计属性来增加或减少吸入强度。例如，可以减小或增大螺线管21的磁场，以分别将柱塞41定位得更低或更高，从而减小或增大所产生的吸力腔。在另一示例中，膜33可具有如图9所示的可变的厚度。一个示例是增加吸力腔所在部分的膜33的厚度。该额外的厚度可造成膜33在该部分中拉伸较少，从而将改变产生吸力腔的容积比。因此，膜33可以具有可变的厚度，膜33的形状可以为截头锥、扁圆、它们的组合或其他任意形状。换句话说，膜33的不同形状可以影响所产生的吸力腔的大小。

本发明的优点包括但不限于其简单性、速度、多功能性、尺寸以及抓取多种物体(包括易损物体，具有不同形状且由不同材料和表面光洁度的物体)的能力。由于其主要致动是基于螺线管21，它是一种快速动作夹持器。本发明还可以使用吸力来夹持物体，而不需要单独的真空线路。该设计还将机械磨损量降至最低。此外，该装置可以很容易地安装在工业机器人上，并在狭小的空间内移动。

在如图23所示的另一实施例中，示出了夹持装置117的另一版本。夹持器117具有附接到柱塞41的杆121，该柱塞41固定于膜31。柱塞41和杆121可以是单个元件。柱塞41和杆121可以具有不同的形状和方位。夹持器117可具有盖131。盖131可具有限制杆121移动的形状。例如，盖131可具有在螺线管21线轴中心的凹槽，以引导杆121。盖131可以由单个或多个部件和材料制成。盖131可以是密封膜31的腔室的一部分，使得气体或流体可以被包含在腔室和膜31内。

在如图24所示的另一实施例中，示出了夹持器118，其中盖132具有孔以使线圈21内的空气暴露于周围的压力。孔可以有不同的形状，也可以用多孔材料代替。

在如图25所示的另一实施例中，示出了夹持器119。柱塞45可以是不同的尺寸和形状。例如，图25所示的柱塞45具有加长了的形状。需要注意的是，如图25所示，膜32可以是松弛的，这种松弛的膜32可以进一步便于膜本身贴合于物体的形状。如图26所示，夹持器141可以具有盖131。柱塞45可以在盖131的凹槽限制下移动。

在如图27所示的另一实施例中，所示的夹持器142夹持着物体92。物体92可以具有任意形状和方位。如图27所示，膜34在物体92周围依循着物体92外形成形，并且在物体92和膜34之间形成吸力腔151。吸力腔151的形成以及膜34在物体92周围依循物体92的外形成形都有助于夹持物体92。如前所述，柱塞41可以具有不同的形状。图27示出了具有锥形形状的柱塞46的示例。

在广泛的实施例中，本发明由至少一个螺线管21、至少一个柱塞41和至少一个膜31组成。螺线管21、柱塞41和膜31之间的相互作用使得膜31提供夹持力或吸引力。

在广泛的实施例中，本发明包括使用至少一个螺线管21、至少一个柱塞41和至少一个膜31抓取物体91的方法。

尽管上述描述包含关于某些元件、尺寸和其它教导的具体细节，但是应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例或这些实施例的任意组合。具体地，尽管在上述实施例中指定了某些材料和形状，但是可以使用任意合适的材料或形状。这些细节仅仅是当前优选实施例的示例，而不应当被理解为对任意实施例范围的限制。在其他情况下，没有示出众所周知的结构、元件和技术以便清楚地解释本发明的细节。

以上本发明实施例的详细描述并非旨在穷尽或将本发明限制于上述公开的精确形式或将本发明限制于本公开中提及的特定使用领域。尽管上文出于说明性的目的描述了本发明的具体实施例和用于本发明的示例，但是如相关领域的技术人员将认识的，在本发明的范围内可以进行各种等效的修改。此外，这里提供的本发明的教导可以应用于其他系统，而不一定是上述系统。上述各种实施例的元件和动作可以组合，以提供进一步的实施例。

可以根据上述“具体实施方式”对本发明进行更改。上述说明虽然详述了本发明的某些实施例并描述了最佳的设想模式，但是无论上述内容在文本中显得多么详细，本发明仍可以以多种方式实施。因此，实施细节可能会有相当大的变化，并同时仍被这里公开的发明所涵盖。如上所述，描述本发明的某些特征或方面时使用的特定术语，这些特定术语不应该被视为暗示术语在这里被重新定义为仅限于与该术语相关联的本发明的任何具体特征、特性或方面。

尽管本发明的某些方面以某些权利要求形式呈现，但是发明人在任意数量的权利要求形式中考虑了本发明的各个方面。因此，发明人保留提交申请后新增附加权利要求的权利，以为本发明的其他方面寻求这种附加权利要求形式。