一种基于范德华力的微小型抓取装置及其抓取方法与流程

本发明涉及一种基于范德华力的微小型抓取装置及其抓取方法，属于黏附机构领域。

背景技术：

壁虎能够在各种表面上稳定黏附的机制是源于范德华力，而该机制得益于其脚掌上数十万微纳米刚毛。基于壁虎机制和结构的仿生材料和结构，设计微小型夹持装置，因其对不同粗糙度表面具有广泛适应性，且不受空间环境的限制，具有广泛的应用价值，在工业上可对目标物体进行夹持、搬运和卸载，在空间环境下可对目标物体进行捕获，协助宇航员作业或固定位置，以安全、便捷、高效地对不同物体进行抓取和搬运。

现有的相关具有相同功能的实用设备有：清华大学精仪系摩擦学国家重点实验室设计了一种基于仿壁虎刚毛表面的夹持器原型机，进而研制出了一种用于硅片等轻质、易碎物体转移搬运的小型夹持器，通过舵机拉紧位于三个弹簧钢悬臂梁之间的绳子，使位于悬臂梁末端的黏附材料产生向中心的切向力，释放绳子则可使用较小的脱附力使夹持器离开物体。其主要适用于质量分布均匀，质心可以位于夹持器中心的被夹持物(周铭.仿生粘着的机理及应用研究[D].清华大学,2013)。美国斯坦福大学的研究人员设计出一种夹持装置，对黏附材料的要求较高，必须使用具有倾斜结构的阵列才能实现夹持(Jiang H,Hawkes E W,Arutyunov V,et al.Scaling controllable adhesives to grapple floating objects in space[C]//Robotics and Automation(ICRA),2015IEEE International Conference on.IEEE,2015:2828-2835.)。上海航天控制技术研究所研究了一种基于仿生壁虎干黏附材料的空间在轨捕获装置(CN106564629A)，采用由滑轮线串联形成闭环回路的多个定滑轮组和动滑轮组及复位弹簧作为传动机构，黏附时传动机构使得加载腱和连接腱受力紧绷，产生法向黏附力，脱附时则取消该法向黏附力。

现有的微小型黏附装置并不多见，且存在黏附作用力小，脱附困难等缺点，适用性范围小，并且性价比较低，因而不利于大范围推广使用。

技术实现要素：

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种黏附作用大，脱附效果好的基于范德华力的微小型抓取装置，可应用于在工业上对目标物体进行黏附、夹持、搬运和卸载，在空间上对目标物体进行捕获，协助宇航员作业或固定位置，以安全、便捷、高效地对不同物体进行抓取和搬运。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于范德华力的微小型抓取装置，包括支撑固定框架，以及设置在支撑固定框架内的仿生黏附材料和黏脱附控制系统；

所述支撑固定框架包括底板以及安装于底板两侧的两条纵向竖板；

所述仿生黏附材料为一平面结构，其一侧垂直安装于纵向竖板下端，另一侧为自由端，且能够延该安装于纵向竖板的一侧上下旋转；

所述黏脱附控制系统包括位于仿生黏附材料平面上方的压力装置，以及与仿生黏附材料自由端连接的撕除装置；

通过压力装置下压仿生黏附材料与预抓取物表面进行黏附，转移到预定位置后再通过撕除装置将仿生黏附材料延自由端一侧进行撕除从而分离抓取物。

其中，所述压力装置包括位于仿生黏附材料平面上方的两块压板以及驱动压板上下运动的伸缩杆。

所述撕除装置包括第一驱动电机和第一连接线，所述第一连接线穿过压板近纵向竖板的一端并连接仿生黏附材料一侧的自由端，通过第一驱动电机将仿生黏附材料延其自由端一侧向上提起。

所述底板上安装有第二驱动电机，第二驱动电机的驱动轴上饶有一束第二连接线，所述第二连接线连接仿生黏附材料一侧的自由端，并能够沿水平方向拉紧仿生黏附材料，为仿生黏附材料与预抓取物表面黏附时提供一水平切向力。

所述底板下部设有U形框体，其底部与纵向竖板下端在同一水平高度，第二连接线穿过U形框体底部与仿生黏附材料的自由端连接，以保证第二连接线能够沿水平方向拉紧仿生黏附材料。

进一步地，所述伸缩杆包括内杆和套筒，所述内杆位于套筒内部，内杆顶部设有电机，套筒内壁设有螺纹，内杆通过电机与套筒内的螺纹配合，驱动内杆上下运动。

更进一步地，所述内杆还可以采用弹簧驱动，以减轻装置的重量。此时压力装置还包括第三驱动电机，第三驱动电机输出轴上饶有第三连接线；所述伸缩杆包括内杆和套筒，所述内杆位于套筒内部，内杆顶部通过弹簧与套筒连接；第三连接线与伸缩杆底部连接，通过第三驱动电机和弹簧驱动伸缩杆上下运动。

所述底板平面上安装有第一横向板和第二横向板；第一横向板和第二横向板将底板分隔成上、中、下三块区域，且两端分别与两条纵向竖板连接，竖板、底板与横向板两两垂直；所述伸缩杆贯穿第一横向板和第二横向板；所述第一连接线贯穿第一横向板和第二横向板近纵向竖板的一端，以保证第一连接线将仿生黏附材料延其自由端一侧开始撕除。

所述纵向竖板、底板与横向板两两之间通过L型连接片固定；所述U形框体与底板之间通过L型连接片固定。

本发明还提供上述装置的抓取方法，包括如下步骤：

步骤a：将装置调节为初始状态，伸缩杆驱动压板上升，使压板远离仿生黏附材料，第一驱动电机通过第一连接线将仿生黏附材料向上提起，第二驱动电机释放第二连接线；

步骤b：第一驱动电机释放第一连接线，第二驱动电机拉紧第二连接线，使仿生黏附材料下落放平，并接触预抓取物的表面，伸缩杆驱动压板下降，下压仿生黏附材料；

步骤c：第二驱动电机进一步拉紧第二连接线，为仿生黏附材料提供一水平切向力，将预抓取物黏附于仿生黏附材料表面；

步骤d：将预抓取物送至预定位置，第二驱动电机释放第二连接线，解除水平切向力，伸缩杆驱动压板上升远离仿生黏附材料，第一驱动电机通过第一连接线将仿生黏附材料的自由端一侧从预抓取物表面撕除并向上提起，从而将抓取物分离。

步骤d中，必要时可以采用第三驱动电机辅助弹簧驱动伸缩杆驱动压板上升，以便进一步控制其上升的速度，使得压板上升的速度大于第二连接线的拉起速度，可以保证仿生黏附材料最快的剥离速度。

本发明基于壁虎黏附机制，设计了一种基于范德华力的微小型抓取装置，利用黏附材料上部的底板下压仿生黏附材料，为仿生黏附材料与预抓取物表面提供一垂直的压力，同时通过拉紧第二连接线，为仿生黏附材料提供一水平切向力，在垂直作用力和水平切向力的共同作用下，使得仿生黏附材料与预抓取物黏附牢固；脱附时，则将垂直作用力和水平切向力取消，通过第一连接线将仿生黏附材料的一侧自由端从预抓取物表面开始撕除，并设计压板的上升速度与第一连接线的提拉速度配合，从而快速将预抓取物分离。

有益效果：

1、本发明装置采用机械传动结构驱动仿生黏附材料对预抓取物进行黏附与脱附，黏/脱附过程可控，黏附可靠，脱附简便，施加在被夹持物体上的应力较小，适用范围广。

2、本装置对黏附材料的微观结构没有依耐性，适用性广，在工业上可对目标物体进行夹持、搬运和卸载，在空间环境下对目标物体进行捕获，协助宇航员作业或固定位置。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是实施例1装置的整体结构示意图；

图2是实施例1装置分解图；

图3至图7是实施例1装置抓取物体的过程图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。

实施例1

如图1和2所示，该抓取装置包括支撑固定框架，以及设置在支撑固定框架内的仿生黏附材料和黏脱附控制系统；支撑固定框架采用有机玻璃板搭建，包括底板11，通过L型连接片安装于底板两侧的两条纵向竖板12以及安装在底板11平面上第一横向板13和第二横向板14，竖板、底板与横向板两两垂直；第二横向板14下表面中部安装有一U形框体51，U形框体51包括两块竖板511和底部的一块横板512，竖板511和横板512与底板11通过L型连接片固定。

仿生黏附材料21的一侧垂直安装于纵向竖板12下端，且与底板11垂直，其相对的一侧为自由端，自由端能够延安装的一侧上下旋转。

黏脱附控制系统包括位于仿生黏附材料21平面上方的两块压板31、驱动压板31上下运动的伸缩杆32以及第一驱动电机33和第三驱动电机34，伸缩杆32包括内杆321和套筒322，所述内杆321位于套筒322内部，内杆321顶部通过弹簧与套筒322连接，伸缩杆32贯穿第一横向板13与第二横向板14；第一驱动电机33和第三驱动电机34均安装于第一横向板13上，第一驱动电机33输出轴上饶有两束第一连接线331，其穿过第一横向板13、第二横向板14，再穿过压板31近纵向竖板12的一端，并与仿生黏附材料21远离纵向竖板12的一侧自由端连接，通过第一连接线331提拉仿生黏附材料21；第三驱动电机34输出轴上饶有两束第三连接线341，其分别与两条内杆321顶部连接，通过第三连接线341辅助弹簧驱动伸缩杆32上下运动，以控制脱附过程时压板31上升的速度。.

底板11中部安装有第二驱动电机41，其位于第一横向板13与第二横向板14之间，第二驱动电机41的驱动轴上饶有一束第二连接线411，第二连接线411穿过第二横向板14并经过U形框41内部，穿过横板412与仿生黏附材料21远离纵向竖板12的一侧自由端连接。

如图3至图7所示，该装置的抓取方法包括如下步骤：

步骤a：将装置调节为初始状态，通过第三驱动电机34驱动内杆321上升，使压板31远离仿生黏附材料21，第一驱动电机33通过第一连接线331将仿生黏附材料21向上提起，第二驱动电机41释放第二连接线411，如图3所示；

步骤b：第一驱动电机33释放第一连接线331，第二驱动电机41拉紧第二连接线411，使仿生黏附材料21下落放平，并接触预抓取物的表面，释放第三连接线341，内杆321在弹簧驱动下降，压板31下压仿生黏附材料21，如图4所示；

步骤c：第二驱动电机41进一步拉紧第二连接线411，为仿生黏附材料21提供一水平切向力，将预抓取物黏附于仿生黏附材料21表面，如图5所示；

步骤d：将预抓取物送至预定位置，第二驱动电机41释放第二连接线411，解除切向力，第三驱动电机34通过第三连接线341上拉内杆321，驱动压板31上升远离仿生黏附材料21，第一驱动电机33通过第一连接线331将仿生黏附材料21的一侧自由端从预抓取物表面撕除并向上提起，并保证压板31上升的速度大于第一连接线331的拉起速度，从而将抓取物快速分离，如图6和图7所示。

实施例2

该装置与实施例1提供的装置结构大体一样，但是伸缩杆32采用内部的电机进行驱动，即内杆321顶部设有电机，套筒322内壁设有螺纹，内杆321通过电机与套筒322内的螺纹配合，驱动内杆321上下运动。

本发明提供了一种基于范德华力的微小型抓取装置及其抓取方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。