CN103979030B - 一种类壁虎仿生干黏附装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种类壁虎仿生干黏附装置，包括一主结构，上端同轴连接一上部结构，上部结构的上端面周向上均布有四个滑孔，每个滑孔连接有包括导管、基座、钢丝和黏附部分的黏附结构；导管一端伸进滑孔内另一端连接基座；基座下端通过一弹性支撑结构平行设置在主结构上；黏附部分设置在基座的上端面上，钢丝穿过导管两端连接黏附部分和滑孔的底部。主结构的下端面上设置有相连的旋转电机和转盘，转盘通过拉线与基座相连。本发明即满足了黏附时实现预载以及与黏附面之间的相对滑动的要求，又满足了脱附时实现黏附材料与黏附面之间达到30°的要求，具有吸附力较大、黏附效果好、操作方便、能够重复使用、使用范围广的优点。

Description

一种类壁虎仿生干黏附装置

技术领域

本发明涉及黏附机构的设计技术领域，特别涉及一种用于空间环境的可重复使用的类壁虎仿生干黏附装置。

背景技术

自然界大壁虎能够在天花板或墙面自如运动，主要依赖于它的行走机制和特殊的脚底刚毛结构。2000年，美国Autumn等人《Nature》上发表文章，测量了单根纳米级壁虎刚毛的粘附力，证明了刚毛与吸附表面间的粘附力是分子间的范德华力。这种黏附机理属于仿生干黏附。现阶段，黏附方式主要有如下几种方式：真空吸附、磁吸附、静电吸附、粘性吸附、机械连锁吸附、仿生湿吸附以及仿生干黏附。真空吸附在比较粗糙表面上接触时，因密封效果较差，吸附力会大幅度降低，严重影响到黏附工作的可靠性，且空间真空环境不宜于真空吸附；磁吸附对于非铁磁性材料及磁场敏感的仪器仪表等都会产生一定的使用限制，且大部分航天器表面使用的均为非铁磁性材料，因此同样不适用于空间环境；静电吸附要求附着面导电性，且静电吸附力较小；粘性黏附在粘附后较难脱附，难于重复使用；机械连锁吸附对吸附表面有一定程度的破坏作用；仿生湿吸附由于吸附介质为液体，因此在真空、失重的空间环境下不宜于使用；仿生干黏附的吸附原理为分子间的范德华力，具有比较强的黏附力，吸附目标适应强，吸附力建立条件和解除条件简单，因此可重复使用，其黏附机理与空间环境无关，因此可以在空间环境中应用。

通过仿生学对大壁虎脚掌的黏附功能研究，大壁虎脚掌能产生黏附力的原因除了其脚掌的刚毛阵列以外，还需要有一定力学及运动学特性。相关研究表明：壁虎脚掌刚毛的黏附需要一定的预压力，同时滑动对壁虎刚毛粘着力的形成是至关重要的；当壁虎简单的抬起脚掌使得刚毛与吸附面夹角到30°位置，即可方便的离开物体表面。通过上述研究，对仿生干黏附装置的设计有如下要求：黏附时,对黏附材料有个预载，施加预载的同时，黏附材料有个相对滑动；脱附时，黏附材料的仿刚毛阵列与黏附面达到30°夹角，即可完成脱离。而现有技术中的黏附装置，无法满足上述黏附和脱附时的要求，存在黏附效果较差等问题。

发明内容

为了解决现有技术中，黏附装置黏附力不大、黏附效果差、不能够重复使用以及不适用于空间环境等问题，本发明提供了一种类壁虎仿生干黏附装置，包括一主结构，所述主结构的上端同轴连接有一上部结构，所述上部结构的上端面周向上均布有若干垂直于所述上部结构的滑孔，每个所述滑孔均连接有一黏附结构，所述主结构的下端上还设置有用于使所述黏附结构在垂直于黏附面的平面内转动的转动组件；其中，所述黏附结构包括：

导管，呈90°弯折状，所述导管的一端伸进所述滑孔内；

基座，所述导管的另一端与所述基座的一端相连，且所述基座可绕与所述导管的连接处旋转；所述基座的下端面上通过一弹性支撑结构与所述主结构的上端面相连，所述基座平行与所述主结构的上端面，且所述基座的长度方向沿所述主结构的径向设置；

黏附部分，用于与黏附面相接触，所述黏附部分设置在所述基座的上端面上，且所述黏附部分可沿所述基座的长度方向滑动；

钢丝，一端与所述黏附部分相连，所述钢丝的另一端穿过所述导管与所述滑孔的底部相连。

较佳地，所述黏附部分包括黏附材料和滑块，所述基座的上端面上设置有一滑槽，所述滑槽与所述导管相连通；所述黏附材料通过所述滑块设置在所述滑槽内，所述滑块的一端与所述钢丝相连。

较佳地，位于所述滑块另一端的滑槽内设置有一阻塞，所述阻塞与所述滑块的另一端之间设置有一复位弹簧。

较佳地，所述弹性支撑结构包括限位槽、限位柱和弹簧，所述限位柱固定设置在所述主结构的上端面上，所述限位槽设置在所述基座的下端面与所述限位柱的对应位置处；所述弹簧的上端伸进所述限位槽内并与所述基座的下端面固定连接，所述弹簧的下端套设在所述限位柱上并与所述主结构的上端面固定连接。

较佳地，所述转动组件包括：

第一滑轮，设置在所述主结构的侧面一圈上，每个所述黏附结构下侧对应位置处均设置有一所述第一滑轮；

动力装置，同轴设置在所述主结构的下端面上；

转盘，通过一转轴与所述动力装置同轴设置，所述转盘的一圈上与所述第一滑轮对应位置处设置有卡扣；

拉线，一端与所述基座的另一端相连，所述拉线的另一端经过所述第一滑轮后与所述卡扣相连，且所述基座与所述第一滑轮之间的拉线垂直于所述主结构的上端面。

较佳地，每个所述第一滑轮下侧对应设置有一个所述滑轮支架，所述滑轮支架的上端与所述主结构的下端面相连，所述滑轮支架的下端设置有第二滑轮；所述拉线经过所述第一滑轮后再经过部所述第一滑轮，最后与所述卡扣相连，所述第二滑轮与所述卡扣之间的拉线平行于所述转盘。

本由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有的优点和积极效果为：

本发明提供的一种类壁虎仿生干黏附装置，即满足了黏附时实现预载以及与黏附面之间的相对滑动的要求，又满足了脱附时实现黏附材料与黏附面之间达到30°的要求，使得本发明具有吸附力较大、黏附效果好、操作方便、能够重复使用以及使用范围广等优点。

附图说明

结合附图，通过下文的述详细说明，可更清楚地理解本的上述及其他特征和优点，其中：

图1为本发明提供的类壁虎仿生干黏附装置的剖视图；

图2为本发明提供的类壁虎仿生干黏附装置的俯视示意图；

图3为本发明提供的类壁虎仿生干黏附装置的三维结构示意图。

符号说明：

1-转盘

2-卡扣

301-第一滑轮

302-第二滑轮

4-拉线

5-限位柱

6-弹簧

7-限位槽

8-基座

9-阻塞

10-复位弹簧

11-滑块

12-黏附材料

13-导管

14-上部结构

15-钢丝

16-主结构

17-滑轮支架

18-旋转电机

19-转轴

20-滑孔

21-滑槽

22-拉环

23-槽。

具体实施方式

参见示出本实施例的附图，下文将更详细地描述本。然而，本可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。

参考图1-3所示，本发明提供了一种类壁虎仿生干黏附装置，主要包括主结构16、黏附结构、黏附结构水平移动组件以及黏附结构转动组件，本发明提供的类壁虎仿生干黏附装，不仅满足在黏附过程中实现对黏附材料的预载以及相对滑动的要求，而且满足在脱附过程中实现了黏附材料与黏附面达到30°夹角的要求，其结构简单，能够快速实现黏附与脱附，适用于空间环境下的黏附工作。

具体的，主结构16呈一圆盘形，其上端面上固定设置有一上部结构14，上部结构14也呈圆盘形并与主结构16同轴设置，上部结构14的直径小于主结构16的直径；主结构16和上部结构14的尺寸以及形状也可根据具体情况进行调整，此处不作限制。上部结构14上端面周向上均布有若干滑孔20，在本实施例中上部结构14上设置有四个滑孔20，两两对称呈十字形，当然滑孔20的数量也可根据具体情况进行调整。

在本实施例中，主结构16上方周向均布有四个黏附结构，并与上部结构14上的四个滑孔20一一对应。其中，每个黏附结构包括基座8、黏附材料12、导管13和钢丝15；基座8呈一矩形状，基座8的上端面上沿其长度方向上设置有一滑槽21；黏附材料12用于与黏附面接触并实现黏附，黏附材料12通过一滑块11设置在滑槽21上，且滑块11可带动黏附材料12沿滑槽21滑动；滑槽21的一端开口延伸至基座8的远离主结构16圆心的一端，且滑槽21的开口端处设置有一阻塞9，阻塞9与滑块11的一端之间设置有一复位弹簧10。基座8的另一端与导管13的一端通过铰支相连，使得基座8可绕铰支旋转，且导管13与滑槽21相通，导管13呈90°弯折状，且导管13弯折处进行倒圆角；导管13的另一端伸进滑孔20中，且导管13可沿滑孔20竖直方向上移动；钢丝15的一端固定设置在滑孔20的底部，钢丝15的另一端穿过导管13伸进滑槽21内，并与滑块11的另一端相连。

在本实施例中，基座8的底部还通过一弹性支撑结构，连接主结构16的上端面和基座8的下端面，同时保证基座8平行于主结构16的上端面，基座8的长度方向沿主结构16的径向设置。其中，弹性支撑结构包括限位柱5、弹簧6和限位槽7，限位柱5固定设置在主结构16的上端面上，限位槽7设置在基座8下端面上与限位柱5的对应位置处；弹簧6的上端伸进限位槽7内并与基座8的下端面固定连接，弹簧6的下端套设在限位柱5上并与主结构16的上端面固定连接，限位柱5和限位槽7主要起到对弹簧6进行限位的作用。当给基座8施加一定的轴向上的力的时候，基座8压缩弹簧6向下运动，同时导管13沿滑孔20向下运动，此时由于钢丝15的下端固定设置，因此钢丝15沿导管13向滑块11的方向运动，从而在钢丝15的推动作用下滑块11带动黏附材料12沿滑槽21移动。

在本实施例中，该类壁虎仿生黏附装置还包括黏附结构转动组件，用于使黏附材料12在垂直于黏附面的平面内转动，包括动力装置、滑轮、转盘1和拉线4等。具体的，动力装置设置在主结构16的下端面上，且动力装置与主结构16同轴设置；在本实施例中动力装置采用旋转电机18，旋转电机18的伸出轴通过一转轴19连接转盘1的圆心部分，转盘1与主结构16同轴设置。

在本实施例中，主结构16外侧面一圈上与每个基座8的对应位置处均设置有第一滑轮301；主结构16的下端面靠近边缘位置处均布有四个滑轮支架17，且每个滑轮支架17与第一滑轮301的位置一一对应；每个滑轮支架17的上端垂直连接到主结构16的下端面上，滑轮支架17的下端上设置有第二滑轮302。基座8的外侧端上设置有拉环22，拉环22与主结构16上设置的第一滑轮301在同一竖直平面内，且该竖直平面垂直与主结构16；转盘1的一圈上设置有一槽23，槽23一圈上均布有四个卡扣2。拉线4的一端连接到拉环22上，拉线4的另一端依次经过第一滑轮301和第二滑轮302，然后与转盘1上的卡扣2相连；其中，基座8与第一滑轮301之间的拉线垂直于主结构16的上端面，第二滑轮302与卡扣2之间的拉线平行于转盘1。当启动旋转电机18后，转盘1转动并通过拉线4拉动基座8在垂直于黏附面的平面内绕与导管13的连接处旋转。其中，第一滑轮301的设置是为了保证在拉线4在传递拉力的时候，保证基座8受到一个竖直向下的力，第二滑轮302的设置是为了保证在转盘1转动时传递给第二滑轮302的力的方向为水平方向上的，如图1中所示；两位转盘1一圈上槽23的设置是为了转盘1在转动并牵引拉线4的过程中，容纳拉下来的部分拉线4。

本发明提供的一种类壁虎仿生干黏附装置，其黏附以及脱附的具体工作过程如下：

具体的黏附实施方式为，初始状态下该类壁虎仿生干黏附装置以一定的沿轴向速度（主结构平台轴向）与黏附面接触；黏附材料12与黏附面接触，在黏附面的反作用力下，基座8向主结构16一侧运动并压缩弹簧6，使得弹簧6对基座8的下表面提供了一个垂直基座8的力，从而实现对黏附材料12有个预载的目的。在基座8向下运动的同时，与基座8相连接的导管13也同样会在上部结构14的滑孔20中向下运动，导致钢丝15在导管13中的相对位移，从而使得滑块11沿滑槽21向外侧运动，以实现黏附材料12有一个相对滑动的目的，从而使得类壁虎仿生干黏附装置牢固地黏附到黏附面上。

具体的脱附实施方式如下，首先启动旋转电机18旋转，并带动转盘1旋转，通过拉线4将基座8向下拉动，由于基座8与导管13为铰支连接，因此基座8会以铰支点为圆心，进行转动。随着基座8向下转动，黏附材料12与黏附面的夹角不断增大，当增到30°时，黏附材料12与黏附面自动脱落，即完成脱附作业。完全脱附之时，旋转电机18反向旋转，基座8回位，即可进行下一次黏附作业。

本发明提供的一种类壁虎仿生干黏附装置，即满足了黏附时实现预载以及与黏附面之间的相对滑动的要求，又满足了脱附时实现黏附材料与黏附面之间达到30°的要求，使得本发明具有吸附力较大、黏附效果好、操作方便、能够重复使用等优点；另外，本发明可用于空间环境下黏附工作，在空间碎片主动清除领域、在轨服务领域以及新型空间对接机构领域有着广泛的应用前景。

综上所述，本提供了一种类壁虎仿生干黏附装置，包括一主结构，上端同轴连接有上部结构，上部结构的上端面周向上均布有若干滑孔，每个滑孔均连接有一黏附结构，黏附结构包括导管、基座、黏附部分和钢丝，导管一端伸进滑孔内，另一端与基座可旋转连接；基座平行于主结构，且其下端通过一弹性支撑结构设置在主结构上；黏附部分设置在基座的上端面上，钢丝一端连接黏附部分，另一端穿过导管连接到滑孔的底部。主结构的下端面上依次同轴设置有旋转电机和转盘，转盘通过拉线与基座相连，使得基座绕与导管的连接处在垂直于黏附面的平面内转动。本发明即满足了黏附时实现预载以及与黏附面之间的相对滑动的要求，又满足了脱附时实现黏附材料与黏附面之间达到30°的要求，具有吸附力较大、黏附效果好、操作方便、能够重复使用、使用范围广的优点。

本技术领域的技术人员应理解，本可以以许多其他具体形式实现而不脱离本的精神或范围。尽管也已描述了本的实施例，应理解本不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本精神和范围之内作出变化和修改。

Claims (6)

1.一种类壁虎仿生干黏附装置，其特征在于，包括一主结构，所述主结构的上端同轴连接有一上部结构，所述上部结构的上端面周向上均布有若干垂直于所述上部结构的滑孔，每个所述滑孔均连接有一黏附结构，所述主结构的下端上还设置有用于使所述黏附结构在垂直于黏附面的平面内转动的转动组件；其中，所述黏附结构包括：

导管，呈90°弯折状，所述导管的一端伸进所述滑孔内；

基座，所述导管的另一端与所述基座的一端相连，且所述基座可绕与所述导管的连接处旋转；所述基座的下端面上通过一弹性支撑结构与所述主结构的上端面相连，所述基座平行与所述主结构的上端面，且所述基座的长度方向沿所述主结构的径向设置；

黏附部分，用于与黏附面相接触，所述黏附部分设置在所述基座的上端面上，且所述黏附部分可沿所述基座的长度方向滑动；

钢丝，一端与所述黏附部分相连，所述钢丝的另一端穿过所述导管与所述滑孔的底部相连。

2.根据权利要求1所述的类壁虎仿生干黏附装置，其特征在于，所述黏附部分包括黏附材料和滑块，所述基座的上端面上设置有一滑槽，所述滑槽与所述导管相连通；所述黏附材料通过所述滑块设置在所述滑槽内，所述滑块的一端与所述钢丝相连。

3.根据权利要求2所述的类壁虎仿生干黏附装置，其特征在于，位于所述滑块另一端的滑槽内设置有一阻塞，所述阻塞与所述滑块的另一端之间设置有一复位弹簧。

4.根据权利要求1所述的类壁虎仿生干黏附装置，其特征在于，所述弹性支撑结构包括限位槽、限位柱和弹簧，所述限位柱固定设置在所述主结构的上端面上，所述限位槽设置在所述基座的下端面与所述限位柱的对应位置处；所述弹簧的上端伸进所述限位槽内并与所述基座的下端面固定连接，所述弹簧的下端套设在所述限位柱上并与所述主结构的上端面固定连接。

5.根据权利要求1所述的类壁虎仿生干黏附装置，其特征在于，所述转动组件包括：

第一滑轮，设置在所述主结构的侧面一圈上，每个所述黏附结构下侧对应位置处均设置有一所述第一滑轮；

动力装置，同轴设置在所述主结构的下端面上；

转盘，通过一转轴与所述动力装置同轴设置，所述转盘的一圈上与所述第一滑轮对应位置处设置有卡扣；

拉线，一端与所述基座的另一端相连，所述拉线的另一端经过所述第一滑轮后与所述卡扣相连，且所述基座与所述第一滑轮之间的拉线垂直于所述主结构的上端面。

6.根据权利要求5所述的类壁虎仿生干黏附装置，其特征在于，每个所述第一滑轮下侧对应设置有一个滑轮支架，所述滑轮支架的上端与所述主结构的下端面相连，所述滑轮支架的下端设置有第二滑轮；所述拉线经过所述第一滑轮后再经过部所述第一滑轮，最后与所述卡扣相连，所述第二滑轮与所述卡扣之间的拉线平行于所述转盘。