CN110524563B - 粘附和脱附的控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粘附和脱附的控制装置，包括基座、致动器和运动机构，致动器安装在基座上，运动机构包括承载单元、剥离单元和粘附单元，承载单元可压缩但抗拉伸且其上表面固定在基座的下表面上；剥离单元为高弹性模量的薄板且其具有相对的第一侧和第二侧，剥离单元的上表面固定在承载单元的下表面上，致动器与剥离单元的第一侧固定；粘附单元设置在剥离单元的下表面上；剥离单元在致动器的作用下自第一侧向第二侧发生弯曲弹性变形使得粘附单元同步运动，以实现脱附释放；剥离单元在弹性变形恢复后处于平面状态，以实现粘附抓取。该控制装置能够实现快速、可靠、稳定的高强度粘附和脱附控制，而且成本低廉、结构简单、操作方便、重复性好。
Description
技术领域
本发明涉及机械结构与部件领域，尤其是涉及一种粘附和脱附的控制装置。
背景技术
对粘附和摩擦的主动调控可帮助机械手和机器人足等各类先进智能机械装备部件在各种不同环境条件下完成表面间抓取、组装、对接、运动等操作。受到壁虎、甲虫等生物的启发，研究人员揭示了仿生粘附的力学机理，并据此制备了具有高强度粘附和摩擦性能的仿生粘附表面。相比传统的依赖机械压力和摩擦力的抓取方式，基于范德华力作用的仿生粘附技术具有柔性接触、可用于真空环境、应力集中小、无污染、控制简单等优点，具有广阔的应用前景。
目前针对仿生干粘附表面已经提出了基于力、气压、温度、光照等物理场调控响应的可控粘脱附技术，但是仍然存在法向粘附强度低、有效粘附面积小、操作缓慢、环境要求高等问题，从而限制了可控粘脱附技术在工业生产中的实际应用。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种粘附和脱附的控制装置，能够实现快速、可靠、稳定的高强度粘附和脱附控制，而且成本低廉、结构简单、操作方便、重复性好。
根据本发明实施例的粘附和脱附的控制装置，包括：
基座，所述基座用于与后端操作机构连接；
致动器，所述致动器安装在所述基座上；
运动机构，所述运动机构包括承载单元、剥离单元和粘附单元；
所述承载单元可压缩但抗拉伸，所述承载单元的上表面固定在所述基座的下表面上；
所述剥离单元为高弹性模量的薄板，所述剥离单元具有相对的第一侧和第二侧，所述剥离单元的上表面固定在所述承载单元的下表面上，所述致动器布置在所述剥离单元的所述第一侧且与所述第一侧固定，或者所述致动器布置在所述剥离单元的所述第一侧和所述第二侧且分别与所述第一侧和所述第二侧固定；
所述粘附单元设置在所述剥离单元的下表面上；当所述致动器布置在所述第一侧时，所述剥离单元在所述致动器的作用下自所述第一侧向所述第二侧发生弯曲弹性变形而被拉起时使得所述粘附单元同步被拉起，或者当所述致动器布置在所述第一侧和所述第二侧时，所述剥离单元在所述致动器的作用下自所述第一侧和所述第二侧向所述剥离单元的中间部位发生弯曲弹性变形而被拉起时使得所述粘附单元同步被拉起；所述剥离单元在所述弹性变形恢复后处于平面状态。
根据本发明实施例的粘附和脱附的控制装置，以致动器布置在剥离单元的第一侧的情况为例，其工作过程为，粘附时，使粘附和脱附的控制装置的姿态与待物体表面对齐并向物体表面靠近，直至粘附单元与平面物体表面接触，产生适当的接触压力，以使粘附单元与平面物体表面形成良好的接触状态，产生足够的粘附力，从而实现粘附抓取；脱附时，使致动器向上运动，使得剥离单元被拉起同时发生弯曲并压迫承载单元发生压缩，粘附单元与剥离单元同步运动，从而使粘附单元与平面物体表面产生剥离，随着粘附和脱附的控制装置向远离物体表面的方向运动，从而实现脱附释放。粘附单元与物体表面之间的接触面积达到最小值，剥离角度达到最大值，剥离刚度达到最小值，产生较小的粘附力能够实现释放的目的。
需要说明的是，致动器布置在剥离单元的第一侧和第二侧，其工作原理与致动器布置在剥离单元的第一侧相同，只不过是，剥离单元的第一侧和第二侧在相应的致动器的同时作用下，可以自第一侧和第二侧向剥离单元的中间部位发生弯曲弹性型变形而被拉起时使得粘附单元同步被拉起。
根据本发明实施例的粘附和脱附的控制装置，在粘附时，基座、承载单元和剥离单元通过承载作用最大限度地利用整个粘附单元的粘附表面的粘附力，从而实现高强粘附；在脱附时，致动器驱动剥离单元的第一侧产生弯曲运动或驱动剥离单元的第一侧和第二侧产生弯曲使得承载单元被压缩，同时使粘附单元与剥离单元同步弯曲运动，改变粘附界面的接触面积、剥离角度和剥离刚度来减小粘附力，实现快速易脱附释放。而且，本发明实施例的粘附和脱附的控制装置成本低廉、结构简单、操作方便、重复性好，适合用于高强度、大面积粘脱附的工业化生产和流水线作业。
根据本发明的一个实施例，所述基座设有竖向的中通孔；所述致动器穿过所述中通孔；所述运动机构有多个，每一所述运动机构通过所述承载单元的上表面固定在所述基座的下表面上，且每一所述运动机构的所述第一侧靠近所述中通孔，且所述第二侧远离所述中通孔。
根据本发明进一步的实施例，所述致动器为一个或多个，所述致动器为一个时，所述致动器的下端与多个所述剥离单元的所述第一侧固定；所述致动器为多个时，多个所述致动器分别与多个所述剥离单元的所述第一侧一一对应地固定。
根据本发明进一步的实施例，所述致动器为舵机拉线、曲柄连杆、人工肌肉和介电弹性体中的一种。
根据本发明进一步的实施例，还包括管体，所述管体嵌套在所述中通孔中，所述致动器穿过所述管体。
根据本发明再进一步的实施例，所述管体采用聚四氟乙烯的材料制成。
根据本发明进一步的实施例，所述承载单元为泡沫件、橡胶件、纤维体、弹簧件中的一种。
根据本发明进一步的实施例，所述剥离单元为弹簧钢片或高分子板片。
根据本发明进一步的实施例，所述承载单元布置在所述剥离单元的上表面与所述基座的下表面之间且靠近所述第二侧，所述剥离单元的上表面与所述基座的下表面之间且靠近所述第一侧设有空间。
根据本发明进一步的实施例，所述粘附单元为具有平整表面粘附层或微观结构阵列的粘附层。
根据本发明再进一步的实施例，所述微观结构的末端为盘状薄板、漏斗状薄板。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的粘附和脱附的控制装置的结构示意图。
图2为本发明实施例的粘附和脱附的控制装置的剖面图。
图3为本发明实施例的粘附和脱附的控制装置的运动机构的结构示意图。
图4为本发明实施例的粘附和脱附的控制装置与平面物体脱附释放的一个状态示意图。
图5为本发明实施例的粘附和脱附的控制装置对平面物体粘附抓取的一个状态示意图。
附图标记：
粘附和脱附的控制装置1000
基座1
管体2
运动机构3 承载单元31 剥离单元32 粘附单元33 微观结构331
致动器4
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合图1至图5来描述根据本发明实施例的粘附和脱附的控制装置1000。
如图1至图5所示，根据本发明实施例的粘附和脱附的控制装置1000，包括基座1、致动器4和运动机构3。其中，基座1用于与后端操作机构连接；致动器4安装在基座1上；运动机构3包括承载单元31、剥离单元32和粘附单元33；承载单元31可压缩但抗拉伸，承载单元31的上表面固定在基座1的下表面上；剥离单元32为高弹性模量的薄板，剥离单元32具有相对的第一侧和第二侧，剥离单元32的上表面固定在承载单元31的下表面上，致动器4布置在剥离单元32的第一侧且与第一侧固定，或者致动器4布置在剥离单元32的第一侧和第二侧且与第一侧和第二侧固定；粘附单元33设置在剥离单元32的下表面上；当致动器4布置在第一侧时，剥离单元32在致动器4的作用下自第一侧向第二侧发生弯曲弹性变形而被拉起时使得粘附单元33同步被拉起，或者当致动器4布置在第一侧和第二侧时，剥离单元32在致动器4的作用下自第一侧和第二侧向剥离单元32的中间部位发生弯曲弹性型变形而被拉起时使得粘附单元33同步被拉起；剥离单元32在弹性变形恢复后处于平面状态。
具体而言，基座1用于与后端操作机构连接，例如，基座1可以通过螺纹孔、法兰盘或铰链等连接方式与后端操作机构连接，从而实现对本发明实施例的粘附和脱附的控制装置1000的位姿控制。
致动器4安装在基座1上，可以在后端操作机构的驱动下使与致动器4相连的运动机构3实现脱附释放操作。具体地，致动器4能够使运动机构3的剥离单元32和粘附单元33产生弯曲从而使粘附表面从平面物体表面剥离。
运动机构3包括承载单元31、剥离单元32和粘附单元33。具体地，承载单元31可以是单相或者复合材料制成，可承受拉伸和压缩载荷，抗压缩强度低，抗拉伸强度高，承载单元31的上表面固定在基座1的下表面上；剥离单元32可以为高弹性模量材料制成的连续或者履带状薄板，剥离单元32具有相对的第一侧和第二侧，剥离单元32的上表面固定在承载单元31的下表面上，致动器4布置在剥离单元32的第一侧且与第一侧固定，或者致动器4布置在剥离单元的第一侧和第二侧且与第一侧和第二侧固定；；粘附单元33设置在剥离单元32的下表面上；当致动器4布置在第一侧时，剥离单元32在致动器4的作用下自第一侧向第二侧发生弯曲弹性变形而被拉起时使得粘附单元33同步被拉起，或者当致动器4布置在第一侧和第二侧时，剥离单元32在致动器4的作用下自第一侧和第二侧向剥离单元32的中间部位发生弯曲弹性型变形而被拉起时使得粘附单元33同步被拉起；剥离单元32在弹性变形恢复后处于平面状态。
需要说明的是，承载单元31可压缩但具有一定的拉伸强度，压缩的目的是能够使运动机构3弯曲和剥离的行为产生，具有一定拉伸强度的目的是能够承载粘附单元33的法向粘附力，从而实现高粘附强度。剥离单元32具有较高的弹性模量或在面内具有较大的刚度而抗拉伸，在致动器4的作用下能够产生弯曲的运动形式使得粘附单元33从平面物体表面剥离，从而实现易脱附，而且由于剥离单元32具有较大的弹性模量和一定的刚度，重复利用性好。粘附单元33具有较强的粘附力，当剥离单元32在弹性变形恢复后处于平面状态，粘附单元33也处于平面状态，粘附平面物体的表面的粘附面积最大，粘附力强，能够牢靠地粘附抓取平面物体。
根据本发明实施例的粘附和脱附的控制装置1000，以致动器4布置在剥离单元32的第一侧的情况为例，其工作过程为，粘附时(如图5所示)，使粘附和脱附的控制装置1000的姿态与待物体表面对齐并向物体表面靠近，直至粘附单元33与平面物体表面接触，产生适当的接触压力，以使粘附单元33与平面物体表面形成良好的接触状态，产生足够的粘附力，从而实现粘附抓取；脱附时(如图4所示)，使致动器4向上运动，使得剥离单元32被拉起同时发生弯曲并压迫承载单元31发生压缩，粘附单元33与剥离单元32同步运动，从而使粘附单元33与平面物体表面产生剥离，随着粘附和脱附的控制装置1000向远离物体表面的方向运动，从而实现脱附释放。如图4所示，粘附单元33与物体表面之间的接触面积达到最小值，剥离角度达到最大值，剥离刚度达到最小值，产生较小的粘附力能够实现释放的目的。
需要说明的是，致动器4布置在剥离单元32的第一侧和第二侧，其工作原理与致动器4布置在剥离单元的第一侧相同，只不过是，剥离单元32的第一侧和第二侧在相应的致动器4的同时作用下，可以自第一侧和第二侧向剥离单元32的中间部位发生弯曲弹性型变形而被拉起时使得粘附单元33同步被拉起。
根据本发明实施例的粘附和脱附的控制装置1000，在粘附时，基座1、承载单元31和剥离单元32通过承载作用最大限度地利用整个粘附单元33的粘附表面的粘附力，从而实现高强粘附；在脱附时，致动器4驱动剥离单元32的第一侧产生弯曲运动或驱动剥离单元32的第一侧和第二侧产生弯曲使得承载单元31被压缩，同时使粘附单元33与剥离单元32同步弯曲运动，改变粘附界面的接触面积、剥离角度和剥离刚度来减小粘附力，实现快速易脱附释放。而且，本发明实施例的粘附和脱附的控制装置1000成本低廉、结构简单、操作方便、重复性好，适合用于高强度、大面积粘脱附的工业化生产和流水线作业。
根据本发明的一个实施例，基座1设有竖向的中通孔；致动器4穿过中通孔；运动机构3有多个，每一运动机构3通过承载单元31的上表面固定在基座1的下表面上，且每一运动机构3的第一侧靠近中通孔，且第二侧远离中通孔。可以理解的是，由此，结构紧凑，可以实现高强粘附和快速易脱附释放。
需要说明的是，在一些实施例中，粘附和脱附的控制装置1000采用圆形、矩形、三角形、六边形或其他多边形等对称或非对称分布的布置方案，能够有效提高结构面积的利用率，减少致动器4的数量，有利于结构设计的紧凑性和轻量化。
根据本发明进一步的实施例，致动器4为一个或多个，致动器4为一个时，致动器4的下端与多个剥离单元32的第一侧固定；致动器4为多个时，多个致动器4分别与多个剥离单元32的第一侧一一对应地固定。由此，可以根据实际使用需要灵活性地设置致动器4数量。
根据本发明进一步的实施例，致动器4为拉线、曲柄连杆、人工肌肉和介电弹性体中的一种。当致动器4为拉线时，拉线的上端可以与后端操作结构相连，拉线的下端可以与剥离单元32第一侧固定，例如，剥离单元32的第一侧可以设置穿孔、钩或柱等结构形式，方便拉线的下端固定即可。在脱附时，拉线受到向上的拉力作用，驱动剥离单元32的第一侧产生弯曲运动使得承载单元31被压缩，同时使粘附单元33与剥离单元32同步弯曲运动，改变粘附界面的接触面积、剥离角度和剥离刚度来减小粘附力，实现快速易脱附释放；粘附时，释放拉力，剥离单元32由于自身弹性作用可以恢复到平面状态，从而使得粘附单元33也处于平面状态，粘附平面物体的表面的粘附面积最大，粘附力强，能够牢靠地粘附抓取平面物体。当致动器4为曲柄连杆机构时，曲边机构的连杆可以穿过中通孔，下端与剥离单元32第一侧活动连接，在曲柄机构的驱动下，连杆可以上下移动，在连杆向上移动时，可以使运动机构3快速脱附释放平面物体，在连杆下移时剥离单元32复位时，可以使运动机构3快速粘附抓取平面物体。当致动器4为人工肌肉和介电弹性体也同样可以驱动运动机构3实现脱附释放和粘附抓取，在此不做赘述。
根据本发明进一步的实施例，还包括管体2，管体2嵌套在中通孔中，致动器4穿过管体2。由此，粘附或脱附过程中，致动器4在管体2中上下移动对管体2内壁可能会造成磨损，磨损的管体2可以更换。
根据本发明再进一步的实施例，管体2采用聚四氟乙烯的材料制成。由此管体2耐磨，使用寿命长。当然，在其他的实施例中，管体2也可以采用其他材料制成。
根据本发明进一步的实施例，承载单元31为泡沫件、橡胶件、纤维体、弹簧件中的一种。可以理解的是，采用泡沫件、橡胶件、纤维件或弹簧件均可以满足承载单元31的功能要求。需要说明是，当承载单元31为泡沫件、橡胶件或纤维件时，可以将泡沫件、橡胶件或纤维件通过胶黏剂粘结固定在基座1的下表上，剥离单元32也可以采用胶黏剂粘结固定在泡沫件、橡胶件或纤维件的下表面上；当承载单元31为弹簧件时，弹簧件的上下端可以采用其他的固定方式分别与基座1和剥离单元32固定。而粘附单元33可以通过胶黏剂或键合等方式固定在剥离单元32的下表面上。在其他的一些实施例中，运动机构的承载单元31、剥离单元32和粘附单元33可以采用不同复合材料浇注成一体。
根据本发明进一步的实施例，剥离单元32为弹簧钢片或高分子板片。可以理解的是，弹簧钢片和高分子板片均为高弹性模量的薄板，可以满足剥离单元32的功能要求。
根据本发明进一步的实施例，承载单元31布置在剥离单元32的上表面与基座1的下表面之间且靠近第二侧，剥离单元32的上表面与基座1的下表面之间且靠近第一侧设有空间。由此，在脱附时，剥离单元32更容易弯曲运动，更有利于实现快速易脱附释放。
根据本发明进一步的实施例，粘附单元33为具有平整表面粘附层或微观结构331阵列的粘附层。当粘附单元33为具有平整表面粘附层时，该平整表面粘附层可以采用压敏胶带或橡胶薄膜。当粘附单元33为微观结构331的粘附层时，该微观结构331的阵列可以采用具有粘附性的仿生表面，即在阵列分布的微观结构331末端设有圆盘状薄板、漏斗状薄板或其他增强粘附性能的阵列结构，粘附力更强。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (11)
1.一种粘附和脱附的控制装置，其特征在于，包括：
基座，所述基座用于与后端操作机构连接；
致动器，所述致动器安装在所述基座上；
运动机构，所述运动机构包括承载单元、剥离单元和粘附单元；
所述承载单元可压缩但抗拉伸，所述承载单元的上表面固定在所述基座的下表面上；
所述剥离单元为高弹性模量的薄板，所述剥离单元具有相对的第一侧和第二侧，所述剥离单元的上表面固定在所述承载单元的下表面上，所述致动器布置在所述剥离单元的所述第一侧且与所述第一侧固定，或者所述致动器布置在所述剥离单元的所述第一侧和所述第二侧且分别与所述第一侧和所述第二侧固定；
所述粘附单元设置在所述剥离单元的下表面上；当所述致动器布置在所述第一侧时，所述剥离单元在所述致动器的作用下自所述第一侧向所述第二侧发生弯曲弹性变形而被拉起时使得所述粘附单元同步被拉起，或者当所述致动器布置在所述第一侧和所述第二侧时，所述剥离单元在所述致动器的作用下自所述第一侧和所述第二侧向所述剥离单元的中间部位发生弯曲弹性变形而被拉起时使得所述粘附单元同步被拉起；所述剥离单元在所述弹性变形恢复后处于平面状态。
2.根据权利要求1所述的粘附和脱附的控制装置，其特征在于，所述致动器布置在所述剥离单元的所述第一侧时，所述基座设有竖向的中通孔；所述致动器穿过所述中通孔；所述运动机构有一个或多个，每一所述运动机构通过所述承载单元的上表面固定在所述基座的下表面上，且每一所述运动机构的所述第一侧靠近所述中通孔，且所述第二侧远离所述中通孔。
3.根据权利要求2所述的粘附和脱附的控制装置，其特征在于，所述致动器为一个或多个，所述致动器为一个时，所述致动器的下端与多个所述剥离单元的所述第一侧固定；所述致动器为多个时，多个所述致动器分别与多个所述剥离单元的所述第一侧一一对应地固定。
4.根据权利要求2所述的粘附和脱附的控制装置，其特征在于，所述致动器为拉线、曲柄连杆、人工肌肉和介电弹性体中的一种。
5.根据权利要求2所述的粘附和脱附的控制装置，其特征在于，还包括管体，所述管体嵌套在所述中通孔中，所述致动器穿过所述管体。
6.根据权利要求5所述的粘附和脱附的控制装置，其特征在于，所述管体采用聚四氟乙烯的材料制成。
7.根据权利要求2所述的粘附和脱附的控制装置，其特征在于，所述承载单元为泡沫件、橡胶件、纤维体、弹簧件中的一种。
8.根据权利要求2所述的粘附和脱附的控制装置，其特征在于，所述剥离单元为弹簧钢片或高分子板片。
9.根据权利要求2所述的粘附和脱附的控制装置，其特征在于，所述承载单元布置在所述剥离单元的上表面与所述基座的下表面之间且靠近所述第二侧，所述剥离单元的上表面与所述基座的下表面之间且靠近所述第一侧设有空间。
10.根据权利要求2所述的粘附和脱附的控制装置，其特征在于，所述粘附单元为具有平整表面粘附层或微观结构阵列的粘附层。
11.根据权利要求10所述的粘附和脱附的控制装置，其特征在于，所述微观结构的末端为盘状薄板、漏斗状薄板。
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