CN112727876A - 一种可控强度黏附装置及其调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可控强度黏附装置,包括为可控强度黏附装置提供支撑的支撑件;设置在支撑件一端黏附单元,黏附单元远离支撑件一端与黏附界面相接触;设在支撑件与黏附单元之间的微振激励发生模块,微振激励发生模块一端与支撑件固结、另一端与黏附单元固结,微振激励发生模块驱动黏附单元产生微振动;设在支撑件内的微振激励调节放大模块,其上设有通信接口,微振激励调节放大模块与微振激励发生模块相连、调节其振动频率和振幅。并涉及该装置的调控方法,该方法可根据需求调节微振动的频率与振幅,可实现对目标黏附物的稳定黏附强度调节,从而完成黏附‑脱附的快速切换。本发明能有效解决现有黏附失效困难以及黏附界面间强度无法调控的问题。
Description
技术领域
本发明涉及黏附强度调节技术领域,具体为一种可控强度黏附装置及其调控方法。
背景技术
物体界面间的黏附近年来被引入到抓取方案中,它相较于传统的摩擦抓握,有着低能耗和结构适应性强等特点,但其现阶段依然无法得到广泛应用,一个很大的原因是黏附行为发生后黏附强度很难实时调节,进而无法实现可控黏附强度的黏附行为,并且界面间的黏附一旦形成,只有在较大外力干预下才能实现黏附失效。虽然通过黏附剥离可以在一定程度上调节脱附阶段的黏附强度,但较慢的黏附失效速度以及较大的控制复杂度都加大了黏附这一技术的实际应用难度。与此同时,现有的黏附技术往往受制于表面清洁度,导致黏附耐久性差强人意,长期使用会导致一定程度的黏附强度衰减。上述原因致使黏附无法大规模在传统工业生产中推广应用。因此,亟需设计一种新的技术方案,以综合解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可控强度黏附装置及其调控方法,能综合解决现有黏附失效困难,黏附界面间强度无法调控与黏附表面无法自清洁等问题。
为解决上述技术问题,本发明采用了以下技术方案:
一种可控强度黏附装置,包括:
支撑件,为可控强度黏附装置提供支撑;
黏附单元,设置在支撑件一端,且黏附单元远离支撑件的一端与黏附界面相接触;
微振激励发生模块,设置在支撑件与黏附单元之间,微振激励发生模块一端与支撑件固结、另一端与黏附单元固结,微振激励发生模块驱动黏附单元产生微振动;
微振激励调节放大模块,设置在支撑件内,其上设有接收外部信号的通信接口,微振激励调节放大模块与微振激励发生模块相连、调节微振激励发生模块的振动频率和振幅。
其中,微振激励调节放大模块还包括主控制板、DAC模块和多谐振荡电路,通信接口将调整振动频率和振幅的外部信号通讯输入至主控制板,主控制板发送数字信号给调节振幅的DAC模块,之后DAC模块发送模拟信号至调节振动频率的多谐振荡电路。
其中,微振激励发生模块是通过其振动表面与黏附单元固定连接的。
可控强度黏附装置的调控方法,是利用上述可控强度黏附装置进行的,包括以下步骤:
测量在指定的频率和振幅范围内对应的黏附强度,并获得振幅频率与黏附强度相关的神经网络;
获得神经网络的极大值和极小值,确定极大值为黏附状态点,记录黏附状态点对应的振幅为黏附振幅、频率为黏附频率;确定极小值为脱附状态点,记录脱附状态点对应的振幅为脱附振幅、频率为脱附频率;
将黏附单元紧贴于待黏附的物件表面后,进行黏附进行阶段和黏附失效阶段;
黏附进行阶段:使用微振激励调节放大模块将振幅调节为黏附振幅,频率调节为黏附频率,即激活黏附单元的黏附状态,完成黏附单元与待黏附物件的黏附;
黏附失效阶段:使用微振激励调节放大模块将振幅调节为脱附振幅,频率调节为脱附频率,即激活黏附单元的脱附状态,完成黏附单元与待黏附物件的脱附。
该调控方法还包括自清洁参数的整定和自清洁阶段步骤,具体包括以下内容:
对黏附单元的黏附表面进行污化处理;
使用微振激励调节放大模块将振幅调节为脱附振幅,频率调节为脱附频率,之后按照预设时间和预设振幅值作为步进单位提升脱附振幅,同时采用机器视觉记录当前污染情况,直至污染消除、黏附单元表面恢复黏附性能,记录当前的振幅为自清洁振幅,当前频率为自清洁频率;
当使用结束后或使用过程中出现黏附单元污染时,进入自清洁阶段:使用微振激励调节放大模块将振幅调节为自清洁振幅,频率调节为自清洁频率,激活黏附单元的自清洁状态,直至黏附单元黏附性能恢复为止。
上述技术方案中提供的可控强度黏附装置,设置支撑件、黏附单元、微振激励发生模块和微振激励调节放大模块,通过支撑件为整个黏附装置提供刚性支撑和约束,将微振激励发生模块和黏附单元进行刚性包络,其一方面能够保护微振激励发生模块和黏附单元的结构,另一方面可以防止微振激励发生模块和黏附单元发生大幅度的切向相对位移、减小二者界面间的切向力;通过微振激励调节放大模块和微振激励发生模块使黏附单元发生微振动,进而改变黏附单元的黏附强度,实现黏附和脱附功能。该黏附装置能够有效实现黏附强度的无级快速调控,解决了现有黏附失效困难以及黏附界面间强度无法调控的问题。
本发明的微振激励调节放大模块包括通信接口、主控制板、DAC模块和多谐振荡电路,利用通信接口接收外部信号以调整振动频率和振动幅度,利用DAC模块实现可调节的电压输出,从而实现振动幅度可调;在信号输出后端采用多谐振荡电路,从而实现振动频率可调,为整个黏附装置振动频率和振幅的调节提供支持。
本发明还提供上述可控强度黏附装置的调控方法,在黏附过程中加入微振动,从而大幅度地改变黏附强度状态,在合适的振幅和频率下,将微振动的机械能转变为黏附界面的黏附能,从而实时、连续、快速地改变黏附性能;该调控方法以低成本的方式实现了黏附界面黏附强度的调控,利用不同的激振参数,实现了黏附/脱附的快速切换和黏附界面间作用强度的快速无级调控。同时本发明调控方法可在十毫秒内完成一次黏附-脱附的切换,速度快效果好。
本发明的可控强度黏附装置调控方法还包括自清洁参数的整定和自清洁阶段步骤,在实现黏附界面间作用强度的快速调控基础上,还增加了自清洁功能,由于黏附单元的黏附性能在使用过程中会因污染存在而下降,因此本发明首先对黏附单元进行污化处理,模拟污染的黏附单元,之后将微振激励调节放大模块的振幅频率调节至脱附振幅和脱附频率,再以预设振幅为步进单位提升脱附振幅并采集污染状况,当污染消除时,黏附单元恢复黏附性能,将此时的振幅频率确定为自清洁振幅和自清洁频率;当黏附单元被污染时,调节微振激励调节放大模块使振幅频率为自清洁振幅和自清洁频率时,即进入黏附单元的自清洁过程,从而使黏附单元的黏附强度始终接近原有黏附水平。
附图说明
图1为本发明所述可控强度黏附装置的结构示意图;
图2为本发明所述可控强度黏附装置的调控方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白,以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解,以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式,并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
本发明可控强度黏附装置如图1所示,一种可控强度黏附装置,包括:
支撑件1,将微振激励发生模块2和黏附单元4进行刚性包络,为整个可控强度黏附装置提供刚性支撑和约束,其能够保护微振激励发生模块2和黏附单元4的外结构,还能防止二者发生大幅度的切向相对位移和减小二者界面间的切向力;
黏附单元4,设置在支撑件1一端,且黏附单元4远离支撑件1的一端与黏附界面相接触;本实施例中黏附单元采用聚二甲基硅氧烷(PDMS),可以通过改变PDMS的杨氏模量来调节黏附强度的峰值大小,以满足本发明的使用需求;
微振激励发生模块2,设置在支撑件1与黏附单元4之间,微振激励发生模块2一端与支撑件1固结、另一端与黏附单元4固结,具体地,微振激励发生模块2是通过其振动表面与黏附单元4固定连接的,微振激励发生模块2驱动黏附单元4产生微振动;本实施例以扬声器振动为例,扬声器振动膜采用与黏附单元4相匹配的结合手段进行固定连接,使扬声器可对黏附单元进行激励振动,其振动能量来源是微振激励调节放大模块3,振动频率和振动幅度均受微振激励调节放大模块控制;
微振激励调节放大模块3,设置在支撑件内,其上设有接收外部信号的通信接口,微振激励调节放大模块与微振激励发生模块相连、调节微振激励发生模块的振动频率和振幅;微振激励调节放大模块还包括主控制板、DAC模块和多谐振荡电路,通信接口将调整振动频率和振幅的外部信号通讯输入至主控制板,主控制板发送数字信号给调节振幅的DAC模块,之后DAC模块发送模拟信号至调节振动频率的多谐振荡电路。本实施例中采用ATmega328p作为主控制芯片,CH340作为串口通讯芯片,结合DAC模块实现可调节的电压输出,从而实现振动幅度可调,在信号输出后端采用可调的多谐振荡电路,实现振动频率可调。
微振激励调节放大模块是与微振激励发生模块对应的信号及方法模块,根据不同微振动生成原理选取不同种类的驱动模块,例如针对电磁式微振激励发生模块(即本实施例中的扬声器振动)可采用对应音频发生器进行驱动,而对于电致动材料式微振激励发生模块则可采用可控强度的信号发生器进行驱动。
利用可控强度黏附装置进行的调控方法流程如图2所示,包括以下步骤:
测量在100~1000Hz频率范围和0~150μm振幅范围内对应的黏附强度,分别以50Hz和5μm为步进单位,测量上述范围内对应的黏附强度,将测得的数据输入深度神经网络对不同振幅频率下的黏附强度进行拟合,获得振幅频率与黏附强度相关的神经网络;
采用梯度下降法获得该神经网络的极大值和极小值,确定黏附强度的极大值为黏附状态点,并记录该点微振激励调节放大模块对应的振幅和频率,该振幅即为黏附振幅,该频率即为黏附频率;以相似的方法确定黏附强度的极小值为脱附状态点,并记录该点微振激励调节放大模块对应的振幅和频率,该振幅即为脱附振幅,该频率即为脱附频率;
本实施例可控强度黏附装置的使用过程分为三个阶段,即黏附准备阶段、黏附进行阶段和黏附失效阶段。首先进行黏附准备阶段,先控制微振激励调节放大模块将振幅调节为脱附振幅,频率调节为脱附频率,使黏附单元调节至黏附失效状态,将黏附单元紧贴于待黏附的物件表面,随后进行黏附进行阶段和黏附失效阶段;其中
黏附进行阶段:使用微振激励调节放大模块将振幅调节为黏附振幅,频率调节为黏附频率,即激活黏附单元的黏附状态,完成黏附单元与待黏附物件的黏附;
黏附失效阶段:使用微振激励调节放大模块将振幅调节为脱附振幅,频率调节为脱附频率,即激活黏附单元的脱附状态,完成黏附单元与待黏附物件的脱附。
另外,该调控方法还具有自清洁功能,其还包括自清洁参数的整定和自清洁阶段步骤,具体包括以下内容:
对黏附单元的黏附表面在工况现场进行污化处理,以模拟黏附表面遭到污染后的状态;
使用微振激励调节放大模块将振幅调节为脱附振幅,频率调节为脱附频率,之后每5秒以5μm作为步进单位提升脱附振幅并采用机器视觉记录当前污染情况,直至污染消除、黏附单元表面恢复黏附性能,记录当前的振幅为自清洁振幅,当前频率为自清洁频率;
当使用结束后或使用过程中出现黏附单元污染时,进入自清洁阶段:使用微振激励调节放大模块将振幅调节为自清洁振幅,频率调节为自清洁频率,激活黏附单元的自清洁状态,直至黏附单元黏附性能恢复为止。
另外,若黏附单元再使用过程中发生了损伤,则采用相同工艺制作的黏附单元直接更换受损的黏附单元,新旧黏附单元所采用的微振动频率和振幅基本一致,具有良好的可替换性。
本发明的可控强度黏附装置及其调控方法,解决了现有黏附失效困难以及黏附界面间强度无法调控的问题,利用不同的激振参数,有效实现黏附-脱附的快速切换,实现黏附强度无级快速调控,另外还通过自清洁振幅和自清洁频率可实现黏附材料的自清洁,使黏附单元的黏附表面遭到污染后,通过自清洁功能使黏附强度接近原有黏附水平。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,对于本技术领域的普通技术人员来说,在获知本发明中记载内容后,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对其作出若干同等变换和替代,这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种可控强度黏附装置,其特征在于,包括:
支撑件,为可控强度黏附装置提供支撑;
黏附单元,设置在支撑件一端,且黏附单元远离支撑件的一端与黏附界面相接触;
微振激励发生模块,设置在支撑件与黏附单元之间,微振激励发生模块一端与支撑件固结、另一端与黏附单元固结,微振激励发生模块驱动黏附单元产生微振动;
微振激励调节放大模块,设置在支撑件内,其上设有接收外部信号的通信接口,微振激励调节放大模块与微振激励发生模块相连、调节微振激励发生模块的振动频率和振幅。
2.根据权利要求1所述的可控强度黏附装置,其特征在于:微振激励调节放大模块还包括主控制板、DAC模块和多谐振荡电路,通信接口将调整振动频率和振幅的外部信号通讯输入至主控制板,主控制板发送数字信号给调节振幅的DAC模块,之后DAC模块发送模拟信号至调节振动频率的多谐振荡电路。
3.根据权利要求1所述的可控强度黏附装置,其特征在于:微振激励发生模块是通过其振动表面与黏附单元固定连接的。
4.一种可控强度黏附装置的调控方法,其特征在于,是利用权利要求1~3中任一项所述的可控强度黏附装置进行的,该方法包括以下步骤:
测量在指定的频率和振幅范围内对应的黏附强度,并获得振幅频率与黏附强度相关的神经网络;
获得神经网络的极大值和极小值,确定极大值为黏附状态点,记录黏附状态点对应的振幅为黏附振幅、频率为黏附频率;确定极小值为脱附状态点,记录脱附状态点对应的振幅为脱附振幅、频率为脱附频率;
将黏附单元紧贴于待黏附的物件表面后,进行黏附进行阶段和黏附失效阶段;
黏附进行阶段:使用微振激励调节放大模块将振幅调节为黏附振幅,频率调节为黏附频率,即激活黏附单元的黏附状态,完成黏附单元与待黏附物件的黏附;
黏附失效阶段:使用微振激励调节放大模块将振幅调节为脱附振幅,频率调节为脱附频率,即激活黏附单元的脱附状态,完成黏附单元与待黏附物件的脱附。
5.根据权利要求4所述的可控强度黏附装置的调控方法,其特征在于,还包括自清洁参数的整定和自清洁阶段步骤,包括以下步骤:
对黏附单元的黏附表面进行污化处理;
使用微振激励调节放大模块将振幅调节为脱附振幅,频率调节为脱附频率,之后按照预设时间和预设振幅值作为步进单位提升脱附振幅,同时采用机器视觉记录当前污染情况,直至污染消除、黏附单元表面恢复黏附性能,记录当前的振幅为自清洁振幅,当前频率为自清洁频率;
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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