CN113911893A - 一种可控式水下粘合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于吸附结构技术领域，涉及一种可控式水下粘合装置，包括粘附吸盘和气泵调控系统，粘附吸盘和气泵调控系统通过软质导管连接，粘附吸盘能够实现和物体界面的水下接触和吸附，半径为4‑30mm，高度为1‑20mm，气泵调控系统通过吸气和充气控制粘附吸盘的内部压力，实现粘附吸盘的可控吸附和脱附，在水下使用时，先将粘附吸盘吸附在物体表面，然后，通过控制器同时打开充气/抽气泵和阀门，充气/抽气泵进行吸气，粘附吸盘内部出现负压，进而提高粘附吸盘的吸附强度；当充气/抽气泵向粘附吸盘内注入气体，粘附吸盘内部的负压消失，粘附吸盘从物体表面自主脱附；其结构简单，便于制作，能够在水下实现可控的粘附和脱附。

Description

一种可控式水下粘合装置
技术领域：
本发明属于吸附结构技术领域，涉及一种可控式水下粘合装置，具体为一种仿章鱼吸盘结构特征的，粘附与脱附通过气动控制的粘合装置，尤其适用于水下环境。
背景技术：
传统粘合材料主要依靠粘附结构与物体表面间的机械联锁或分子引力等手段实现粘附。但是，一旦遇到液体，往往会导致粘合强度下降，使用寿命缩短等问题，尤其在水环境中，传统粘合材料的使用效果更差。
章鱼是常见的海洋软体动物，具有八条腕足，每条腕足上均布满锥形吸盘，通过这些锥形吸盘，章鱼可以在水下任意抓取物体或吸附在物体表面。章鱼的吸盘结构大致由两部分组成，一部分是与抓握物体相接触的漏斗形器部分，另一部分是包埋于章鱼腕足里的椭球形中空结构的主吸盘器，主吸盘器通过吸盘口与漏斗形器相连，漏斗形器的材质非常柔软，使得章鱼的主吸盘器能够很柔顺地与不同粗糙材料表面形成紧密接触；同样重要的是漏斗形器表面有许多放射状分布的凹槽延伸至主吸盘器，其能够有效地将主吸盘器产生的负压传递到整个接触面，从而将接触面的面积最大化，提升吸附力。有研究表明，章鱼能够吸附起相当于其自身质量20倍的物体。
Changhyun Pang等人以多孔硅基底为模板，制备了具有章鱼仿生结构阵列的聚氨酯丙烯酸酯吸盘贴，在干燥甚至水下环境均能保持较好的吸力。孙智勇等人通过提取章鱼吸盘的关键形状参数，首先利用CAD软件建模，通过3D打印技术制备各种型式的吸盘模具，然后在吸盘模具基础中浇注硅橡胶、聚氨酯等软体材料，最后脱模制得了仿章鱼吸盘结构。通过上述方法制备得到的吸盘结构在水下均表现出了优异的可逆吸脱附性能，但是，往往需要借助外力才能实现，无法依靠材料自身实现可控的吸附和脱附。
目前，针对水下仿生粘附结构的自主可控吸脱附的报道较少。中国专利202010542920.1一种仿章鱼吸盘的磁控负压增强黏附装置，包括：黏附吸盘和调控电磁铁；其中所述黏附吸盘用于实现和接触面的柔性接触，以及智能控制黏附和脱附，黏附吸盘由黏附吸盘外垫、黏附吸盘内腔组成，所述黏附吸盘外垫和黏附吸盘内腔均采用柔性的磁响应材料，形状仿章鱼吸盘的设计制造而成，黏附吸盘外垫和黏附吸盘内腔在同一磁场下会受到完全相反的作用力，并产生相反的变形方向，利用磁响应材料的磁响应可控黏附和磁响应大变形特性，即在外部磁场环境下，磁响应材料本身的黏附性能可发生变化，同时可发生受力变形，产生类似章鱼吸盘的负压变化，用于实现快速黏附和脱附；所述黏附吸盘内腔嵌套在黏附吸盘外垫内，黏附吸盘外垫用于实现密闭腔环境和增加接触黏附力，黏附吸盘内腔用于产生负压吸附和减小脱附时的接触面积；所述调控电磁铁，用于通过电流调节磁场强度从而控制黏附吸盘的密闭腔的整体变形量，通过在不同的复杂环境下调节不同的磁场强度，驱动黏附吸盘产生不同大小的负压；其可控吸脱附机理与章鱼吸盘类似：通过控制磁场来驱动黏附吸盘内腔发生形变，产生类似章鱼吸盘的负压变化，在吸附时增强与接触面的黏附力，在脱离时加速剥离过程，同时调节黏附吸盘外垫与接触面的压力和黏附性能，保障负压腔的封闭效果，但是，吸盘结构与章鱼吸盘相差较大。
因此，依据章鱼吸盘结构和吸附原理，研发设计一种用于水下吸附的吸盘结构，结合气动控制方式实现粘合材料在水环境中自主吸附和脱附，具有积极的经济效益和社会价值。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种仿章鱼吸盘结构的可控式水下粘合装置，借助气动控制方式，实现水下环境中的自主吸附和脱附。
为了实现上述目的，本发明涉及的可控式水下粘合装置包括粘附吸盘和气泵调控系统，粘附吸盘和气泵调控系统通过软质导管连接；粘附吸盘能够实现和物体界面的水下接触和吸附，半径为4-30mm，高度为1-20mm，气泵调控系统通过吸气和充气控制粘附吸盘的内部压力，实现粘附吸盘的可控吸附和脱附。
本发明涉及的粘附吸盘的主体结构包括吸盘体、触角和凸起；吸盘体具有开口，开口处至少设置有两个向外延伸的触角，吸盘体的内部设置有凸起；气泵调控系统的主体结构包括充气/抽气泵、阀门、电源、电源线和控制器；充气/抽气泵通过导管与凸起连接，导管上设置有阀门，电源通过电源线分别与充气/抽气泵、阀门和控制器连接。
本发明涉及的吸盘体的内壁与水平底面的夹角为15-90°；触角与水平底面的夹角为0-30°，触角的底部边缘宽度为0.3-4mm；凸起为球体或椭球体，凸起的体积占吸盘体的空腔体积的0-0.9；阀门为电磁阀门；电源通过电源线向充气/抽气泵、阀门和控制器提供电能；控制器通过施加控制信号控制充气/抽气泵和阀门的工作状态。
本发明涉及的粘附吸盘的制备方法为：
首先，将聚氨酯橡胶弹性体、有机硅橡胶、丁腈橡胶和丁苯橡胶按照设定的质量比混合并搅匀；
然后，进行抽真空至无气泡，浇注到嵌入分体式模具中，将直径为0.5-2mm的导管插入凸起的位置并固定，再次抽真空至无气泡；
所述嵌入分体式模具通过3D打印技术制得，长度为20-500mm，宽度为20-500mm，高度为5-20mm，分为上模和下模两个部分，上模和下模之间的空隙为粘附吸盘的结构，上模的主体为圆柱体状，内部结构与粘附吸盘的外部轮廓尺寸匹配，下模的内部结构与粘附吸盘的内部轮廓尺寸匹配，下模的底部表面分布有圆环状凹槽，凹槽的宽度和深度均为0.3-2mm，使上模的底部能够插入下模中或与之贴合，其中，上模包括浇注平板部分和结构阵列部分，浇注平板部分包含与粘附吸盘反结构对应的圆孔和四周的外壁，浇注平板部分的厚度为1-5mm，外壁的厚度为3-5mm；
最后，在常温条件下静置固化12-24小时，脱模，得到与导管连接的粘附吸盘。
本发明涉及的可控式水下粘合装置在水下使用时，先将粘附吸盘吸附在物体表面，然后，通过控制器同时打开充气/抽气泵和阀门，充气/抽气泵进行吸气，粘附吸盘内部出现负压，进而提高粘附吸盘的吸附强度；当充气/抽气泵向粘附吸盘内注入气体，粘附吸盘内部的负压消失，粘附吸盘从物体表面自主脱附；其中，粘附吸盘能够单独使用或多个阵列式排布成线条形、圆形、矩形以及其它不规则形状后使用。
本发明与现有技术相比，由柔性材料的吸盘体、触角和凸起组成的粘附吸盘仿章鱼吸盘结构设计，并通过嵌入分体式模具一体浇注制成制造而成，在粘附吸盘的浇注过程中，将导管插入凸起部位，并随粘附吸盘一起固化成型，然后将导管与气泵调控系统连接，在水下使用时，通过施加一定的力，将粘附吸盘吸附在物体表面，通过抽气提供负压以加强粘附吸盘的吸附强度，通过充气使负压消失，粘附吸盘即刻自主脱附物体表面；其结构简单，便于制作，能够在水下实现可控的粘附和脱附，且吸附强度高，吸附持续时间长。
附图说明：
图1为本发明的主体结构原理示意图。
图2为本发明涉及的嵌入分体式模具的上模结构示意图。
图3为本发明涉及的嵌入分体式模具的下模结构示意图。
图4为本发明涉及的线条形粘附吸盘阵列的结构示意图。
图5为本发明涉及的矩形粘附吸盘阵列的结构示意图。
图6为本发明涉及的圆形粘附吸盘阵列的结构示意图。
图7为本发明实施例1涉及的粘附吸盘的结构示意图。
图8为本发明实施例1的使用状态示意图。
图9为本发明实施例2涉及的粘附吸盘的结构示意图。
图10为本发明实施例3涉及的粘附吸盘的结构示意图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1：
本实施例涉及的可控式水下粘合装置具有仿章鱼吸盘结构特征的由气动控制的水下可逆粘合结构，主体结构包括吸盘体1、触角2、凸起3、充气/抽气泵5、阀门6、电源7、电源线8和控制器9；椭圆形结构的吸盘体1具有开口，开口处设置有两个向外延伸的触角2，吸盘体1的内部空腔设置有椭圆形或圆形结构的凸起3，导管4将凸起3与充气/抽气泵5连接，导管4上设置有控制其通断的阀门6，电源7通过电源线8分别与充气/抽气泵5、阀门6和控制器9连接。
本实施例涉及的吸盘体1、触角2和凸起3采用柔性材料通过嵌入分体式模具一体浇注制成，浇注过程中，将导管4从模具上方插入凸起3的部位，随吸盘体1、触角2和凸起3一起固化成型；嵌入分体式模具的上模的长度、宽度和高度分别为59mm、59mm和16.07mm，其中，浇筑平板部分的厚度为3mm，外壁的高度为5mm，厚度为4.5mm；下模的长度、宽度和高度分别为60mm、60mm和11.27mm，外壁的厚度为4.5mm，凹槽的宽度和深度均为1mm；吸盘体1和凸起3均为椭球体，吸盘体1的截面尺寸中：长半轴为3mm，短半轴为2mm；凸起3的截面尺寸中：长半轴为1.5mm，短半轴为0.9mm；触角2所在的圆的半径为5.02mm，触角2的底部与水平底面的夹角为15°。
本实施例涉及的可控式水下粘合装置使用时，四个粘附吸盘排布成线条形粘附吸盘阵列10，每个粘附吸盘均通过设置有阀门6的导管4与充气/抽气泵5连接；首先，施加一定的外力，使粘附吸盘阵列10与物体接触面100之间形成密闭空间；然后，通过控制器9同时开启充气/抽气泵5和阀门6，充气/抽气泵5吸气以提高密闭空间的负压，使粘附吸盘阵列10与物体接触面100之间的粘附力增大；最后，充气/抽气泵5充气，密闭空间的负压消失，粘附吸盘阵列10自动脱附物体接触面100；此外，同时控制多个粘附吸盘的吸附或脱附，能够实现复杂的水下搬运动作，例如：关闭第一个和第二个粘附吸盘的阀门6，同时开启充气/抽气泵5以及第三个和第四个粘附吸盘的阀门6，将第三个和第四个粘附吸盘与物体接触面100分离，第一个和第二个粘附吸盘仍然吸附在物体接触面100上。
实施例2：
本实施例涉及的可控式水下粘合装置的主体结构与实施例1相同，不同之处在于触角2所在的圆的半径为4.55mm，触角2的底部与水平底面的夹角为28°。
实施例3：
本实施例涉及的可控式水下粘合装置的主体结构与实施例1相同，不同之处在于触角2所在的圆的半径为5.27mm，触角2的底部与水平底面的夹角为7°。

Claims (10)

1.一种可控式水下粘合装置，其特征在于，包括粘附吸盘和气泵调控系统，粘附吸盘和气泵调控系统通过软质导管连接；粘附吸盘能够实现和物体界面的水下接触和吸附，气泵调控系统能够实现粘附吸盘的可控吸附和脱附。
2.根据权利要求1所述的可控式水下粘合装置，其特征在于，粘附吸盘的半径为4-30mm，高度为1-20mm。
3.根据权利要求1或2所述的可控式水下粘合装置，其特征在于，粘附吸盘的主体结构包括吸盘体、触角和凸起；吸盘体具有开口，开口处至少设置有两个向外延伸的触角，吸盘体的内部设置有凸起。
4.根据权利要求3所述的可控式水下粘合装置，其特征在于，气泵调控系统的主体结构包括充气/抽气泵、阀门、电源、电源线和控制器；充气/抽气泵通过导管与凸起连接，导管上设置有阀门，电源通过电源线分别与充气/抽气泵、阀门和控制器连接。
5.根据权利要求4所述的可控式水下粘合装置，其特征在于，触角的底部边缘宽度为0.3-4mm；凸起为球体或椭球体；阀门为电磁阀门；电源7通过电源线向充气/抽气泵、阀门和控制器提供电能；控制器通过施加控制信号控制充气/抽气泵和阀门的工作状态。
6.根据权利要求3或5所述的可控式水下粘合装置，其特征在于，粘附吸盘能够单独使用或多个阵列式排布成线条形、圆形、矩形以及其它不规则形状后使用。
7.根据权利要求3或5所述的可控式水下粘合装置，其特征在于，粘附吸盘的制备方法为：
首先，将聚氨酯橡胶弹性体、有机硅橡胶、丁腈橡胶和丁苯橡胶按照设定的质量比混合并搅匀；
然后，进行抽真空至无气泡，浇注到嵌入分体式模具中，将直径为0.5-2mm的导管插入凸起的位置并固定，再次抽真空至无气泡；
最后，在常温条件下静置固化12-24小时，脱模，得到与导管连接的粘附吸盘。
8.根据权利要求6所述的可控式水下粘合装置，其特征在于，同时控制多个粘附吸盘的吸附或脱附，能够实现复杂的水下搬运动作。
9.根据权利要求6所述的可控式水下粘合装置，其特征在于，在水下使用时，先将粘附吸盘吸附在物体表面，然后，通过控制器同时打开充气/抽气泵和阀门，充气/抽气泵进行吸气，粘附吸盘内部出现负压，进而提高粘附吸盘的吸附强度；当充气/抽气泵向粘附吸盘内注入气体，粘附吸盘内部的负压消失，粘附吸盘从物体表面自主脱附。
10.根据权利要求7所述的可控式水下粘合装置，其特征在于，嵌入分体式模具通过3D打印技术制得，长度为20-500mm，宽度为20-500mm，高度为5-20mm，分为上模和下模两个部分，上模和下模之间的空隙为粘附吸盘的结构，上模的主体为圆柱体状，内部结构与粘附吸盘的外部轮廓尺寸匹配，下模的内部结构与粘附吸盘的内部轮廓尺寸匹配，下模的底部表面分布有圆环状凹槽，凹槽的宽度和深度均为0.3-2mm，使上模的底部能够插入下模中或与之贴合，其中，上模包括浇注平板部分和结构阵列部分，浇注平板部分包含与粘附吸盘反结构对应的圆孔和四周的外壁，浇注平板部分的厚度为1-5mm，外壁的厚度为3-5mm。
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