CN219201323U - 一种用于黏附材料的黏附特性试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于黏附材料的黏附特性试验装置，涉及测量装置技术领域，包括底座、测试面板、用于测量获取测试面板空间受力的三维力传感器，线性执行器提供一个直线滑动副，机械臂的前端与线性执行器的滑动部安装固定，末端安装固定有自适应安装板。本实用新型的机械臂能以黏附材料的实际应用场景为依据，通过机械臂模拟性地按设定的运动轨迹和速度驱动黏附材料与测试面板接触、粘附，及通过加载结构模拟性地复刻黏附材料的受力情况，大大提高了黏附特性试验的试验条件与实际应用场景的贴合程度，能更准确、有效地反应黏附材料在实际应用中的黏附性能，使黏附特性试验得到的试验结果具备实际指导性。

Description

一种用于黏附材料的黏附特性试验装置

技术领域

本实用新型涉及力测量装置技术领域，具体涉及一种用于测量黏附力的装置及方法。

背景技术

黏附材料是一种广泛应用于日常生活和工业领域的材料，如可重复使用的胶带、具有黏附材料的工业夹持器和爬壁机器人，均应用有黏附材料。以测试的方式获取黏附材料黏附力等力学性能，是指导和实现黏附材料实际应用必不可少的过程。

通过现有技术检索，存在以下已知的技术方案用于评估黏附材料的力学性能：

现有技术1：

申请号：CN202121062465.1，申请日：2021.05.18，公开(公告)日：2021.12.14，该现有技术涉及力测量装置技术领域，尤其是涉及一种黏液湿粘附力和摩擦力测量装置，在保证精度的同时可以测出竖直黏附力及水平摩擦力。本实用新型提供的测量装置，包括：底板，竖直固定台，所述竖直固定台固定连接于所述底板的一侧；水平支板，所述水平支板固定连接于所述底板的上表面，其两侧形成有水平滑槽；水平滑板，所述水平滑板滑动连接于所述水平滑槽；测力平台固定连接于所述水平滑板上靠近所述竖直固定台的一侧；第一传动机构传动连接于所述水平滑板上；竖直支板，所述竖直支板固定连接于所述竖直固定台的内侧面，其两侧形成有竖直滑槽；竖直滑板，所述竖直滑板滑动连接于所述竖直滑槽；第二传感机构传动连接于所述竖直滑板上。

该现有技术能够通过施加位移测量生物黏液在竖直方向上的黏附力以及水平摩擦力

现有技术2：一种仿生爪刺片平面力的测量装置

申请号：CN202210858259.4，申请日：2022.07.20，公开(公告)日：2022.09.16，该现有技术涉及空间探测技术领域，特别涉及一种仿生爪刺片平面力的测量装置。该装置包括型材主架、二维移动平台、待测仿生爪刺片、横向拉力传感器及纵向拉力传感器，其中二维移动平台设置于型材主架上，二维移动平台具有沿横向和竖直方向移动的自由度；纵向拉力传感器设置于二维移动平台上，横向拉力传感器与纵向拉力传感器垂直连接，待测仿生爪刺片与横向拉力传感器连接；当待测仿生爪刺片抓附待测表面时，横向拉力传感器测量横向拉力，纵向拉力传感器测量竖直法向拉力。本实用新型能准确测量仿生爪刺片竖直平面力的大小，测试精度高，操作简便，采集数据准确有效。

该现有技术通过两个移动平台能够测量仿生爪刺片上的横向拉力以及竖直法向拉力。

现有技术3：

美国加州大学圣巴巴拉分校设计了用于测量仿壁虎黏附材料附着力和摩擦力的试验装置，同样是通过位移控制拖拽吸附在表面的黏附材料，测量出附着力和摩擦力。

现有技术4：

美国斯坦福大学设计了一种用于测量微型爪刺切向力的试验装置。该设备通过切向拖拽微型爪刺能够测量表面受到的切向力。

然而在一些实际应用中，如具有黏附材料的工业夹持器，需要在三维空间内以一定速度和方向接触物体并进行抓取；又如爬壁机器人在攀爬过程中，足末端的黏附材料会以一定轨迹和速度与墙面接触和脱附，并在切向方向上受到恒定的机器人的重力作用。尽管以上这些测量装置在一定程度上测量得出了黏附材料的力学性能，但无法模拟黏附材料在空间中实际的运动轨迹和受力情况，导致其测量获得的黏附材料力学性能并不能与实际应用情况相匹配，无法较好地评估黏附材料在实际应用中的性能表现，也无法较好地指导黏附材料的实际应用。

通过以上的检索发现，以上技术方案没有影响本实用新型的新颖性；并且以上现有技术的相互组合没有破坏本实用新型的创造性。

实用新型内容

本实用新型正是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种用于黏附材料的黏附特性试验装置。

本实用新型为解决技术问题采用如下技术方案：

一种用于黏附材料的黏附特性试验装置，包括作为机架的底座及位于所述底座上方的测试面板，所述底座和测试面板之间设有三维力传感器，所述三维力传感器安装固定至底座上，其敏感元件与测试面板安装连接，用于测量获取所述测试面板的空间受力；

还包括线性执行器、机械臂、加载结构和自适应结构；

所述线性执行器安装固定于测试面板侧方，提供有一个直线滑动副；所述机械臂的前端与线性执行器的滑动部安装固定，末端安装固定有自适应安装板；

所述加载结构输出恒定力，其输出端作用于线性执行器的滑动部，使所述滑动部产生沿直线滑动副滑动的运动趋势；所述机械臂的末端可相对于前端作空间内设定轨迹的运动，所述自适应安装板提供有空间内被动三向转动的欠驱动自由度。

进一步的，所述自适应安装板包括由上至下依次设置的安装转接件、固定上板和样品安装板；

所述安装转接件与机械臂的末端安装固定，其上沿竖向贯通固设固定轴；弹性橡胶块位于固定轴与固定上板之间，其顶端和底端分别与所述固定轴的底端及固定上板的顶面连接固定，使所述固定上板和样品安装板整体可做转轴沿竖直向的被动转动；

万向节安装连接于所述固定上板和样品安装板之间，使所述固定上板和样品安装板可做转轴位于水平面内的被动二向相对转动；至少三个自适应弹簧周向均布设于所述固定上板和样品安装板之间，所述自适应弹簧的顶端和底端分别与固定上板和样品安装板安装固定。

进一步的，所述机械臂包括由其前端至后端依次设置的大臂连接件、大臂、小臂连接件和小臂；

所述大臂连接件的前端通过上下摆舵机与线性执行器的滑动部安装连接，所述大臂连接件与线性执行器的滑动部间形成供大臂连接件上摆或下摆的转动副；所述大臂的前端通过大臂前后摆舵机与大臂连接件的末端安装连接，所述大臂与大臂连接件的末端间形成供大臂前摆或后摆的转动副；所述小臂连接件的末端安装固定有小臂，前端通过小臂前后摆舵机与大臂的末端安装连接，所述小臂连接件与大臂的末端间形成供小臂连接件和小臂整体前摆或后摆的转动副。

进一步的，所述加载结构包括滚轮安装座、滚轮、绳和砝码，所述滚轮通过滚轮安装座转动安装至底座上，其上张紧绕所述绳；所述绳的前端作为加载结构的输出端，与线性执行器的滑动部连接固定，所述绳的末端栓接悬挂于底座外的砝码。

进一步的，所述滚轮的外缘开设有用于对绳进行限位的环形限位槽。

进一步的，所述线性执行器包括直线导轨和滑块，所述直线导轨安装固定至底座上，所述滑块作为线性执行器的滑动部，与所述直线导轨滑动配合连接。

进一步的，所述线性执行器还包括一对对立设置的导轨安装座，所述直线导轨通过该对对称设于其两端的导轨安装座安装固定至底座上。

进一步的，所述滑块上还设有用于安装固定机械臂的机械臂安装板。

进一步的，所述三维力传感器通过传感器固定座安装固定至底座上。

本实用新型提供了一种用于黏附材料的黏附特性试验装置，具有以下有益效果：

1、本实用新型的机械臂能以黏附材料的实际应用场景为依据，通过机械臂模拟性地按设定的运动轨迹和速度驱动黏附材料与测试面板接触、粘附，及通过加载结构模拟性地复刻黏附材料的受力情况，大大提高了黏附特性试验的试验条件与实际应用场景的贴合程度，能更准确、有效地反应黏附材料在实际应用中的黏附性能，使黏附特性试验得到的试验结果具备实际指导性；

2、本实用新型利用作用力和反作用力原理，通过三维力传感器测量测试面板的受力获取黏附材料的切向接触力F_t、横向接触力F_l和法向接触力F_t，整个试验过程能获取指定试验条件下包括初始接触力和极限粘附力在内的黏附力极限曲线，能够全面、准确地表现黏附材料的动态粘附特性；

3、本实用新型获取的黏附材料力学特性精度高、贴合性好，具有良好的实用性，能较好地满足实际研究的需要。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型线性执行器和加载结构的结构示意图；

图3为本实用新型三自由度机械臂的结构示意图；

图4为本实用新型自适应安装板的结构示意图；

图5为本实用新型测试过程的示意图。

图中：

1、底座；2、线性执行器，21、导轨安装座，22、直线导轨，23、机械臂安装板，24、滑块；3、机械臂，31、上下摆舵机，32、大臂连接件，33、大臂前后摆舵机，34、大臂，35、小臂前后摆舵机，36、小臂连接件，37、小臂；4、自适应安装板，41、安装转接件，42、固定上板，43、样品安装板，44、万向节，45、固定轴，46、弹性橡胶块，47、自适应弹簧；5、测试面板；6、三维力传感器；7、传感器固定座；8、加载结构，81、滚轮安装座，82、滚轮，83、绳，84、砝码。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1～图4所示，其结构关系为：包括作为机架的底座1及位于底座1上方的测试面板5，底座1和测试面板5之间设有三维力传感器6，三维力传感器6安装固定至底座1上，其敏感元件与测试面板5安装连接，用于测量获取测试面板5的空间受力；

还包括线性执行器2、机械臂3、加载结构8和自适应结构9；

线性执行器2安装固定于测试面板5侧方，提供有一个直线滑动副；机械臂3的前端与线性执行器2的滑动部安装固定，末端安装固定有自适应安装板4；

加载结构8输出恒定力，其输出端作用于线性执行器2的滑动部，使滑动部产生沿直线滑动副滑动的运动趋势；机械臂3的末端可相对于前端作空间内设定轨迹的运动，自适应安装板4提供有空间内被动三向转动的欠驱动自由度。

优选的，自适应安装板4包括由上至下依次设置的安装转接件41、固定上板42和样品安装板43；

安装转接件41与机械臂3的末端安装固定，其上沿竖向贯通固设固定轴45；弹性橡胶块46位于固定轴45与固定上板42之间，其顶端和底端分别与固定轴45的底端及固定上板42的顶面连接固定，使固定上板42和样品安装板43整体可做转轴沿竖直向的被动转动；

万向节44安装连接于固定上板42和样品安装板43之间，使固定上板42和样品安装板43可做转轴位于水平面内的被动二向相对转动；至少三个自适应弹簧47周向均布设于固定上板42和样品安装板43之间，自适应弹簧47的顶端和底端分别与固定上板42和样品安装板43安装固定；

实际设置时，自适应弹簧47的数量设置为四个，且四个自适应弹簧47分别设置于固定上板42四周位置为佳。

优选的，机械臂3包括由其前端至后端依次设置的大臂连接件32、大臂34、小臂连接件36和小臂37；

大臂连接件32的前端通过上下摆舵机31与线性执行器2的滑动部安装连接，大臂连接件32与线性执行器2的滑动部间形成供大臂连接件32上摆或下摆的转动副；大臂34的前端通过大臂前后摆舵机33与大臂连接件32的末端安装连接，大臂34与大臂连接件32的末端间形成供大臂34前摆或后摆的转动副；小臂连接件36的末端安装固定有小臂37，前端通过小臂前后摆舵机35与大臂34的末端安装连接，小臂连接件36与大臂34的末端间形成供小臂连接件36和小臂37整体前摆或后摆的转动副。

优选的，加载结构8包括滚轮安装座81、滚轮82、绳83和砝码84，滚轮82通过滚轮安装座81转动安装至底座1上，其上张紧绕绳83；绳83的前端作为加载结构8的输出端，与线性执行器2的滑动部连接固定，绳83的末端栓接悬挂于底座1外的砝码84；

砝码84利用自身重力提供恒定的作用力，其重力经绳83传递，作用至线性执行器2的滑动部上，使线性执行器2的滑动部产生沿直线滑动副滑动的运动趋势；

滚轮82用于改变绳83上传递的力的方向，避免绳83直接与底座1间摩擦导致的摩擦力过大及绳83磨损，同时改变了砝码84的位置，于砝码84的上方形成了供砝码84上移的空间，避免砝码84与底座1发生运动干涉，确保加载结构8能稳定地输出作用于滑动部上的恒定力。

优选的，滚轮82的外缘开设有用于对绳83进行限位的环形限位槽。

优选的，线性执行器2包括直线导轨22和滑块24，直线导轨22安装固定至底座1上，滑块24作为线性执行器2的滑动部，与直线导轨22滑动配合连接，两者间行程沿直线导轨22的直线滑动副。

优选的，线性执行器2还包括一对对立设置的导轨安装座21，直线导轨22通过该对对称设于其两端的导轨安装座21安装固定至底座1上。

优选的，滑块24上还设有用于安装固定机械臂3的机械臂安装板23。

优选的，三维力传感器6通过传感器固定座7安装固定至底座1上。

如图5所示，分别平行于上下摆动的转轴和前后摆动的转轴作相交于O点的x轴和z轴，并取过O点与x轴和z轴均垂直的直线为y轴，建立直角坐标系：

使用上述试验装置进行黏附材料黏附特性的试验，包括以下步骤：

第一步，将待测的黏附材料安装至样品安装板43底部；

第二步，以直线导轨22靠近砝码84的一端为直线导轨22的前端，远离砝码84的一端为直线导轨22的末端，将滑块24锁定于直线导轨22的前端，于绳83的末端栓接砝码84；砝码84的重量可根据试验的需要相应设定；

第三步，根据试验需要，控制机械臂3按设定的空间运动轨迹和速度带动黏附材料运动，至黏附材料与测试面板5接触；

第四步，黏附材料与测试面板5接触后，机械臂3按设定的空间运动轨迹和速度继续带动黏附材料运动；

与此同时，固定上板42和样品安装板43整体利用弹性橡胶块46的弹力提供的转动自由度，作消解内应力的适应性偏航转动；样品安装板43在机械臂3的驱动作用下，克服自适应弹簧47的弹力，利用万向节44提供的二向转动自由度，相对于固定上板42作适应性地二向转动，直至黏附材料的底面与测试面板5完整贴合粘附；

第五步，三维力传感器6测量获取此时测试面板5与黏附材料间的接触力作为初始接触力，包括平行于上摆、下摆运动的转轴的切向接触力F_t0、平行于前摆、后摆运动的转轴的法向接触力F_n0，以及与切向接触力F_t0和法向接触力F_n0均垂直的横向接触力F_l0；

第六步，黏附材料利用自身与测试面板5间的粘附力，在其与测试面板5脱附前固定机械臂3的末端；

解除滑块24与直线导轨22的相对锁定，控制机械臂3按设定的运动输出动力，使自身前端驱动滑块24由直线导轨22的前端开始沿直线导轨22滑动，且三维力传感器6实时测量获取该过程中在砝码84重力提供的恒定力作用下测试面板5与黏附材料间的接触力变化曲线；

情况一，若黏附材料与测试面板5在滑块24滑动至直线导轨22末端前脱附，则根据接触力变化曲线分析获得该黏附材料在本次试验条件下包括未脱附过程中的接触力变化趋势、脱附过程中的接触力变化趋势以及脱附时的极限接触力的黏附特性；

此时，可改变机械臂3的运动轨迹、机械臂3的运动速度、测试面板5的粘附系数和砝码84的重量中的一个或几个参数再次进行第二步～第六步的试验过程，以获取不同试验条件下该黏附材料的粘附特性；

情况二，若黏附材料与测试面板5在滑块24滑动至直线导轨22末端时尚未脱附，则根据接触力变化曲线分析获得该黏附材料在本次试验条件下未脱附过程中的接触力变化趋势，然后降低测试面板5的粘附系数和/或增加砝码84的重量，再次进行第二步～第六步的试验，直至黏附材料与测试面板5在滑块24滑动至直线导轨22末端前脱附；

上述过程中获得的未脱附过程中的接触力变化趋势、脱附过程中的接触力变化趋势中的每个接触力均包括有该接触力对应的切向接触力F_t、法向接触力F_n及横向接触力F_l；脱附时的极限接触力包括有切向极限接触力F_tt、法向极限接触力F_nt及横向极限接触力F_lt；

实际试验时，测试面板5粘附系数的改变可通过改变其上表面的粗糙度、粘附性等相关参数实现，改变的方式可以为增加或改变测试面板5顶部的贴片、更换测试面板5或其他任何能够实现测试面板5上表面粘附系数变化的方式；

第六步的试验过程可根据实际需要简化，如当只需对某个粘附材料在某种试验条件下的粘附特性进行试验，而无需获得其极限接触力及不同试验条件下的粘附力特性时，则只进行一次第六步中情况一下的试验即可。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于黏附材料的黏附特性试验装置，包括作为机架的底座（1）及位于所述底座（1）上方的测试面板（5），其特征在于：所述底座（1）和测试面板（5）之间设有三维力传感器（6），所述三维力传感器（6）安装固定至底座（1）上，其敏感元件与测试面板（5）安装连接，用于测量获取所述测试面板（5）的空间受力；

还包括线性执行器（2）、机械臂（3）、加载结构（8）和自适应结构（9）；

所述线性执行器（2）安装固定于测试面板（5）侧方，提供有一个直线滑动副；所述机械臂（3）的前端与线性执行器（2）的滑动部安装固定，末端安装固定有自适应安装板（4）；

所述加载结构（8）输出恒定力，其输出端作用于线性执行器（2）的滑动部，使所述滑动部产生沿直线滑动副滑动的运动趋势；所述机械臂（3）的末端可相对于前端作空间内设定轨迹的运动，所述自适应安装板（4）提供有空间内被动三向转动的欠驱动自由度。

2.根据权利要求1所述的一种用于黏附材料的黏附特性试验装置，其特征在于：所述自适应安装板（4）包括由上至下依次设置的安装转接件（41）、固定上板（42）和样品安装板（43）；

所述安装转接件（41）与机械臂（3）的末端安装固定，其上沿竖向贯通固设固定轴（45）；弹性橡胶块（46）位于固定轴（45）与固定上板（42）之间，其顶端和底端分别与所述固定轴（45）的底端及固定上板（42）的顶面连接固定，使所述固定上板（42）和样品安装板（43）整体可做转轴沿竖直向的被动转动；

万向节（44）安装连接于所述固定上板（42）和样品安装板（43）之间，使所述固定上板（42）和样品安装板（43）可做转轴位于水平面内的被动二向相对转动；至少三个自适应弹簧（47）周向均布设于所述固定上板（42）和样品安装板（43）之间，所述自适应弹簧（47）的顶端和底端分别与固定上板（42）和样品安装板（43）安装固定。

3.根据权利要求2所述的一种用于黏附材料的黏附特性试验装置，其特征在于：所述机械臂（3）包括由其前端至后端依次设置的大臂连接件（32）、大臂（34）、小臂连接件（36）和小臂（37）；

所述大臂连接件（32）的前端通过上下摆舵机（31）与线性执行器（2）的滑动部安装连接，所述大臂连接件（32）与线性执行器（2）的滑动部间形成供大臂连接件（32）上摆或下摆的转动副；所述大臂（34）的前端通过大臂前后摆舵机（33）与大臂连接件（32）的末端安装连接，所述大臂（34）与大臂连接件（32）的末端间形成供大臂（34）前摆或后摆的转动副；所述小臂连接件（36）的末端安装固定有小臂（37），前端通过小臂前后摆舵机（35）与大臂（34）的末端安装连接，所述小臂连接件（36）与大臂（34）的末端间形成供小臂连接件（36）和小臂（37）整体前摆或后摆的转动副。

4.根据权利要求3所述的一种用于黏附材料的黏附特性试验装置，其特征在于：所述加载结构（8）包括滚轮安装座（81）、滚轮（82）、绳（83）和砝码（84），所述滚轮（82）通过滚轮安装座（81）转动安装至底座（1）上，其上张紧绕所述绳（83）；所述绳（83）的前端作为加载结构（8）的输出端，与线性执行器（2）的滑动部连接固定，所述绳（83）的末端栓接悬挂于底座（1）外的砝码（84）。

5.根据权利要求4所述的一种用于黏附材料的黏附特性试验装置，其特征在于：所述滚轮（82）的外缘开设有用于对绳（83）进行限位的环形限位槽。

6.根据权利要求4所述的一种用于黏附材料的黏附特性试验装置，其特征在于：所述线性执行器（2）包括直线导轨（22）和滑块（24），所述直线导轨（22）安装固定至底座（1）上，所述滑块（24）作为线性执行器（2）的滑动部，与所述直线导轨（22）滑动配合连接。

7.根据权利要求6所述的一种用于黏附材料的黏附特性试验装置，其特征在于：所述线性执行器（2）还包括一对对立设置的导轨安装座（21），所述直线导轨（22）通过该对对称设于其两端的导轨安装座（21）安装固定至底座（1）上。

8.根据权利要求6所述的一种用于黏附材料的黏附特性试验装置，其特征在于：所述滑块（24）上还设有用于安装固定机械臂（3）的机械臂安装板（23）。

9.根据权利要求1~8中任一项所述的一种用于黏附材料的黏附特性试验装置，其特征在于：所述三维力传感器（6）通过传感器固定座（7）安装固定至底座（1）上。

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