真空吸取技术的发展趋势

发布时间:2020-03-18 来源:南京理工大学机械工程学院

  1、仿生吸盘

  由于常规吸盘多针对特定的工件要求,多适用于平整光滑的平面,适应的工件形状种类少。为了适应多种工件的夹持需求,基于海洋软体生物灵感,国内外学者对仿生吸盘进行了研究。

  Frank W. Grasso等分析了章鱼吸盘的特点,并指出制造的人工吸盘必须满足三个功能:

  人工吸盘必须满足三个功能

  ①具有漏斗状结构提供表面密封以适应任意几何表面;

  ②具备人工吸盘结构可以产生吸着所需负压力;

  ③外部肌肉使得被吸着的表面能随机械臂自由旋转。

  周利坤等用仿生学原理和真空吸附原理,以三种仿生凹形漏斗吸盘结构模型为基础,结合章鱼吸盘平行或并列规则布局的特点,通过力学分析发现,胎面吸盘式花纹绝大部分与冰面发生有效吸附,可确保提供足够的吸附力,提高汽车在冰面上的防滑能力。

  但是,因为章鱼吸盘的肌肉组织数目庞大、紧密填满,并具有三维结构特征,人工加工难度较大。美国科学家用复合材料3D打印技术制作人工吸盘样品,每个吸盘只有指甲盖大小(图4),并使用这样的吸盘在陆地上进行了吸着实验。科学家们预测,这样的吸盘在水下使用时,性能可能进一步提升,因为水压能提供更大的压力。

  对于机器人的执行末端,制造像章鱼吸盘那样的人造装置,需要制作大量的如章鱼组织的人工肌肉单元,技术难度较高,也需要较高的加工成本。为了找到更易实现的结构,Jingping Hou等研究了鱿鱼吸盘的仿生结构特性,并以此为基础设计并制作了人工鱿鱼吸盘(图5),可用于软体机器人末端执行器。

真空吸取技术的发展趋势

  随着气动技术、生物技术和材料技术的融合,仿生真空吸取技术方兴未艾,这类新兴的仿生吸盘,使用人工弹性材料,模拟海洋软体生物变形和吸着。与常规吸盘相比,仿生吸盘能耗更少,适应性更强,有着良好的发展前景。

  2、吸盘变形产生真空度

  改变吸着容积,从而改变吸着腔压力的方法是另一种真空吸取力产生方法。弹性体材料围成一个密闭容腔,弹性体材料变形,使吸盘内腔室容积改变,以产生负压。胡冰山等设计了带偏置弹簧的偏动式SMA弹簧驱动器驱动仿生负压吸盘(图6),建立了该吸盘的理论模型,并通过实验验证了理论模型,吸盘内的负压可达约12kPa,且能耗更少。

真空吸取技术的发展趋势

  3、吸盘材料优化

  除了负压抽吸、改变吸着容积等方法获得一定的真空度,吸盘的材料性质和吸着面的微结构也会对吸着效果产生一定的影响。

  Follador等采用绝缘弹性材料来模拟肌肉柱状纤维束结构,以形成紧密的吸着和密封。Tramacere等比较了吸着面的微小褶皱构造对吸着效果的影响,在水下静态吸着实验中(图7),液体的种类及杂质、水温、吸盘吸着面的材质特性都会影响吸着效果。根据章鱼吸盘的解剖结构,除了依靠顶端的空腔和柔软的侧边来制造压力(差)来形成密闭的真空以外,小吸盘材料也有特别之处。基于显微镜和显微CT(微计算机断层扫描技术)的观察结果,吸盘的侧面和边缘生长着细小的同轴排列的纤维丛,有助于在水底凹凸不平的表面上制造密闭真空。

真空吸取技术的发展趋势

  结语

  随着研究的深入和技术的进步,合理利用新技术和新方法,能优化吸盘结构、增强吸取效果,推动接触式真空吸取技术朝着多工况适应、多形状夹持、高效节能等方向发展。

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