一種基于范德華力的微小型夾持裝置設(shè)計(jì)

摘? 要：在航天領(lǐng)域中，在軌捕獲對(duì)接技術(shù)是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。傳統(tǒng)的捕獲方式為剛性捕獲，控制方式復(fù)雜，在捕獲效率、可靠性上都存在一定的不足。因此，近年來(lái)對(duì)軟捕獲方式的研究越來(lái)越多。為了改善在軌捕獲對(duì)接效果，以范德華力作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出了一款微小型夾持裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明夾持裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃的黏附和卸載，并且效率較高。該裝置是一種軟捕獲裝置，有著較高的捕獲效率與可靠性。

關(guān)鍵詞：范德華力;夾持裝置;在軌捕獲對(duì)接技術(shù)

中圖分類號(hào)：TG315;TP241? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）05-0139-03

A Micro Clamping Device Based on Van Der Waals Force

LI Lin1，2

（1.Hefei CSG Smart Robot Technology Co.，Ltd.，Hefei? 230088，China;

2.CSG Smart Science & Technology Co.，Ltd.，Shanghai? 201601，China）

Abstract：In the field of aerospace，on orbit capture docking technology is an important research area. The traditional capture method is rigid，and the control method is complex. There are some shortcomings in the efficiency and reliability of capture. Therefore，in recent years，there are more and more researches on soft capture methods. In order to improve the docking effect of on orbit capture，a micro clamping device is designed based on van der Waals force. The experimental results show that the clamping device can achieve the adhesion and unloading of glass，and the efficiency is high. The device is a kind of soft capture mode，with high capture efficiency and reliability.

Keywords：van der Waals force;clamping device;on orbit capture docking technology

0? 引? 言

在軌捕獲對(duì)接技術(shù)是航天領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)方向之一，美國(guó)NASA、歐洲EASA和日本JAXA等機(jī)構(gòu)針對(duì)在軌對(duì)接技術(shù)開(kāi)展了大量的研究和在軌演示實(shí)驗(yàn)[1]。目前，在軌捕獲機(jī)構(gòu)是針對(duì)合作目標(biāo)，主要是機(jī)械臂機(jī)構(gòu)，為剛性捕獲方式[2-4]。在捕獲過(guò)程中需要目標(biāo)處于理想的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，依賴復(fù)雜的控制方式，同時(shí)目標(biāo)要有配合機(jī)械臂抓取的特征點(diǎn)，因此傳統(tǒng)的剛性捕獲方式面臨很大的挑戰(zhàn)?；诜兜氯A力的夾持裝置屬于軟捕獲方式，對(duì)目標(biāo)物體的形狀和狀態(tài)沒(méi)有特殊要求，不需要依靠復(fù)雜的控制算法，捕獲效率高，可靠性強(qiáng)，適用于對(duì)不同任務(wù)和目標(biāo)的捕獲需求，具有廣闊的應(yīng)用前景[5]。

本文針對(duì)基于范德華力的夾持裝置的空間應(yīng)用需求，在研究壁虎黏附脫附機(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種具有通用能力的剛?cè)狁詈橡じ矫摳絾卧?，從而?shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的夾持。

1? 夾持原理

1.1? 黏附模型

壁虎在黏附過(guò)程中，對(duì)角的腳掌內(nèi)收拉向身體質(zhì)心形成“Y形鎖合”，從而保證強(qiáng)黏附性，如圖1所示，定義對(duì)角的兩條腿上的力分別為F1和F2，夾角分別為α1和α2。根據(jù)受力平衡有：

在這里，F(xiàn)1和F2的最大值取決于黏附陣列在角度為α1和α2時(shí)可以提供的最大黏附力，F(xiàn)1，max=，F(xiàn)2，max= ，γ是剝離能。聯(lián)立式（1）和式（2），我們可以得到F的最大值：

當(dāng)F1或者F2達(dá)到臨界值，黏附失效，因此F的最大值應(yīng)當(dāng)取Fmax，1和Fmax，2的最小值，有：

1.2? 脫附模型

壁虎在脫附過(guò)程中，腳趾向內(nèi)卷曲形成“L形剝離”，從而保證易脫附性。Kendall模型考慮在剝落過(guò)程中的能量變化，認(rèn)為新表面的出現(xiàn)所產(chǎn)生的表面能項(xiàng)等于由于應(yīng)力帶來(lái)的勢(shì)能項(xiàng)和黏附材料在應(yīng)力方向伸展帶來(lái)的彈性項(xiàng)的和，有：

二次項(xiàng)? 為剝離強(qiáng)度，F(xiàn)是剝離力，b是黏附材料寬度，d是黏附材料的厚度，E是黏附材料的彈性模量，γ是剝離能。

Kendall模型考慮的黏附材料在拉伸過(guò)程中的能量變化情況。而在實(shí)際剝離過(guò)程中，黏附材料存在彎曲。黏附材料受彎矩作用的剝離模型，有：

其中M是彎矩，R是彎曲半徑。

彎矩M為與剝離力和力臂L有關(guān)，力臂L為剝落力F的作用點(diǎn)到脫附臨界點(diǎn)的距離。設(shè)不同的角β1、β2、β3、β4，如圖2所示，有：

2? 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾持裝置呈對(duì)稱分布。由三個(gè)電機(jī)、三組牽引繩、兩個(gè)黏附片和兩個(gè)伸縮桿組成，如圖3所示。夾持裝置的質(zhì)量為1 126.5 g，尺寸為250 mm×180 mm×58 mm，供電電壓5 V。

伸縮桿代替上述伸縮機(jī)構(gòu)的功能，由套筒和彈簧組成，末端為剛性基底。彈簧在初始時(shí)刻由1號(hào)牽引繩拉伸處于壓縮狀態(tài)，通過(guò)電機(jī)控制牽引繩的拉伸和釋放，從而實(shí)現(xiàn)伸縮桿的上移和下壓。當(dāng)伸縮桿下壓時(shí)，末端的剛性基底為黏附片提供預(yù)壓力，形成具有較大剛度的黏附單元。

定義1號(hào)牽引繩為預(yù)壓繩。施加在黏附陣列上的預(yù)壓力可以通過(guò)控制彈簧剛度和位移來(lái)控制力的大小。2號(hào)牽引繩一端固定在黏附片一側(cè)，穿過(guò)剛性基底上的小孔從而實(shí)現(xiàn)限位功能，另一端固定在2號(hào)電機(jī)上。通過(guò)電機(jī)控制牽引繩，記錄牽引繩由完全松弛至完全拉緊時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，在電機(jī)持續(xù)正轉(zhuǎn)相同圈數(shù)后，可實(shí)現(xiàn)黏附片的卷入;電機(jī)持續(xù)反轉(zhuǎn)相同圈數(shù)后，可以實(shí)現(xiàn)黏附片的卷出。定義2號(hào)牽引繩為內(nèi)收繩。3號(hào)牽引繩一端固定在黏附片一側(cè)，即與內(nèi)收繩在同一側(cè)，另一端穿過(guò)軌道底端的小孔，并從軌道上端的另一個(gè)小孔穿出，從而實(shí)現(xiàn)限位功能，固定在3號(hào)電機(jī)上。通過(guò)電機(jī)控制牽引繩，記錄牽引繩由完全松弛至完全拉緊時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，電機(jī)正轉(zhuǎn)持續(xù)相同時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)黏附片拉伸力的加載;電機(jī)反轉(zhuǎn)持續(xù)相同時(shí)間，即可完成黏附片拉伸力的釋放。定義3號(hào)牽引繩為剝離繩。

3? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文分別設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試夾持裝置的黏附性能。實(shí)驗(yàn)在合肥科大智能機(jī)器人技術(shù)有限公司特種機(jī)器人研發(fā)中心開(kāi)展。使用雙面膠將玻璃豎直固定在水平面，將夾持裝置從側(cè)向?qū)ΣＡнM(jìn)行黏附和卸載。在這個(gè)過(guò)程中，由于一定的側(cè)向預(yù)壓會(huì)使玻璃發(fā)生傾覆，因此預(yù)壓力不能過(guò)大。

如圖4所示是夾持裝置對(duì)玻璃在豎直方向進(jìn)行黏附的過(guò)程，玻璃質(zhì)量為236 g，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：將玻璃放置在水平面上，將夾持裝置放在玻璃上方，啟動(dòng)黏附，玻璃黏附在夾持裝置表面;啟動(dòng)脫附，玻璃與夾持裝置分離。

4? 結(jié)? 論

根據(jù)壁虎的黏附脫附機(jī)理，建立了黏附脫附模型，分析了不同物理參數(shù)對(duì)黏附脫附的影響，為微小型夾持裝置的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種剛?cè)狁詈系酿じ矫摳絾卧邪l(fā)了一種黏附脫附可控的微小型夾持裝置。對(duì)黏附材料進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)，為仿生黏附材料在夾持器上的應(yīng)用提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。此外，測(cè)試了微小型夾持裝置對(duì)不同狀態(tài)目標(biāo)物體的夾持能力，對(duì)推動(dòng)仿生黏附材料在智能仿生夾持裝置上的應(yīng)用具有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介：李林（1985.03-），男，漢族，安徽淮北人，工程師，碩士，研究方向：人工智能。