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      接觸式真空吸取技術研究現狀與發展趨勢

      作者: 來源: 日期:2017/4/17 10:12:24 人氣:4952

      接觸式真空吸取技術研究現狀與發展趨勢

           接觸式真空吸取技術廣泛應用于工農業生產和人民生活中,利用負壓來夾持工件,具有成本低廉、結構簡單、使用方便等優點。真空吸取的執行器為真空吸盤,采用負壓抽吸等方法在吸盤內產生一定的真空度,從而吸著工件。在半導體工業中,利用真空吸盤顯像管、包裝盒等工件,完成物流輸送、自動裝配等工序;在食品生產與加工中,真空吸盤運送糕點、瓜果等食品,免人工,安全衛生而高效;在新興的機器人技術領域,爬墻機器人安裝了真空吸盤,輕松地吸附于高層建筑墻面,服務型機器人末端的真空吸盤則為服務對象快速安全地拿取所需的物品。真空吸盤易實現柔性夾持,對物件表面損傷小,具有安全、可靠、價格低廉、輕便、節能等優點,而氣壓驅動的高柔順性更易于實現仿生結構,具有良好的前景。本文從夾持的需求出發,分析了接觸式真空吸取技術的研究現狀,展望其發展前景。

      1、夾持需求

              夾持需求包括兩個方面,一是吸盤能適應物件的形狀,與物件有效貼合;二是提供可靠的真空度。接觸式真空吸取技術為自動化物流和機器人提供了便利的真空夾持方法,而生產技術的進步又對真空吸取技術提出了更高的要求。夾持工作環境趨于多樣化,例如,人類探尋海洋深處的秘密需要適應水下環境,空間探測則需要適應宇宙環境?;炝魃a工件形狀的多元化需要夾持器能適應多種工件形狀。社會服務需求的增多,需要大量能提供生活服務的機器人,而這些機器人是否具有靈活可靠的夾持末端,大大影響服務的效果。另外,全球性能源短缺,使得節約能源成為人類的迫切需求。這些新要求促使接觸式真空吸取技術朝著多工況適應、多形狀夾持、高效節能等方向發展。

      2、接觸式真空吸取技術研究現狀

      2.1、真空吸盤結構形式

             真空吸盤為接觸式真空吸取的末端執行器。常規吸盤的材料為丁腈橡膠、硅橡膠、聚氨酯、氟化橡膠等彈性較好的非金屬材料,結構形式多為平直型、深凹型、風琴型等,并可根據工件的結構尺寸專門設計微型或大型吸盤。針對現行負壓吸盤的剛度和形狀不能調整所帶來的問題,國內外研究者對吸盤材質和形狀進行了研究和探索。通過在吸盤連接處設計緩沖連接器,改變緩沖連接器的彈性和形狀來調節吸盤的剛度和夾持耦合面,以適應更多工作條件的要求。圖1 為球鉸式吸盤,吸盤可適應工件吸附表面的傾斜而自由轉動,吸盤體上的抽吸孔通過貫穿球節的孔,與安裝在球節端部的吸盤相通。

        由于單個吸盤提供的吸著面有限,在實際運用中常采用多個吸盤一起工作的安裝方式。葉鵬等發明了一種具有姿態自主檢測和吸附面自適應能力的負壓吸附模塊(2),通過傾角傳感器測量吸附模塊相對于吸附面的位置和姿態,通過距離傳感器測距計算出吸盤面與被吸附面間的夾角和距離,從而調整裝置的位置參數,更好地適應吸附面。


                     1 球鉸式吸盤結構示意                                                    2 吸附面自適應負壓吸附模塊

      2.2、真空吸取力產生方法

        將吸盤腔室內的氣體抽去,從而產生負壓吸引力,是最基礎的吸取力產生方式,這種方法的前提是吸盤需和物體緊密接觸,使吸盤腔室密閉。通過吸盤對物體的貼附,產生密閉腔室,采用真空泵或其他真空發生元件產生真空。

        針對吸盤吸取工件動態過程的特點,為了使吸盤的工作更安全可靠,在對吸盤兩個典型工位的受力進行靜動態分析和比較的基礎上,為真空吸盤的設計應用提供更科學、更安全的設計依據。為了保證真空吸取力,設計了多真空室吸盤,在一組真空室中,當部分真空室由于空氣泄漏自行封閉,而其他真空室仍正常工作來提供機器人所需的足夠的吸附力,并對不同的壁面進行了吸附實驗。在有溝槽的壁面,起吸附作用的小真空室的負壓照樣能建立,只是負壓略低。

      3、真空吸取技術發展趨勢

      3.1、仿生吸盤

        由于常規吸盤多針對特定的工件要求,多適用于平整光滑的平面,適應的工件形狀種類少。為了適應多種工件的夾持需求,基于海洋軟體生物靈感,國內外學者對仿生吸盤進行了研究。FrankW Grasso 等分析了章魚吸盤的特點,并指出制造的人工吸盤必須滿足三個功能,即具有漏斗狀結構提供表面密封以適應任意幾何表面;具備人工吸盤結構可以產生吸著所需負壓力;外部肌肉使得被吸著的表面能隨機械臂自由旋轉。

        仿生學原理和真空吸附原理,以三種仿生凹形漏斗吸盤結構模型為基礎,結合章魚吸盤平行或并列規則布局的特點,建立基于仿生單元體的矩形布局或者菱形布局規律的仿生隨機輪胎布局模型。通過力學分析,胎面吸盤式花紋絕大部分與冰面發生有效吸附,可確保提供足夠的吸附力,提高汽車在冰面上的防滑能力。但是,因為章魚吸盤的肌肉組織數目龐大、緊密填滿,并具有三維結構特征,人工加工難度較大。美國科學家用復合材料3D 打印技術制作人工吸盤樣品,每個吸盤只有指甲蓋大小,并使用這樣的吸盤在陸地上進行了吸著實驗??茖W家們預測,這樣的吸盤在水下使用時性能可能進一步提升,因為水壓能提供更大的壓力。對于機器人的執行末端,制造像章魚吸盤那樣的人造裝置,需要制作大量的如章魚組織的人工肌肉單元,技術難度較高,也需要較高的加工成本。為了找到更易實現的結構,Jingping Hou 等研究了魷魚吸盤的仿生結構特性,并以此為基礎設計并制作了人工魷魚吸盤,可用于軟體機器人末端執行器。

       隨著氣動技術、生物技術和材料技術的融合,仿生真空吸取技術方興未艾,這類新興的仿生吸盤,使用人工彈性材料,模擬海洋軟體生物變形和吸著。與常規吸盤相比,仿生吸盤能耗更少,適應性更強,有著良好的發展前景。

      3.2、吸盤變形產生真空度

      改變吸著容積,從而改變吸著腔壓力的方法是另一種真空吸取力產生方法,彈性體材料圍成一個密閉容腔,彈性體材料變形,使吸盤內腔室容積改變,以產生負壓。胡冰山等設計了帶偏置彈簧的偏動式SMA 彈簧驅動器驅動仿生負壓吸盤(6),建立了該吸盤的理論模型,并通過實驗驗證了理論模型,吸盤內的負壓可達約12 kPa,且能耗更少。

      3.3、吸盤材料優化

        除了負壓抽吸、改變吸著容積等方法獲得一定的真空度,吸盤的材料性質和吸著面的微結構也會對吸著效果產生一定的影響。

      Follador等采用絕緣彈性材料來模擬肌肉柱狀纖維束結構,以形成緊密的吸著和密封。Tramacere 等比較了吸著面的微小褶皺構造對吸著效果的影響,在水下靜態吸著實驗中,液體的種類及雜質、水溫、吸盤吸著面的材質特性都會影響吸著效果。根據章魚吸盤的解剖結構,除了依靠頂端的空腔和柔軟的側邊來制造壓力()來形成密閉的真空以外,小吸盤材料也有特別之處?;陲@微鏡和顯微CT(微計算機斷層掃描技術)的觀察結果,吸盤的側面和邊緣生長著細小的同軸排列的纖維叢,有助于在水底凹凸不平的表面上制造密閉真空。

      4、結論

        本文綜述了真空吸取技術的研究現狀,介紹了真空吸盤常見結構形式和真空吸取的方法,調研了仿生吸盤的研究進展和實現方法。隨著研究的深入和技術的進步,合理利用新技術和新方法,能優化吸盤結構、增強吸取效果,推動接觸式真空吸取技術朝著多工況適應、多形狀夾持、高效節能等方向發展。

       

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