接觸式真空吸取技術(shù)分析現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

接觸式真空吸取技術(shù)分析現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)本文從接觸式真空吸取的技術(shù)需求出發(fā)，分析了接觸式真空吸盤的設(shè)計(jì)要求和主要構(gòu)造形式，闡述了接觸式真空吸取技術(shù)由非金屬材料常規(guī)吸盤到形狀自適應(yīng)和人工彈性材料仿生吸盤的發(fā)展歷程，研究了真空吸取力產(chǎn)生方法由外部負(fù)壓源抽吸到吸盤變形改變內(nèi)容積、吸盤材料優(yōu)化等多種方法的發(fā)展趨勢(shì)。隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，合理利用新技術(shù)和新方法，能優(yōu)化吸盤構(gòu)造、增強(qiáng)吸取效果，推動(dòng)接觸式真空吸取技術(shù)朝著多工況適應(yīng)、多形狀?yuàn)A持、高效節(jié)能等方向發(fā)展。

接觸式真空吸取技術(shù)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活中，利用負(fù)壓來夾持工件，具有成本低廉、構(gòu)造簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。真空吸取的執(zhí)行器為真空吸盤，采用負(fù)壓抽吸等方法在吸盤內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度，從而吸著工件。在半導(dǎo)體工業(yè)中，利用真空吸盤顯像管、包裝盒等工件，完成物流輸送、自動(dòng)裝配等工序；在食品生產(chǎn)與加工中，真空吸盤運(yùn)送糕點(diǎn)、瓜果等食品，免人工，安全衛(wèi)生而高效；在新興的機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，爬墻機(jī)器人安裝了真空吸盤，輕松地吸附于高層建筑墻面，服務(wù)型機(jī)器人末端的真空吸盤則為服務(wù)對(duì)象快速安全地拿取所需的物品。真空吸盤易實(shí)現(xiàn)柔性夾持，對(duì)物件表面損傷小，具有安全、可靠、價(jià)格低廉、輕便、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，而氣壓驅(qū)動(dòng)的高柔順性更易于實(shí)現(xiàn)仿生構(gòu)造，具有良好的前景。本文從夾持的需求出發(fā)，分析了接觸式真空吸取技術(shù)的研究現(xiàn)狀，展望其發(fā)展前景。1、夾持需求

夾持需求包括兩個(gè)方面，一是吸盤能適應(yīng)物件的形狀，與物件有效貼合，一是提供可靠的真空度。接觸式真空吸取技術(shù)為自動(dòng)化物流和機(jī)器人提供了便利的真空夾持方法，而生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步又對(duì)真空吸取技術(shù)提出了更高的要求。夾持工作環(huán)境趨于多樣化，例如，人類探尋海洋深處的秘密需要適應(yīng)水下環(huán)境，空間探測(cè)則需要適應(yīng)宇宙環(huán)境?；炝魃a(chǎn)工件形狀的多元化需要夾持器能適應(yīng)多種工件形狀。社會(huì)服務(wù)需求的增多，需要大量能提供生活服務(wù)的機(jī)器人，而這些機(jī)器人是否具有靈活可靠的夾持末端，大大影響服務(wù)的效果。另外，全球性能源短缺，使得節(jié)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(shù)朝著多工況適應(yīng)、多形狀?yuàn)A持、高效節(jié)能等方向發(fā)展。2、接觸式真空吸取技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1、真空吸盤構(gòu)造形式

真空吸盤為接觸式真空吸取的末端執(zhí)行器。常規(guī)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，構(gòu)造形式多為平直型、深凹型、風(fēng)琴型等，并可根據(jù)工件的構(gòu)造尺寸專門設(shè)計(jì)微型或大型吸盤。針對(duì)現(xiàn)行負(fù)壓吸盤的剛度和形狀不能調(diào)整所帶來的問題，國內(nèi)外研究者對(duì)吸盤材質(zhì)和形狀開展了研究和探索。通過在吸盤連接處設(shè)計(jì)緩沖連接器，改變緩沖連接器的彈性和形狀來調(diào)節(jié)吸盤的剛度和夾持耦合面，以適應(yīng)更多工作條件的要求。圖1為球鉸式吸盤，吸盤可適應(yīng)工件吸附表面的傾斜而自由轉(zhuǎn)動(dòng)，吸盤體上的抽吸孔通過貫穿球節(jié)的孔，與安裝在球節(jié)端部的吸盤相通。

由于單個(gè)吸盤提供的吸著面有限，在實(shí)際運(yùn)用中常采用多個(gè)吸盤一起工作的安裝方式。葉鵬等發(fā)明了一種具有姿態(tài)自主檢測(cè)和吸附面自適應(yīng)能力的負(fù)壓吸附模塊(圖2)，通過傾角傳感器測(cè)量吸附模塊相對(duì)于吸附面的位置和姿態(tài)，通過距離傳感器測(cè)距計(jì)算出吸盤面與被吸附面間的夾角和距離，從而調(diào)整裝置的位置參數(shù)，更好地適應(yīng)吸附面。

圖1球鉸式吸盤構(gòu)造示意

圖2吸附面自適應(yīng)負(fù)壓吸附模塊

孫錦山等研制了氣動(dòng)多吸盤爬墻機(jī)器人(圖3)，多個(gè)吸盤提供了更大的吸著面。與圖2所示裝置不同，各吸盤之間采用了柔性驅(qū)動(dòng)器連接，能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的彎曲，由于吸盤之間的相對(duì)位置可以隨柔性驅(qū)動(dòng)器的彎曲而改變，因此控制策略更為簡(jiǎn)單。

圖3氣動(dòng)多吸盤爬墻機(jī)器人

2.2、真空吸取力產(chǎn)生方法

將吸盤腔室內(nèi)的氣體抽去，從而產(chǎn)生負(fù)壓吸引力，是最根底的吸取力產(chǎn)生方式，這種方法的前提是吸盤需和物體嚴(yán)密接觸，使吸盤腔室密閉。通過吸盤對(duì)物體的貼附，產(chǎn)生密閉腔室，采用真空泵或其他真空發(fā)生元件產(chǎn)生真空。

針對(duì)吸盤吸取工件動(dòng)態(tài)過程的特點(diǎn)，為了使吸盤的工作更安全可靠，滕紅華等在對(duì)吸盤兩個(gè)典型工位的受力開展靜動(dòng)態(tài)分析和比較的根底上，為真空吸盤的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供更科學(xué)、更安全的設(shè)計(jì)依據(jù)。昌先國等為了保證真空吸取力，設(shè)計(jì)了多真空室吸盤，在一組真空室中，當(dāng)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(jī)器人所需的足夠的吸附力，并對(duì)不同的壁面開展了吸附實(shí)驗(yàn)。在有溝槽的壁面，起吸附作用的小真空室的負(fù)壓照樣能建立，只是負(fù)壓略低。3、真空吸取技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.1、仿生吸盤

由于常規(guī)吸盤多針對(duì)特定的工件要求，多適用于平整光滑的平面，適應(yīng)的工件形狀種類少。為了適應(yīng)多種工件的夾持需求，基于海洋軟體生物靈感，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)仿生吸盤開展了研究。FrankWGrasso等分析了章魚吸盤的特點(diǎn)，并指出制造的人工吸盤必須滿足三個(gè)功能，即具有漏斗狀構(gòu)造提供表面密封以適應(yīng)任意幾何表面；具備人工吸盤構(gòu)造可以產(chǎn)生吸著所需負(fù)壓力；外部肌肉使得被吸著的表面能隨機(jī)械臂自由旋轉(zhuǎn)。

周利坤等用仿生學(xué)原理和真空吸附原理，以三種仿生凹形漏斗吸盤構(gòu)造模型為根底，結(jié)合章魚吸盤平行或并列規(guī)則布局的特點(diǎn)，建立基于仿生單元體的矩形布局或者菱形布局規(guī)律的仿生隨機(jī)輪胎布局模型。通過力學(xué)分析，胎面吸盤式花紋絕大部分與冰面發(fā)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?yàn)檎卖~吸盤的肌肉組織數(shù)目龐大、嚴(yán)密填滿，并具有三維構(gòu)造特征，人工加工難度較大。美國科學(xué)家用復(fù)合材料3D打印技術(shù)制作人工吸盤樣品，每個(gè)吸盤只有指甲蓋大小(圖4)，并使用這樣的吸盤在陸地上開展了吸著實(shí)驗(yàn)?？茖W(xué)家們預(yù)測(cè)，這樣的吸盤在水下使用時(shí)性能可能進(jìn)一步提升，因?yàn)樗畨耗芴峁└蟮膲毫Α?duì)于機(jī)器人的執(zhí)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(shù)難度較高，也需要較高的加工成本。為了找到更易實(shí)現(xiàn)的構(gòu)造，JingpingHou等研究了魷魚吸盤的仿生構(gòu)造特性，并以此為根底設(shè)計(jì)并制作了人工魷魚吸盤(圖5)，可用于軟體機(jī)器人末端執(zhí)行器。

圖4仿章魚吸盤樣品

圖5人工仿魷魚吸盤

隨著氣動(dòng)技術(shù)、生物技術(shù)和材料技術(shù)的融合，仿生真空吸取技術(shù)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(guī)吸盤相比，仿生吸盤能耗更少，適應(yīng)性更強(qiáng)，有著良好的發(fā)展前景。

3.2、吸盤變形產(chǎn)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(chǎn)生方法，彈性體材料圍成一個(gè)密閉容腔，彈性體材料變形，使吸盤內(nèi)腔室容積改變，以產(chǎn)生負(fù)壓。胡冰山等設(shè)計(jì)了帶偏置彈簧的偏動(dòng)式SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)仿生負(fù)壓吸盤(圖6)，建立了該吸盤的理論模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論模型，吸盤內(nèi)的負(fù)壓可達(dá)約12kPa，且能耗更少。

圖6SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)仿生負(fù)壓吸盤原理示意

3.3、吸盤材料優(yōu)化

除了負(fù)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(zhì)和吸著面的微構(gòu)造也會(huì)對(duì)吸著效果產(chǎn)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構(gòu)造，以形成嚴(yán)密的吸著和密封。Tramacere等比較了吸著面的微小褶皺構(gòu)造對(duì)吸著效果的影響，在水下靜態(tài)吸著實(shí)驗(yàn)中(圖7)，液體的種類及雜質(zhì)、水溫、吸盤吸著面的材質(zhì)特性都會(huì)影響吸著效果。根據(jù)章魚吸盤的解剖構(gòu)造，除了依靠頂端的空腔和柔軟的側(cè)邊來制造壓力(差)來形成密閉的真空以外，小吸盤材料也有特別之處。基于顯微鏡和顯微CT(微計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù))的觀察結(jié)果，吸盤的側(cè)面和邊緣生長(zhǎng)著細(xì)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