CN106494652A - 一种基于复合恒力弹簧加载的仿生干黏附机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于复合恒力弹簧加载的仿生干黏附机构，该仿生干黏附机构由黏附脚掌单元、复合恒力弹簧加载机构、电机及传动机构和机构框架组成；黏附脚掌单元用于接触并黏附目标物体；复合恒力弹簧加载机构用于控制黏附脚掌的黏附\脱附；电机及传动机构用于驱动复合恒力弹簧加载机构进行加载\卸载。机构框架用于支撑整个机构并保持整个机构各部分的相对位置。本发明采用仿生干黏附材料，黏附力不受目标形状的影响，同时采用复合恒力弹簧使得黏附单元对多种材料的黏附表面具有适应性，对局部黏附失效具有鲁棒性。配合操作机械手等设备可以大幅度提高目标捕获的效率。
Description
技术领域
本发明旨在服务于空间轨道碎片的清理，涉及一种能够应用于太空环境并且可以适应不同材料黏附表面的仿生干黏附装置。这种装置对黏附目标的适应能力强，应用范围广，极大的提高了黏附的成功率和可靠性。
背景技术
随着世界各国航空航天技术的不断发展，地球运行轨道上的卫星、火箭箭体以及其他碎片的数量已经增加到了十几万个，这些空间碎片在卫星轨道上高速飞行，对正常运行的航天器构成了日益严重的安全隐患，一旦这些碎片与正常运行的航天器相撞，带来的损失则难以估量。因此研究如何清理这些碎片已经成为热门的研究方向，也是本发明专利的研究目标。
传统的捕获方法通常是用手爪或手臂挤压物体从而产生足够大的摩擦力来捕获目标物体或者用网来套住目标，然而在空间微重力和真空环境下，空间碎片形状大小不一，且针对空间碎片这类非合作目标物体，传统的物体之间的夹持难以在太空中产生理想的捕获效果，此时采用吸附或者黏附方式对目标进行捕获是一种行之有效的捕获方法。
本发明专利采用的吸附方式灵感来源于壁虎脚掌的干黏附能力，自然界的壁虎正是通过脚掌上的细小刚毛才能够在竖直和倒立的天花板上行走自如。早在2000年，美国的FULL团队就首次测量了单根壁虎刚毛的黏附力，并进一步证明了壁虎刚毛与黏附表面的黏附力是分子与分子之间的范德华力，此发现为今后的仿生黏附材料研究提供了理论支撑。
现代仿生学对壁虎的脚掌进行了研究，发现壁虎脚掌黏附时需要产生特定的运动机制：首先脚掌需要有微小的预压力使得刚毛与黏附表面产生微小的接触，其次脚掌与黏附表面产生一定的切向运动扩大接触面积，从而增加范德华力。脱附时将脚掌沿法向加力施加转矩即可以很小的力实现脱附。通过上述的研究，仿生黏附机构需要满足以下要求：(1)对黏附脚掌要有预加载；(2)加载时脚掌与黏附表面产生切向的现对运动，脱附时在脚掌边缘施加法向力拉开脚掌；(3)吸附机构对不同材料的黏附表面具有一定的适应能力。
发明内容
本发明的技术解决问题：针对现有的技术中的不足之处，设计一种可重复使用的空间仿生黏附机构，能适应黏附目标的多种材料和形状，满足空间中碎片清理的需求。
本发明的技术解决方案：一种基于复合恒力弹簧加载的仿生干黏附机构，该仿生干黏附机构包括黏附脚掌单元、复合恒力弹簧加载机构、电机及传动机构、机构框架；黏附脚掌单元用于接触并黏附目标物体；复合恒力弹簧加载机构与黏附脚掌单元连接并用于控制黏附脚掌的黏附或脱附；电机及传动机构与复合恒力弹簧加载机构连接并用于驱动复合恒力弹簧加载机构进行加载或卸载。黏附脚掌单元、复合恒力弹簧加载机构、电机及传动机构设置在机构框架内，机构框架用于支撑整个仿生干黏附机构并保持整个各部分稳定。
所述黏附脚掌单元由左右对称、形状相同的两个黏附脚掌组成，每个黏附脚掌包括上支撑板101、柔性支撑材料102、下支撑板103、尼龙限位圈104、水平连接腱105；上支撑板101的上部开有螺纹孔，上支撑板101与底板通过螺钉固定在一起，上支撑板101下部开有方形凹槽，柔性支撑材料102放置在方形凹槽中，下支撑板103的顶部开有同样的方形凹槽，与上支撑板101的方形凹槽一同限制住柔性支撑材料的移动，下支撑板103的下部粘有楔形刚毛仿生黏附材料，下支撑板103的方形凹槽中心位置处开有螺纹孔，水平连接腱105的一端系在螺钉上并拧在螺纹孔中，另一端以同样方式固定在对称黏附脚掌的下支撑板103上，上支撑板101和下支撑板103的侧面和后面开有螺纹孔，尼龙限位圈104绕过上下对应的螺纹孔并用螺钉压紧，限制上支撑板101、下支撑板103之间的最大距离。
复合恒力弹簧加载机构包括U形框架201、圆柱销202、楔形块203、竖直加载腱204、复合恒力弹簧205；圆柱销202穿过U形框架201的孔并用卡簧固定限制轴向滑动，复合恒力弹簧205则套在圆柱销202上，其自由端从U形框架201底端上的矩形通孔伸出，通过螺栓与楔形块203连接，U形框架201的底端还开有通孔，通过螺栓螺母固定在中间板上面，随中间板一起运动，竖直加载腱204的一端固定在在楔形块203的螺栓上，另一端固定在黏附脚掌单元中水平连接腱105的中点处用于传递加载力。
所述电机及传动机构包括电机301、螺杆302、螺母304、导轨滑块303；螺杆302的上端穿透顶板通过联轴器与电机301相连，螺杆302的下端面通过轴承固定在底板上，底板通过螺母304固定在中间板上，通过螺杆302转动并带动中间板做直线运动，两组导轨滑块303对称布置于螺杆302两侧，以限制中间板的周向转动，同时使中间板的上下运动更平稳。
所述机构框架包括顶板401、中间板402、底板403、外伸框架404、A形框架405；顶板401和底板403之间通过A形框架405进行固定，外伸框架404连接在中间板402上并向黏附脚掌一侧弯曲。
该仿生干黏附机构采用仿壁虎楔形刚毛为黏附材料，采用微细加工方式来制备，这种刚毛的黏附原理为范德华力。楔形刚毛的优点是黏附力可控、预加载力较小，黏附时刚毛尖端接触到目标表面，此时产生的范德华力很微小，在此基础上施加切向加载力，刚毛会在切向力的作用下发生弯曲，此时与目标表面的接触面积急剧增大，相应的范德华力也随之增大，黏附材料产生足够大的黏附力。
仿生干黏附机构对不同材料的目标表面(如铝合金、星衣材料)具有适应性，主要表现在复合恒力弹簧的输出拉力可调，复合恒力弹簧的拉力会随形变量的大小而到达不同的稳定值，从而产生不同的加载力，使得脚掌上的刚毛产生不同程度的弯曲，复合恒力弹簧的原理如图3所示。
所述复合恒力弹簧由三片恒力弹簧钢片叠加而成，L1段为单片弹簧片，L2段为两片厚度，之后为三片恒力弹簧叠加，将叠加的恒力弹簧钢按照箭头方向卷曲加工成为复合恒力弹簧。其力学性能为：当L1段范围内拉伸时，弹簧拉力会快速上升后到达近似恒定的拉力值P1；拉伸量在L1基础上到达L2范围内时，弹簧拉力会到达近似恒定的拉力P2；同理，在拉伸量超过L1+L2之后会到达最后一个恒定拉力P3；复合恒力弹簧通过调整拉伸量可以调整其拉力值，产生不同的恒定拉力。
仿生干黏附机构的粘附或脱附原理以一个黏附脚掌单元的运动为例进行分析，如图4所示。
仿生干黏附机构接近目标表面，在预加载的作用下黏附脚掌上的刚毛尖端接触到目标表面，仿生干黏附机构未加载处于自然状态，复合恒力弹簧205处于未拉伸状态，竖直加载腱204处于松弛状态，脚掌下支撑板103未受到切向力的作用，此时仿生干黏附机构产生的黏附力很微小。
仿生干黏附机构开始加载时，复合恒力弹簧205在中间板402受力F1带动下向上运动，复合恒力弹簧205受到拉伸产生拉力F2，在楔形块203的带动下竖直加载腱204受力F2拉紧，带动水平连接腱对脚掌下支撑板103施加切向力F3，下支撑板103沿切向滑动，使刚毛弯曲，此时产生了足够大的范德华力来黏附目标物体。通过控制复合恒力弹簧的拉伸量使其到达不同的恒力值，可以对刚毛施加不同的恒定切向加载，以调整刚毛的弯曲程度，从而适应不同的表面材料。
本发明的优点在于：
(1)本发明采用楔形刚毛定向黏附的特性，使得黏附和脱附过程可控，因此机构可以进行多次使用。
(2)本发明采用恒力弹簧加载机构，加载力为恒定力，对个别脚掌的黏附失效具有较好的鲁棒性。
(3)本发明恒力弹簧为复合式，可以输出多个恒定加载力，因此机构对不同材料的黏附表面具有一定的适应性。
附图说明
结合附图，通过下文的详细描述，可更清楚地理解本发明的特征和优点，其中：
图1a为本发明提供的三维结构仰视图；
图1b为本发明提供的三维结构侧视图；
图2为本发明提供的复合恒力弹簧及对应脚掌单元的三维示意图；
图3a为本发明提供的复合恒力弹簧的结构示意图；
图3b、图3c、图3d为本发明提供的复合恒力弹簧在不同形变量下的力学特性。
图4a为本发明提供的复合恒力弹簧及一个脚掌单元在未加载状态下原理图；
图4b为本发明提供的复合恒力弹簧及一个脚掌单元在加载状态时的运动原理图。
注：附图中相同的结构只标注了一次，但是可以存在多个；如101有8个，102有4个，103有8个，201有4个，203有4个，205有4对，404和405各有4个。
具体实施方式
如图1a和图1b所示，为本发明的空间碎片清理仿生干黏附机构的三维仰视图和侧视图，包括：黏附脚掌单元、复合恒力弹簧加载机构、电机及传动机构、机构框架。
所述黏附脚掌单元由左右对称、形状相同的两个黏附脚掌组成，每个脚掌均包括：上支撑板101、柔性支撑材料102、下支撑板103、尼龙限位圈104、水平连接腱105；所述复合恒力弹簧加载机构包括：U形支架201、圆柱销202、楔形块203、竖直加载腱204、复合恒力弹簧205；所述电机及传动机构包括：电机301、螺杆302、螺母304、导轨滑块303；所述机构框架4包括：顶板401、中间板402、底板403、外伸框架404、A形框架405。
各组成部件之间的连接关系如下所述：顶板401和底板403采用四只A形框架405进行连接，螺杆302一端顶在底板403的轴承上，另一端穿过顶板401的中心后，采用联轴器与电机301相连，顶板401和底板403之间的螺杆上装有螺母304，螺母304通过螺栓与中间板402进行连接。导轨滑块303的上、下端面用螺栓固定在顶板和底板上，滑块固定在中间板402上。
将水平连接腱105的两端分别连到两个对称的脚掌下支撑板103方形凹槽中心的螺栓上，然后将柔性支撑材料102放入凹槽中，再盖上脚掌上支撑板101，利用上、下支撑板的凹槽夹住柔性支撑材料102，最后用尼龙限位圈104套在上、下支撑板侧面的螺栓上，并用螺栓压紧，完成后成为一个由一对对称的脚掌构成的脚掌单元，作为一个整体。脚掌单元完成后使用上支撑板101上的螺纹孔与底板403上的对应定位孔用螺栓连接，将脚掌单元固定在底板上。
将复合恒力弹簧205用圆柱销202悬挂在U形支架201内部，恒力弹簧205的自由端从U形支架201底端的缝隙伸出；将U形支架201上的螺纹孔与中间板402上的螺纹孔相连，见其固定与中间板上，然后将楔形块203上的螺纹孔和复合恒力弹簧205的自由端用螺栓固定，竖直加载腱204一端系在该螺栓上，另一端系在下方脚掌单元上水平连接腱105的中点上。
空间碎片清理仿生干黏附机构的运动分为黏附和脱附两个过程，其黏附时的运动过程如下：首先机构脚掌单元朝向目标表面接近，脚掌单元与目标表面接触，在预压力作用下刚毛尖端与表面发生接触，此时由于刚毛未弯曲，产生的范德华力很微小；随后机构开始加载，电机301带动螺杆302转动，螺母403带动中间板402沿螺杆方向直线上升，中间板402与底板403的相对距离增大，导致复合恒力弹簧205受拉力伸长，通过下方的竖直加载腱204对脚掌下支撑板103施加切向加载，刚毛切向滑动弯曲，与表面的接触面积增大，产生显著的范德华力，复合恒力弹簧205在形变量到达临界值之后拉力恒定，加载力恒定，机构完成了对目标的黏附。复合恒力弹簧205的形变量由螺杆转动的角度精确调整，从而可以达到不同的恒定值，根据不同材料的黏附目标选用不同的拉力值。
机构脱附时的运动过程如下:电机301反转，带动螺杆302反转，螺母403带动中间板402向下运动，中间板402与底板403的相对距离减小，此时复合恒力弹簧205形变量减小，使竖直加载腱204松弛，脚掌下支撑板103受到的切向加载力消失，刚毛恢复到未加载状态，电机301继续反转，中间板402进一步降低，外伸框架404接触到目标表面并推动目标，以微小位移将目标推开实现黏附机构脱附。
Claims (5)
1.一种基于复合恒力弹簧加载的仿生干黏附机构，其特征在于：该仿生干黏附机构包括黏附脚掌单元、复合恒力弹簧加载机构、电机及传动机构、机构框架；黏附脚掌单元用于接触并黏附目标物体；复合恒力弹簧加载机构与黏附脚掌单元连接并用于控制黏附脚掌的黏附或脱附；电机及传动机构与复合恒力弹簧加载机构连接并用于驱动复合恒力弹簧加载机构进行加载或卸载；黏附脚掌单元、复合恒力弹簧加载机构、电机及传动机构设置在机构框架内，机构框架用于支撑整个仿生干黏附机构并保持整个各部分稳定；
所述黏附脚掌单元由左右对称、形状相同的两个黏附脚掌组成，每个黏附脚掌包括上支撑板(101)、柔性支撑材料(102)、下支撑板(103)、尼龙限位圈(104)、水平连接腱(105)；上支撑板(101)的上部开有螺纹孔，上支撑板(101)与底板通过螺钉固定在一起，上支撑板(101)下部开有方形凹槽，柔性支撑材料(102)放置在方形凹槽中，下支撑板(103)的顶部开有同样的方形凹槽，与上支撑板(101)的方形凹槽一同限制住柔性支撑材料的移动，下支撑板(103)的下部粘有楔形刚毛仿生黏附材料，下支撑板(103)的方形凹槽中心位置处开有螺纹孔，水平连接腱(105)的一端系在螺钉上并拧在螺纹孔中，另一端以同样方式固定在对称黏附脚掌的下支撑板(103)上，上支撑板(101)和下支撑板(103)的侧面和后面开有螺纹孔，尼龙限位圈(104)绕过上下对应的螺纹孔并用螺钉压紧，限制上支撑板(101)、下支撑板(103)之间的最大距离；
复合恒力弹簧加载机构包括U形框架(201)、圆柱销(202)、楔形块(203)、竖直加载腱(204)、复合恒力弹簧(205)；圆柱销(202)穿过U形框架(201)的孔并用卡簧固定限制轴向滑动，复合恒力弹簧(205)则套在圆柱销(202)上，其自由端从U形框架(201)底端上的矩形通孔伸出，通过螺栓与楔形块(203)连接，U形框架(201)的底端还开有通孔，通过螺栓螺母固定在中间板上面，随中间板一起运动，竖直加载腱(204)的一端固定在在楔形块(203)的螺栓上，另一端固定在黏附脚掌单元中水平连接腱(105)的中点处用于传递加载力；
所述电机及传动机构包括电机(301)、螺杆(302)、螺母(304)、导轨滑块(303)；螺杆(302)的上端穿透顶板通过联轴器与电机(301)相连，螺杆(302)的下端面通过轴承固定在底板上，底板通过螺母(304)固定在中间板上，通过螺杆(302)转动并带动中间板做直线运动，两组导轨滑块(303)对称布置于螺杆(302)两侧，以限制中间板的周向转动，同时使中间板的上下运动更平稳；
所述机构框架包括顶板(401)、中间板(402)、底板(403)、外伸框架(404)、A形框架(405)；顶板(401)和底板(403)之间通过A形框架(405)进行固定，外伸框架(404)连接在中间板(402)上并向黏附脚掌一侧弯曲。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合恒力弹簧加载的仿生干黏附机构，其特征在于：该仿生干黏附机构采用仿壁虎楔形刚毛为黏附材料，采用微细加工方式来制备，这种刚毛的黏附原理为范德华力。
3.根据权利要求1所述的一种基于复合恒力弹簧加载的仿生干黏附机构，其特征在于：仿生干黏附机构对不同材料的目标表面具有适应性，表现在复合恒力弹簧的输出拉力可调，复合恒力弹簧的拉力会随形变量的大小而到达不同的稳定值，从而产生不同的加载力，使得脚掌上的刚毛产生不同程度的弯曲。
4.根据权利要求1所述的一种基于复合恒力弹簧加载的仿生干黏附机构，其特征在于：所述复合恒力弹簧由三片恒力弹簧钢片叠加而成，L1段为单片弹簧片，L2段为两片厚度，之后为三片恒力弹簧叠加，将叠加的恒力弹簧钢按照箭头方向卷曲加工成为复合恒力弹簧；其力学性能为：当L1段范围内拉伸时，弹簧拉力会快速上升后到达近似恒定的拉力值P1；拉伸量在L1基础上到达L2范围内时，弹簧拉力会到达近似恒定的拉力P2；同理，在拉伸量超过L1+L2之后会到达最后一个恒定拉力P3；复合恒力弹簧通过调整拉伸量可以调整其拉力值，产生不同的恒定拉力。
5.根据权利要求1所述的一种基于复合恒力弹簧加载的仿生干黏附机构，其特征在于：
仿生干黏附机构接近目标表面，在预加载的作用下黏附脚掌上的刚毛尖端接触到目标表面，仿生干黏附机构未加载处于自然状态，复合恒力弹簧(205)处于未拉伸状态，竖直加载腱(204)处于松弛状态，脚掌下支撑板(103)未受到切向力的作用，此时仿生干黏附机构产生的黏附力很微小；
仿生干黏附机构开始加载时，复合恒力弹簧(205)在中间板(402)受力F1带动下向上运动，复合恒力弹簧(205)受到拉伸产生拉力F2，在楔形块(203)的带动下竖直加载腱(204)受力F2拉紧，带动水平连接腱对脚掌下支撑板(103)施加切向力F3，下支撑板(103)沿切向滑动，使刚毛弯曲，此时产生了足够大的范德华力来黏附目标物体；通过控制复合恒力弹簧的拉伸量使其到达不同的恒力值，对刚毛施加不同的恒定切向加载，以调整刚毛的弯曲程度，从而适应不同的表面材料。
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