一種基于范德華力的微小型夾持裝置設計

摘? 要：在航天領域中，在軌捕獲對接技術是一個重要的研究領域。傳統的捕獲方式為剛性捕獲，控制方式復雜，在捕獲效率、可靠性上都存在一定的不足。因此，近年來對軟捕獲方式的研究越來越多。為了改善在軌捕獲對接效果，以范德華力作為基礎設計出了一款微小型夾持裝置。實驗結果表明夾持裝置可以實現對玻璃的黏附和卸載，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。

關鍵詞：范德華力;夾持裝置;在軌捕獲對接技術

中圖分類號：TG315;TP241? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：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

在軌捕獲對接技術是航天領域的研究熱點方向之一，美國NASA、歐洲EASA和日本JAXA等機構針對在軌對接技術開展了大量的研究和在軌演示實驗[1]。目前，在軌捕獲機構是針對合作目標，主要是機械臂機構，為剛性捕獲方式[2-4]。在捕獲過程中需要目標處于理想的動力學狀態，依賴復雜的控制方式，同時目標要有配合機械臂抓取的特征點，因此傳統的剛性捕獲方式面臨很大的挑戰。基于范德華力的夾持裝置屬于軟捕獲方式，對目標物體的形狀和狀態沒有特殊要求，不需要依靠復雜的控制算法，捕獲效率高，可靠性強，適用于對不同任務和目標的捕獲需求，具有廣闊的應用前景[5]。

本文針對基于范德華力的夾持裝置的空間應用需求，在研究壁虎黏附脫附機理的基礎上，設計了一種具有通用能力的剛柔耦合黏附脫附單元，從而實現對目標物體的夾持。

1? 夾持原理

1.1? 黏附模型

壁虎在黏附過程中，對角的腳掌內收拉向身體質心形成“Y形鎖合”，從而保證強黏附性，如圖1所示，定義對角的兩條腿上的力分別為F1和F2，夾角分別為α1和α2。根據受力平衡有：

在這里，F1和F2的最大值取決于黏附陣列在角度為α1和α2時可以提供的最大黏附力，F1，max=，F2，max= ，γ是剝離能。聯立式（1）和式（2），我們可以得到F的最大值：

當F1或者F2達到臨界值，黏附失效，因此F的最大值應當取Fmax，1和Fmax，2的最小值，有：

1.2? 脫附模型

壁虎在脫附過程中，腳趾向內卷曲形成“L形剝離”，從而保證易脫附性。Kendall模型考慮在剝落過程中的能量變化，認為新表面的出現所產生的表面能項等于由于應力帶來的勢能項和黏附材料在應力方向伸展帶來的彈性項的和，有：

二次項? 為剝離強度，F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程中的能量變化情況。而在實際剝離過程中，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，力臂L為剝落力F的作用點到脫附臨界點的距離。設不同的角β1、β2、β3、β4，如圖2所示，有：

2? 機械結構設計

夾持裝置呈對稱分布。由三個電機、三組牽引繩、兩個黏附片和兩個伸縮桿組成，如圖3所示。夾持裝置的質量為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構的功能，由套筒和彈簧組成，末端為剛性基底。彈簧在初始時刻由1號牽引繩拉伸處于壓縮狀態，通過電機控制牽引繩的拉伸和釋放，從而實現伸縮桿的上移和下壓。當伸縮桿下壓時，末端的剛性基底為黏附片提供預壓力，形成具有較大剛度的黏附單元。

定義1號牽引繩為預壓繩。施加在黏附陣列上的預壓力可以通過控制彈簧剛度和位移來控制力的大小。2號牽引繩一端固定在黏附片一側，穿過剛性基底上的小孔從而實現限位功能，另一端固定在2號電機上。通過電機控制牽引繩，記錄牽引繩由完全松弛至完全拉緊時的電機轉動圈數，在電機持續正轉相同圈數后，可實現黏附片的卷入;電機持續反轉相同圈數后，可以實現黏附片的卷出。定義2號牽引繩為內收繩。3號牽引繩一端固定在黏附片一側，即與內收繩在同一側，另一端穿過軌道底端的小孔，并從軌道上端的另一個小孔穿出，從而實現限位功能，固定在3號電機上。通過電機控制牽引繩，記錄牽引繩由完全松弛至完全拉緊時的電機轉動時間，電機正轉持續相同時間，可實現黏附片拉伸力的加載;電機反轉持續相同時間，即可完成黏附片拉伸力的釋放。定義3號牽引繩為剝離繩。

3? 實驗驗證

本文分別設計實驗測試夾持裝置的黏附性能。實驗在合肥科大智能機器人技術有限公司特種機器人研發中心開展。使用雙面膠將玻璃豎直固定在水平面，將夾持裝置從側向對玻璃進行黏附和卸載。在這個過程中，由于一定的側向預壓會使玻璃發生傾覆，因此預壓力不能過大。

如圖4所示是夾持裝置對玻璃在豎直方向進行黏附的過程，玻璃質量為236 g，實驗過程如下：將玻璃放置在水平面上，將夾持裝置放在玻璃上方，啟動黏附，玻璃黏附在夾持裝置表面;啟動脫附，玻璃與夾持裝置分離。

4? 結? 論

根據壁虎的黏附脫附機理，建立了黏附脫附模型，分析了不同物理參數對黏附脫附的影響，為微小型夾持裝置的設計提供了理論基礎。在此基礎上，設計了一種剛柔耦合的黏附脫附單元，研發了一種黏附脫附可控的微小型夾持裝置。對黏附材料進行了性能評價，為仿生黏附材料在夾持器上的應用提供了理論和實驗依據。此外，測試了微小型夾持裝置對不同狀態目標物體的夾持能力，對推動仿生黏附材料在智能仿生夾持裝置上的應用具有重要意義。

參考文獻：

[1] MOHAMMED I K，CHARALAMBIDES M N，KINLOCH A J. Modeling the effect of rate and geometry on peeling and tack of pressure-sensitive adhesives [J]. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics，2016，233：85-94.

[2] MOOSAVIAN S A A，PAPADOPOULOS E. Free-flying robots in space：An overview of dynamics modeling，planning and control [J]. Robotica，2007，25（5）：537-547.

[3] BUALAT M，BARLOW J，FONG T，et al. Astrobee：Developing a Free-flying Robot for the International Space Station [C]// Aiaa Space Conference & Exposition. 2015：4643.

[4] AIKENHEAD，BRUCE A. Canadarm and the space shuttle [J]. Journal of Vacuum Science & Technology A：Vacuum，Surfaces，and Films，1983，1（2）：126-132.

[5] 梁斌，杜曉東，李成，等.空間機器人非合作航天器在軌服務研究進展 [J].機器人，2012，34（2）：242-256.

作者簡介：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。