专利摘要

本发明公开了一种变尺度驱动仿生干黏附机构，包括楔形刚毛束单元、切向加载单元、变尺度驱动传动单元、法向驱动单元和支撑外框架；楔形刚毛束单元用于接触并黏附目标物；切向加载单元用于对楔形刚毛束实施切向加载/卸载；变尺度驱动传动单元将驱动位移与驱动力传递给切向加载单元；法向驱动单元作为机构的主动驱动源，用于对变尺度驱动传动单元进行加载/卸载；支撑外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；本发明提供的变尺度驱动仿生干黏附机构，将传统的点加载方式转换成面加载，通过变尺度驱动原理实现微位移下对楔形刚毛束的平稳切向加载/卸载，从而满足空间碎片清理、柔性电路板无损操作的应用需求。

权利要求

1.一种变尺度驱动仿生干黏附机构，其特征在于：包括楔形刚毛束单元、切向加载单元、变尺度驱动传动单元、法向驱动单元和支撑外框架；

所述楔形刚毛束单元用于接触并黏附目标物，包括两个楔形刚毛束，两个所述楔形刚毛束的顶部分别设置有一个所述切向加载单元；

所述切向加载单元用于对楔形刚毛束实施切向加载或卸载，所述切向加载单元包括由底部到顶部依次固定连接的下刚性板、上刚性板和切向执行层，所述楔形刚毛束则固定于所述下刚性板的底部；

所述法向驱动单元设置于两个所述切向加载单元之间，所述法向驱动单元为产生驱动位移和驱动力的驱动源；

所述变尺度驱动传动单元设置于所述法向驱动单元与所述切向加载单元之间，用于将所述法向驱动单元的驱动位移与驱动力传递给所述切向加载单元；所述变尺度驱动传动单元包括传动杆和柔性铰链；所述传动杆两端通过所述柔性铰链分别与所述法向驱动单元、所述切向加载单元连接；且所述传动杆在所述法向驱动单元与所述切向加载单元之间倾斜设置；

所述支撑外框架的中部框体设置于所述法向驱动单元的顶部，所述支撑外框架的两侧架体向外延伸并固定于所述切向执行层的顶部。

2.根据权利要求1所述的变尺度驱动仿生干黏附机构，其特征在于：所述下刚性板、所述上刚性板、所述切向执行层和所述楔形刚毛束之间用粘结剂粘结固定，所述支撑外框架也通过粘结剂与所述切向执行层粘结固定。

3.根据权利要求1所述的变尺度驱动仿生干黏附机构，其特征在于：所述法向驱动单元包括驱动杆和驱动端，所述驱动端设置于所述驱动杆的顶端，用于对所述驱动杆加载或卸载；所述驱动杆底部与所述传动杆通过所述柔性铰链连接。

4.根据权利要求3所述的变尺度驱动仿生干黏附机构，其特征在于：所述传动杆由两个刚性支撑板构成。

5.根据权利要求4所述的变尺度驱动仿生干黏附机构，其特征在于：所述上刚性板与所述下刚性板之间、两个所述刚性支撑板之间和所述驱动杆的底部均通过粘结剂粘结固定一层柔性层，且各个柔性层为一体结构，各个柔性层的过渡处构成所述柔性铰链。

6.根据权利要求5所述的变尺度驱动仿生干黏附机构，其特征在于：所述柔性层的材质为聚酰亚胺薄膜。

7.根据权利要求5所述的变尺度驱动仿生干黏附机构，其特征在于：所述粘结剂为Adhesive Systems，Inc.M60胶水。

8.根据权利要求4所述的变尺度驱动仿生干黏附机构，其特征在于：所述上刚性板、所述下刚性板、两个所述刚性支撑板和所述驱动杆的材质为SU-8，所述切向执行层的材质为硅胶。

9.根据权利要求1所述的变尺度驱动仿生干黏附机构，其特征在于：所述支撑外框架的材质为ABS塑料。

10.根据权利要求4所述的变尺度驱动仿生干黏附机构，其特征在于：两个所述楔形刚毛束、两个所述切向加载单元和两个所述变尺度驱动传动单元均对称设置于所述驱动杆的两侧。

说明书

技术领域

本发明涉及空间碎片清理、高精密柔性电子元器件无损搬运与特种装配机械手研制等，特别是涉及一种变尺度驱动仿生干黏附机构。

背景技术

随着各国航空航天技术的飞速发展，地球轨道上的空间碎片已经不计其数，空间碎片的存在对在轨的航天器构成严重威胁，一旦空间碎片与航天器相撞，造成的损失不可估量；柔性电路板具有重量轻、厚度薄、灵活度高等优点，在各行各业的利用率大幅度提升；因此如何清理各种各样的空间碎片以及实现对柔性电路板的精细无损操作成为热门的研究方向，也是本发明的研究目标。

传统的空间操控方式如刚性机械手要求提供目标的位置、姿态、速度等信息并提供相匹配的对接接口实现抓捕操作，对于空间碎片等空间非合作目标，无法提供充分的抓捕信息，传统的空间操作方式会受到一定的局限性，抓捕效率较低；传统的柔性电路板操作技术包括边缘抓取以及真空吸附方式，易引起电路板损伤及划痕，磨损产生的微小颗粒还会破坏工作空间的洁净度，无法保障对电路板的操作安全性。因此采用仿生楔形刚毛束对目标物进行有效黏附是一种行之有效的操作方式。

仿生黏附的机理在于对微米级楔形刚毛束实施切向加载，刚毛束弯曲并与目标物接触产生“范德华力”即法向黏附力。因其不受黏附对象材料和失重、辐射、温度等环境因素影响，且可产生足够大的法向黏附力以实现对目标的“柔性附着”，为空间碎片清理、柔性电路板的无损操作提供了一种更为可靠的操作手段。针对加载楔形刚毛束的仿生干黏附机构，需要满足以下几点要求：(1)对刚毛束要有一定的法向预加载；(2)能够实现对刚毛束的切向加载/卸载；(3)刚毛的弯曲变形通常为几十微米。

近年来，研究学者们在仿生附着机构方面进行了深入研究。美国斯坦福大学研制出螺杆驱动的腱线式仿生附着机构，其利用棘轮螺母调节腱线张力以改变对刚毛束的加载力，实现对目标物黏附/脱附的控制。为进一步提升机构黏附效果，随后分别设计了串联滑轮组驱动和恒力弹簧驱动的腱线式仿生附着机构。但在研究中也发现，由于腱线加载方式为点接触加载，且实际中不可避免存在装配误差，极易引入面外扭矩、剥离力矩等干扰，导致黏附装置的操作稳定性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种变尺度驱动仿生干黏附机构，以解决上述现有技术存在的问题，将传统的点加载方式转换成面加载，通过变尺度驱动原理实现微位移下对楔形刚毛束的平稳切向加载/卸载，从而满足空间碎片清理、柔性电路板无损操作的应用需求。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种变尺度驱动仿生干黏附机构，包括楔形刚毛束单元、切向加载单元、变尺度驱动传动单元、法向驱动单元和支撑外框架；

所述楔形刚毛束单元用于接触并黏附目标物，包括两个楔形刚毛束，两个所述楔形刚毛束的顶部分别设置有一个所述切向加载单元；

所述切向加载单元用于对楔形刚毛束实施切向加载或卸载，所述切向加载单元包括由底部到顶部依次固定连接的下刚性板、上刚性板和切向执行层，所述楔形刚毛束则固定于所述下刚性板的底部；

所述法向驱动单元设置于两个所述切向加载单元之间，所述法向驱动单元为产生驱动位移和驱动力的驱动源；

所述变尺度驱动传动单元设置于所述法向驱动单元与所述切向加载单元之间，用于将所述法向驱动单元的驱动位移与驱动力传递给所述切向加载单元；所述变尺度驱动传动单元包括传动杆和柔性铰链；所述传动杆两端通过所述柔性铰链分别与所述法向驱动单元、所述切向加载单元连接；且所述传动杆在所述法向驱动单元与所述切向加载单元之间倾斜设置；

所述支撑外框架的中部框体设置于所述法向驱动单元的顶部，所述支撑外框架的两侧架体向外延伸并固定于所述切向执行层的顶部。

优选地，所述下刚性板、所述上刚性板、所述切向执行层和所述楔形刚毛束之间用粘结剂粘结固定，所述支撑外框架也通过粘结剂与所述切向执行层粘结固定。

优选地，所述法向驱动单元包括驱动杆和驱动端，所述驱动端设置于所述驱动杆的顶端，用于对所述驱动杆加载或卸载；所述驱动杆底部与所述传动杆通过所述柔性铰链连接，所述支撑外框架的中部框体设置于所述法向驱动单元的顶部。

优选地，所述传动杆由两个刚性支撑板构成。

优选地，所述上刚性板与所述下刚性板之间、两个所述刚性支撑板之间和所述驱动杆的底部均通过粘结剂粘结固定一层柔性层，且各个柔性层为一体结构，各个柔性层的过渡处构成所述柔性铰链。

优选地，所述柔性层的材质为聚酰亚胺薄膜。

优选地，所述粘结剂为Adhesive Systems，Inc.M60胶水。

优选地，所述上刚性板、所述下刚性板、所述刚性支撑板和所述驱动杆的材质为SU-8，所述切向执行层的材质为硅胶。

优选地，所述支撑外框架的材质为ABS塑料。

优选地，两个所述楔形刚毛束、两个所述切向加载单元和两个所述变尺度驱动传动单元均对称设置于所述驱动杆的两侧。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

1、本发明提供的变尺度驱动仿生干黏附机构，切向加载单元切向执行层与支撑外框架粘接，限制了其他方向的寄生运动，加载方式为面加载，能够实现对楔形刚毛束的充分切向加载。

2、本发明提供的变尺度驱动仿生干黏附机构，采用半剪式结构，实现法向宏观位移向切向微观位移的转换，具有较高的位移分辨率。

3、本发明提供的变尺度驱动仿生干黏附机构，采用柔性铰链一体化设计，减少了中间连接环节，消除了传动过程中的空程与机械摩擦。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中变尺度驱动仿生干黏附机构的结构示意图；

图2a为本发明中变尺度驱动仿生干黏附机构在未加载状态下的原理图；

图2b为本发明中变尺度驱动仿生干黏附机构在加载状态下的原理图；

图2c为本发明中变尺度驱动仿生干黏附机构在卸载状态下的原理图；

图中：1-驱动杆、2-驱动端、3-支撑外框架、4-刚性支撑板、5-粘结剂、6-柔性层、7-楔形刚毛束、8-柔性铰链、9-下刚性板、10-上刚性板、11-切向执行层、12-目标物。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种变尺度驱动仿生干黏附机构，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种变尺度驱动仿生干黏附机构，如图1所示，包括楔形刚毛束单元、切向加载单元、变尺度驱动传动单元、法向驱动单元和支撑外框架3；楔形刚毛束单元用于接触并黏附目标物12；切向加载单元与楔形刚毛束单元、变尺度驱动传动单元连接，用于对楔形刚毛束7实施切向加载/卸载；变尺度驱动传动单元与切向加载单元、法向驱动单元连接，将法向驱动单元的驱动位移与驱动力传给切向加载单元；法向驱动单元与变尺度驱动传动单元连接，作为机构的主动驱动源，用于驱动变尺度驱动传动单元进行加载/卸载；支撑外框架3用于支撑整个机构并保持整个机构各部分的稳定；

楔形刚毛束单元包括两个楔形刚毛束7，两个楔形刚毛束7的顶部分别设置有一个切向加载单元；

切向加载单元包括由底部到顶部依次通过粘结剂5粘结固定的下刚性板9、上刚性板10和切向执行层11，楔形刚毛束7则通过粘结剂5粘结于下刚性板9的底部；

法向驱动单元设置于两个切向加载单元之间，法向驱动单元包括驱动杆1和驱动端2，驱动端2设置于驱动杆1的顶端，用于对驱动杆1加载或卸载；驱动杆1底部与传动杆通过柔性铰链8连接，支撑外框架3的中部框体设置于所述法向驱动单元的顶部。

变尺度驱动传动单元设置于法向驱动单元与切向加载单元之间，用于将法向驱动单元的驱动位移与驱动力传递给切向加载单元；变尺度驱动传动单元包括由两个刚性支撑板4构成的传动杆和柔性铰链8；传动杆两端通过柔性铰链8分别与法向驱动单元、切向加载单元连接；且传动杆在法向驱动单元与切向加载单元之间倾斜设置；本发明中，法向驱动单元的设置位置高于切向加载单元的设置位置，所以构成传动杆的两个刚性支撑板4是斜向上呈一定角度设置的。

支撑外框架3的中部框体设置于驱动杆1的外部，支撑外框架3两侧沿着变尺度驱动传动单元和切向加载单元的顶部轮廓向外延伸，并通过粘结剂5粘结固定于切向执行层11的顶部以支撑整个机构；由于支撑外框架3粘结固定于切向执行层11的顶部，其还可以使切向加载单元只能沿切向运动，可限制楔形刚毛束7产生其他方向上的寄生运动，从而实现对楔形刚毛束7的纯切向加载或卸载。

本发明提供的变尺度驱动仿生干黏附机构中，上刚性板10与下刚性板9之间、两个刚性支撑板4之间和驱动杆1的底部均通过粘结剂5粘结固定一层柔性层6，且各个柔性层6为一体结构，各个柔性层6的过渡处构成柔性铰链8；一体设置的柔性层6，在各个单元之间，过渡处因其自身的柔性形成柔性铰链8，消除了传动过程中的空程与机械摩擦，使运动更加紧凑。

具体的，柔性层6的材质为聚酰亚胺薄膜；粘结剂5为Adhesive Systems，Inc.M60胶水；上刚性板10、下刚性板9、刚性支撑板4和驱动杆1相较于柔性层6来说为刚度很大的材料，材质优选为SU-8；切向执行层11是一种易产生切向变形的材料，优选为硅胶；支撑外框架3是用来支撑整个机构，刚性材料即可，因而优选为ABS塑料。

为了进一步保证装置的稳定性，加载的均匀性，发明中，两个楔形刚毛束7、两个切向加载单元和两个变尺度驱动传动单元均对称设置于驱动杆1的两侧。

本发明中的仿生干黏附机构采用仿生楔形刚毛束7为黏附材料，楔形刚毛的黏附机理为范德华力效应；仿生楔形刚毛束7具有低预压、高黏附、易脱附特性，黏附时需要施加较小的预加载，刚毛与目标物12表面接触，此时范德华力较小，在此基础上施加切向力使刚毛发生弯曲，刚毛与目标物12的接触面积增大，相应的范德华力也随之增大。

该仿生干黏附机构是半剪式结构，具有实现法向宏观位移向切向微观位移转换的功能，位移缩放比例与变尺度驱动传动单元和切向加载单元之间的夹角有关，能够提高机构的位移分辨率。倾斜设置的刚性支撑板4、上刚性板10、下刚性板9用于半剪式结构的塑形与维持，在运动过程中只考虑其转动与平移，是一种不发生变形的刚性材料。切向加载单元对楔形刚毛束7的加载方式为面加载。

本发明提供的变尺度驱动仿生干黏附机构工作时分为加载和卸载两个过程，图2a为机构未加载状态下的原理，仿生干黏附机构接近目标物12表面，在一定预加载的作用下楔形刚毛束7尖端与目标物12表面接触，仿生干黏附机构未加载处于自然状态，法向驱动单元未加载，切向加载单元未受到切向力的作用，在支撑外框架3的作用下保持原来位置不变，此时仿生干黏附机构产生的黏附力很小。

图2b为机构在加载状态下的原理图，结合图2b，其加载时的运动过程如下：首先机构朝着目标物12表面接近，楔形刚毛束7与目标物12表面接触，此时刚毛未发生弯曲，产生的法向粘附力很小；随后开始加载，在驱动端2的竖向直线驱动下驱动杆1竖直向下运动，克服柔性铰链8的势能，并推动侧向刚性支撑板4发生转动。之后柔性铰链8将被压缩和挠屈时储存的弹性势能释放转变为对切向加载单元的切向加载力，使切向执行层11产生切向形变，带动楔形刚毛束7平稳切向加载，以产生足够大的黏附力。

图2c为机构在卸载状态下的原理图，结合图2c，机构卸载时的运动过程如下：直线驱动反向加载，使驱动杆1竖直向上运动，带动刚性支撑板4向上转动，通过柔性铰链8使切向加载单元回到初始位置，从而带动楔形刚毛束7恢复未加载时的状态，此时法向粘附力消失，通过控制支撑外框架3将仿生干黏附机构与目标物12脱离，完成卸载。

图2b中x₁为加载时法向位移；Δx₁为加载时切向位移；图2c中x₂为卸载时法向位移；Δx₂为卸载时切向位移。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

一种变尺度驱动仿生干黏附机构专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。