[发明专利]抓持装置以及生产抓持装置的方法

说明书

本发明涉及一种抓持装置，其包括膜；柔性壳体；其中该膜固定地连接到该壳体的外缘。本发明还涉及一种生产抓持装置的方法。

技术领域

本发明涉及一种抓持装置，其包括膜；柔性壳体；其中该膜固定地连接到该壳体的外缘。本发明还涉及一种生产抓持装置的方法。

背景技术

复杂三维(3D)表面的粘附控制抓取(诸如转印、机器人操作和运动以及精密制造中所需的)是非常困难的，因为粘合剂必须足够柔软以能够在轻压下进行紧密接触，但粘合剂必须足够坚硬以能够承受高负载。

通过利用等载荷分担和界面裂纹钉扎的原理，受壁虎启发的干燥微/纳米纤维粘合剂可以使用分子间相互作用(例如范德华力)牢固地粘附到平坦的表面。采用同样的附着方法，受壁虎启发的合成弹性纤维状粘合剂在光滑的平面上的粘结强度达到100kPa以上，超过了壁虎在这种表面上的性能，并通过微米纤维的剥离或屈曲表现出快速释放。在过去的十年里，受壁虎启发的粘合剂已经被应用到各种系统中，包括许多用于爬墙的机器人应用、用于飞行器的驻留设备、和抓持器。

然而，在处理三维(3D)表面时出现了困难，因为目前的受壁虎启发的合成粘合剂系统通常由刚性背衬支撑，这限制了它们适应非平坦的表面的能力。在先前的工作中，开发了一种与柔软膜一体化的弹性纤维状粘合剂，称为纤维状粘合剂，其将该膜固定到三维印刷的刚性塑料本体上，使得系统能够处理各种三维物体。

尽管显示出相对于具有10倍高粘附的非结构化平坦弹性体膜的显著改进，但测试的FAM仅能实现2kPa的粘附应力，这是用刚性背衬微纤维阵列测量的55kPa的一小部分。这意味着，更顺应的膜背衬使得提高了对3D表面的适应性，这以降低96％的粘附强度为代价。考虑到膜的粘附与接触界面的周向长度成比例而不是与面积成比例，上述结果表明，无论是否包括结构，膜的尺寸必须大大增加，以支持高的承载能力。

提高粘附膜的粘附强度需要在整个接触界面上更均匀的负载分担。已提出了一种摩擦附着系统，其可以通过在平坦和稍微弯曲表面上扩大到更大的面积来提高微楔结构的横向负载分担能力和摩擦。

然而，迄今为止，没有粘结系统成功地改善了复杂三维表面纤维状结构的垂直负载分担和粘附。由诸如液态金属、热塑性塑料或形状记忆聚合物等刚度可调的材料制成的背衬层在它们被软化时可适合于3D表面，且在它们被硬化时可支持高断裂强度。

然而，在管理可变形基底(例如塑料箔、橡胶状可伸缩表面、金属薄膜)方面仍然存在困难，因为被硬化的背衬不能适应变形，从而导致在接触边缘处的应力集中。因此，所有粘性抓持任务都受制于在顺应性/适应性和刚度/强度之间的基本权衡。虽然粘合剂必须足够顺应的以适应复杂的3D或可变形的几何形状，但相同的系统必须保持足够的刚度，以最大化界面的(模式I)断裂强度，以便支撑物体的重量。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的是提供一种抓持装置，该抓持装置在确保所需的粘附强度的同时实现所需的变形。

该目标由根据权利要求1所述的抓持装置来满足。

这样的抓持装置包括膜；柔性壳体；其中膜固定地连接到柔性壳体的外缘；在膜和壳体之间存在腔体；以及与连接到该腔体的空气压力调节器(例如注射器泵或真空泵)的连接。

以这种方式，除了固有的柔性膜之外，本发明还利用柔性壳体，该组合使得能够独立地控制抓持装置的3D适应性和结合强度。这种新颖的结构在各种尺寸的3D和可变形表面上表现出增强的和坚固的粘附。

总而言之，提出了一种软负载分担系统，该系统通过利用内部压力对界面负载分担的影响来控制3D表面上的法向负载分布。这种软系统架构解决了具有高表面适应性同时保持高断裂强度的基本挑战。通过利用软的且可变形的主体(壳体)并且当抓持装置的腔体为真空时控制作用在界面上的负压差，所提出的系统推动在非平坦3D几何形状上可实现的最大粘附控制抓持强度的上限。