华吸鳅的吸附结构及其高性能吸附机理
发布时间：2020-11-17 19:51
随着科学技术的发展,对机械作业自动化程度的要求也随之提高。提高自动化程度除了需要智能化技术的支持,机械部分的工作能力也十分重要。高效稳定工作的机械臂是自动化机械的重要组成部分,机械手的抓取能力对机械臂的自动化作业意义重大。真空吸盘由于具有适用范围广、不会对货物造成损伤且对搬运材质无特定限制等优点,被广泛用作机械臂末端的机械手。现有真空吸盘表面多为光滑结构,这种结构虽易加工但对于表面不平整光滑的货物吸附能力较弱。大自然中许多生物为了适应生存环境,进化出了利用真空作用吸附的吸盘,其中一些生物吸盘对于传统吸盘无法吸附的粗糙表面,仍具有高性能的吸附作用。研究分析这些生物的吸附机理,对于提高吸盘吸附性能扩展使用范围具有重要的指导意义。华吸鳅是一种生活在山溪激流中的鱼类,为抵抗湍急的水流其常吸附于粗糙鹅卵石表面。经过进化,华吸鳅的腹部形成了一个可以在粗糙岩石表面稳定吸附的吸盘。本研究以华吸鳅为研究对象,观察分析其吸盘结构形态与吸附作用机理。利用扫描电子显微镜与体式显微镜对生物吸盘表面结构形态进行观察,观测到华吸鳅表面结构为多级毛状结构与凹槽结构。使用拉力测试仪对华吸鳅在光滑与粗糙表面的吸附能力进行测试,华吸鳅在粗糙表面仍具有良好的吸附性能。以粗糙表面的波普函数为数学工具对多级毛状结构在粗糙表面的密封机理进行量化计算。计算结果表明多级结构中的毛状体需要填充凹坑深度为9.7μm小于其长度50μm,因此多级毛状结构对粗糙表面具有良好的密封效果。通过分析凹槽结构对吸盘受力特性的影响,讨论凹槽结构对吸盘吸附性能的作用。由于华吸鳅吸盘的多级毛状结构为微观的嵌套多级柔性结构,仿制与工业生产的可行性较低,故以华吸鳅吸盘的凹槽结构为仿生元素进行仿生设计。选用生活中常用的直径25mm的PVC材料吸盘为参考吸盘设计吸盘基本尺寸,在吸盘内壁上设计加工均匀分布的矩形凹槽制作仿生吸盘。对比测试仿生与标准形态吸盘吸附力,相对于标准形态吸盘仿生吸盘吸附力可提高约10%左右。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：Q811
【部分图文】：
第1章绪论1第1章绪论1.1课题研究的背景和意义1.1.1真空吸盘的应用前景随着科学技术的发展，人们对机械的自动化程度要求越来越高。要提高机械作业的自动化程度，一个具有灵活性、通用性的机械手臂是至关重要的[1-3]（图1.1）。与人工相比，机械手可以在有毒、有害、危险的环境下连续工作，比如焊接、喷漆等；也可以完成频繁、单调、重复的劳动，比如上下料、搬运等。与普通机械执行机构相比，机械手臂具有更好的灵活性、智能性、通用性[4-5]。机械手臂已经成为未来智能化作业、工业4.0的关键技术[6]。要提高机械手臂的通用性，需要增强机械手对不同形状物体的抓取能力。相对于通过机械夹持方式搬运货物的机械手，柔软而有弹性的吸盘可以很方便地实现诸如工件的吸持、脱开、传递等搬运功能，且对搬运货物的损害较小[7-11]。因此在产品包装、物体的传输和机械装配等自动化作业线上，使用真空吸盘来抓取货物的案例越来越多。国内外多数生厂商已经使用了这种吸盘式机械手，比如上海汉尔得工厂，特斯拉无人工厂等。但是现有的吸盘机械手一般只对类似玻璃板比较规整的货物进行搬运放置（图1.2）。在一些情况下吸盘机械手需要吸附并搬运一些像金属板材和木材板[12]等表面比较粗糙的物体，此时传统吸盘很难达到要求。图1.1吸盘机械手臂图1.2玻璃搬运吸盘
第1章绪论1第1章绪论1.1课题研究的背景和意义1.1.1真空吸盘的应用前景随着科学技术的发展，人们对机械的自动化程度要求越来越高。要提高机械作业的自动化程度，一个具有灵活性、通用性的机械手臂是至关重要的[1-3]（图1.1）。与人工相比，机械手可以在有毒、有害、危险的环境下连续工作，比如焊接、喷漆等；也可以完成频繁、单调、重复的劳动，比如上下料、搬运等。与普通机械执行机构相比，机械手臂具有更好的灵活性、智能性、通用性[4-5]。机械手臂已经成为未来智能化作业、工业4.0的关键技术[6]。要提高机械手臂的通用性，需要增强机械手对不同形状物体的抓取能力。相对于通过机械夹持方式搬运货物的机械手，柔软而有弹性的吸盘可以很方便地实现诸如工件的吸持、脱开、传递等搬运功能，且对搬运货物的损害较小[7-11]。因此在产品包装、物体的传输和机械装配等自动化作业线上，使用真空吸盘来抓取货物的案例越来越多。国内外多数生厂商已经使用了这种吸盘式机械手，比如上海汉尔得工厂，特斯拉无人工厂等。但是现有的吸盘机械手一般只对类似玻璃板比较规整的货物进行搬运放置（图1.2）。在一些情况下吸盘机械手需要吸附并搬运一些像金属板材和木材板[12]等表面比较粗糙的物体，此时传统吸盘很难达到要求。图1.1吸盘机械手臂图1.2玻璃搬运吸盘
吉林大学硕士学位论文2吸盘机械手由于只需吸附在被搬运物体的表面，因此对物体的立体形状要求较低，对物体的表面形态要求较高。根据真空吸盘的吸附原理可知对于较粗糙表面传统吸盘很难保持良好的密封性，容易导致吸盘吸附失效。但伴随着人们对机械自动化要求的提高，一些机械作业要求机械吸盘在一些粗糙表面也要保持吸附。典型的如爬壁机器人[13]（图1.3）、水下作业机械手臂[14]（图1.4）以及一些特殊作业的工业机械手臂等，都需要吸附于粗糙表面。其中爬壁机器人需要在各种各样的粗糙墙壁上稳定的爬行，要保证其作业的稳定性其配套使用的吸盘必须具有在粗糙表面的吸附稳定性。在大自然中许多生物为了更好的适应生存环境，常需要吸附在各种物体表面。如印鱼常吸附在鲨鱼身体上，通过搭载航行减少自身能量消耗[15]，章鱼通过触角上大量的吸盘捕捉猎物。因此这些生物身上进化出了可在不同表面进行吸附的吸盘，研究这些生物的吸盘构造与吸附机理对设计具有高吸附性能的吸盘有重要指导意义。图1.3吸盘爬壁机器人图1.4水下吸盘机械臂[14]1.1.2吸盘研究现状吸盘由于其有效的吸附作用，在不同的作业环境中被广泛使用，因此也对吸盘提出了在不同环境下均能稳定吸附的要求。为了满足吸盘在不同环境下稳定吸附的要求，提高吸盘的变形能力与吸附稳定性，生产厂家设计制作了不同结构与材料的吸盘。（1）真空吸盘结构研究在吸盘结构方面，研究人员设计了形式各异的吸盘来满足吸盘在不同工作环
【参考文献】
本文编号：2887853
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：Q811
【部分图文】：
第1章绪论1第1章绪论1.1课题研究的背景和意义1.1.1真空吸盘的应用前景随着科学技术的发展，人们对机械的自动化程度要求越来越高。要提高机械作业的自动化程度，一个具有灵活性、通用性的机械手臂是至关重要的[1-3]（图1.1）。与人工相比，机械手可以在有毒、有害、危险的环境下连续工作，比如焊接、喷漆等；也可以完成频繁、单调、重复的劳动，比如上下料、搬运等。与普通机械执行机构相比，机械手臂具有更好的灵活性、智能性、通用性[4-5]。机械手臂已经成为未来智能化作业、工业4.0的关键技术[6]。要提高机械手臂的通用性，需要增强机械手对不同形状物体的抓取能力。相对于通过机械夹持方式搬运货物的机械手，柔软而有弹性的吸盘可以很方便地实现诸如工件的吸持、脱开、传递等搬运功能，且对搬运货物的损害较小[7-11]。因此在产品包装、物体的传输和机械装配等自动化作业线上，使用真空吸盘来抓取货物的案例越来越多。国内外多数生厂商已经使用了这种吸盘式机械手，比如上海汉尔得工厂，特斯拉无人工厂等。但是现有的吸盘机械手一般只对类似玻璃板比较规整的货物进行搬运放置（图1.2）。在一些情况下吸盘机械手需要吸附并搬运一些像金属板材和木材板[12]等表面比较粗糙的物体，此时传统吸盘很难达到要求。图1.1吸盘机械手臂图1.2玻璃搬运吸盘
第1章绪论1第1章绪论1.1课题研究的背景和意义1.1.1真空吸盘的应用前景随着科学技术的发展，人们对机械的自动化程度要求越来越高。要提高机械作业的自动化程度，一个具有灵活性、通用性的机械手臂是至关重要的[1-3]（图1.1）。与人工相比，机械手可以在有毒、有害、危险的环境下连续工作，比如焊接、喷漆等；也可以完成频繁、单调、重复的劳动，比如上下料、搬运等。与普通机械执行机构相比，机械手臂具有更好的灵活性、智能性、通用性[4-5]。机械手臂已经成为未来智能化作业、工业4.0的关键技术[6]。要提高机械手臂的通用性，需要增强机械手对不同形状物体的抓取能力。相对于通过机械夹持方式搬运货物的机械手，柔软而有弹性的吸盘可以很方便地实现诸如工件的吸持、脱开、传递等搬运功能，且对搬运货物的损害较小[7-11]。因此在产品包装、物体的传输和机械装配等自动化作业线上，使用真空吸盘来抓取货物的案例越来越多。国内外多数生厂商已经使用了这种吸盘式机械手，比如上海汉尔得工厂，特斯拉无人工厂等。但是现有的吸盘机械手一般只对类似玻璃板比较规整的货物进行搬运放置（图1.2）。在一些情况下吸盘机械手需要吸附并搬运一些像金属板材和木材板[12]等表面比较粗糙的物体，此时传统吸盘很难达到要求。图1.1吸盘机械手臂图1.2玻璃搬运吸盘
吉林大学硕士学位论文2吸盘机械手由于只需吸附在被搬运物体的表面，因此对物体的立体形状要求较低，对物体的表面形态要求较高。根据真空吸盘的吸附原理可知对于较粗糙表面传统吸盘很难保持良好的密封性，容易导致吸盘吸附失效。但伴随着人们对机械自动化要求的提高，一些机械作业要求机械吸盘在一些粗糙表面也要保持吸附。典型的如爬壁机器人[13]（图1.3）、水下作业机械手臂[14]（图1.4）以及一些特殊作业的工业机械手臂等，都需要吸附于粗糙表面。其中爬壁机器人需要在各种各样的粗糙墙壁上稳定的爬行，要保证其作业的稳定性其配套使用的吸盘必须具有在粗糙表面的吸附稳定性。在大自然中许多生物为了更好的适应生存环境，常需要吸附在各种物体表面。如印鱼常吸附在鲨鱼身体上，通过搭载航行减少自身能量消耗[15]，章鱼通过触角上大量的吸盘捕捉猎物。因此这些生物身上进化出了可在不同表面进行吸附的吸盘，研究这些生物的吸盘构造与吸附机理对设计具有高吸附性能的吸盘有重要指导意义。图1.3吸盘爬壁机器人图1.4水下吸盘机械臂[14]1.1.2吸盘研究现状吸盘由于其有效的吸附作用，在不同的作业环境中被广泛使用，因此也对吸盘提出了在不同环境下均能稳定吸附的要求。为了满足吸盘在不同环境下稳定吸附的要求，提高吸盘的变形能力与吸附稳定性，生产厂家设计制作了不同结构与材料的吸盘。（1）真空吸盘结构研究在吸盘结构方面，研究人员设计了形式各异的吸盘来满足吸盘在不同工作环
【参考文献】
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本文编号：2887853
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