本文從接觸式真空吸取的技術(shù)需求出發(fā)，分析了接觸式真空吸盤(pán)的設(shè)計(jì)要求和主要結(jié)構(gòu)形式，闡述了接觸式真空吸取技術(shù)由非金屬材料常規(guī)吸盤(pán)到形狀自適應(yīng)和人工彈性材料仿生吸盤(pán)的發(fā)展歷程，研究了真空吸取力產(chǎn)生方法由外部負(fù)壓源抽吸到吸盤(pán)變形改變內(nèi)容積、吸盤(pán)材料優(yōu)化等多種方法的發(fā)展趨勢(shì)。隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，合理利用新技術(shù)和新方法，能優(yōu)化吸盤(pán)結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)吸取效果，推動(dòng)接觸式真空吸取技術(shù)朝著多工況適應(yīng)、多形狀?yuàn)A持、高效節(jié)能等方向發(fā)展。

　　接觸式真空吸取技術(shù)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活中，利用負(fù)壓來(lái)夾持工件，具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。真空吸取的執(zhí)行器為真空吸盤(pán)，采用負(fù)壓抽吸等方法在吸盤(pán)內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度，從而吸著工件。在半導(dǎo)體工業(yè)中，利用真空吸盤(pán)顯像管、包裝盒等工件，完成物流輸送、自動(dòng)裝配等工序；在食品生產(chǎn)與加工中，真空吸盤(pán)運(yùn)送糕點(diǎn)、瓜果等食品，免人工，安全衛(wèi)生而高效；在新興的機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，爬墻機(jī)器人安裝了真空吸盤(pán)，輕松地吸附于高層建筑墻面，服務(wù)型機(jī)器人末端的真空吸盤(pán)則為服務(wù)對(duì)象快速安全地拿取所需的物品。真空吸盤(pán)易實(shí)現(xiàn)柔性?shī)A持，對(duì)物件表面損傷小，具有安全、可靠、價(jià)格低廉、輕便、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，而氣壓驅(qū)動(dòng)的高柔順性更易于實(shí)現(xiàn)仿生結(jié)構(gòu)，具有良好的前景。本文從夾持的需求出發(fā)，分析了接觸式真空吸取技術(shù)的研究現(xiàn)狀，展望其發(fā)展前景。

1、夾持需求

　　夾持需求包括兩個(gè)方面，一是吸盤(pán)能適應(yīng)物件的形狀，與物件有效貼合，一是提供可靠的真空度。接觸式真空吸取技術(shù)為自動(dòng)化物流和機(jī)器人提供了便利的真空夾持方法，而生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步又對(duì)真空吸取技術(shù)提出了更高的要求。夾持工作環(huán)境趨于多樣化，例如，人類探尋海洋深處的秘密需要適應(yīng)水下環(huán)境，空間探測(cè)則需要適應(yīng)宇宙環(huán)境。混流生產(chǎn)工件形狀的多元化需要夾持器能適應(yīng)多種工件形狀。社會(huì)服務(wù)需求的增多，需要大量能提供生活服務(wù)的機(jī)器人，而這些機(jī)器人是否具有靈活可靠的夾持末端，大大影響服務(wù)的效果。另外，全球性能源短缺，使得節(jié)約能源成為人類的迫切需求。這些新要求促使接觸式真空吸取技術(shù)朝著多工況適應(yīng)、多形狀?yuàn)A持、高效節(jié)能等方向發(fā)展。

2、接觸式真空吸取技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　2.1、真空吸盤(pán)結(jié)構(gòu)形式

　　真空吸盤(pán)為接觸式真空吸取的末端執(zhí)行器。常規(guī)吸盤(pán)的材料為丁腈橡膠、硅橡膠、聚氨酯、氟化橡膠等彈性較好的非金屬材料，結(jié)構(gòu)形式多為平直型、深凹型、風(fēng)琴型等，并可根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)尺寸專門(mén)設(shè)計(jì)微型或大型吸盤(pán)。針對(duì)現(xiàn)行負(fù)壓吸盤(pán)的剛度和形狀不能調(diào)整所帶來(lái)的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)吸盤(pán)材質(zhì)和形狀進(jìn)行了研究和探索。通過(guò)在吸盤(pán)連接處設(shè)計(jì)緩沖連接器，改變緩沖連接器的彈性和形狀來(lái)調(diào)節(jié)吸盤(pán)的剛度和夾持耦合面，以適應(yīng)更多工作條件的要求。圖1 為球鉸式吸盤(pán)，吸盤(pán)可適應(yīng)工件吸附表面的傾斜而自由轉(zhuǎn)動(dòng)，吸盤(pán)體上的抽吸孔通過(guò)貫穿球節(jié)的孔，與安裝在球節(jié)端部的吸盤(pán)相通。

　　由于單個(gè)吸盤(pán)提供的吸著面有限，在實(shí)際運(yùn)用中常采用多個(gè)吸盤(pán)一起工作的安裝方式。葉鵬等發(fā)明了一種具有姿態(tài)自主檢測(cè)和吸附面自適應(yīng)能力的負(fù)壓吸附模塊(圖2)，通過(guò)傾角傳感器測(cè)量吸附模塊相對(duì)于吸附面的位置和姿態(tài)，通過(guò)距離傳感器測(cè)距計(jì)算出吸盤(pán)面與被吸附面間的夾角和距離，從而調(diào)整裝置的位置參數(shù)，更好地適應(yīng)吸附面。

圖1 球鉸式吸盤(pán)結(jié)構(gòu)示意

圖2 吸附面自適應(yīng)負(fù)壓吸附模塊

　　孫錦山等研制了氣動(dòng)多吸盤(pán)爬墻機(jī)器人(圖3)，多個(gè)吸盤(pán)提供了更大的吸著面。與圖2 所示裝置不同，各吸盤(pán)之間采用了柔性驅(qū)動(dòng)器連接，能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的彎曲，由于吸盤(pán)之間的相對(duì)位置可以隨柔性驅(qū)動(dòng)器的彎曲而改變，因此控制策略更為簡(jiǎn)單。

圖3 氣動(dòng)多吸盤(pán)爬墻機(jī)器人

　　2.2、真空吸取力產(chǎn)生方法

　　將吸盤(pán)腔室內(nèi)的氣體抽去，從而產(chǎn)生負(fù)壓吸引力，是最基礎(chǔ)的吸取力產(chǎn)生方式，這種方法的前提是吸盤(pán)需和物體緊密接觸，使吸盤(pán)腔室密閉。通過(guò)吸盤(pán)對(duì)物體的貼附，產(chǎn)生密閉腔室，采用真空泵或其他真空發(fā)生元件產(chǎn)生真空。

　　針對(duì)吸盤(pán)吸取工件動(dòng)態(tài)過(guò)程的特點(diǎn)，為了使吸盤(pán)的工作更安全可靠，滕紅華等在對(duì)吸盤(pán)兩個(gè)典型工位的受力進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)分析和比較的基礎(chǔ)上，為真空吸盤(pán)的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供更科學(xué)、更安全的設(shè)計(jì)依據(jù)。昌先國(guó)等為了保證真空吸取力，設(shè)計(jì)了多真空室吸盤(pán)，在一組真空室中，當(dāng)部分真空室由于空氣泄漏自行封閉，而其他真空室仍正常工作來(lái)提供機(jī)器人所需的足夠的吸附力，并對(duì)不同的壁面進(jìn)行了吸附實(shí)驗(yàn)。在有溝槽的壁面，起吸附作用的小真空室的負(fù)壓照樣能建立，只是負(fù)壓略低。

3、真空吸取技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

　　3.1、仿生吸盤(pán)

　　由于常規(guī)吸盤(pán)多針對(duì)特定的工件要求，多適用于平整光滑的平面，適應(yīng)的工件形狀種類少。為了適應(yīng)多種工件的夾持需求，基于海洋軟體生物靈感， 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)仿生吸盤(pán)進(jìn)行了研究。Frank W Grasso 等分析了章魚(yú)吸盤(pán)的特點(diǎn)，并指出制造的人工吸盤(pán)必須滿足三個(gè)功能，即具有漏斗狀結(jié)構(gòu)提供表面密封以適應(yīng)任意幾何表面；具備人工吸盤(pán)結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生吸著所需負(fù)壓力；外部肌肉使得被吸著的表面能隨機(jī)械臂自由旋轉(zhuǎn)。

　　周利坤等用仿生學(xué)原理和真空吸附原理，以三種仿生凹形漏斗吸盤(pán)結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)，結(jié)合章魚(yú)吸盤(pán)平行或并列規(guī)則布局的特點(diǎn)，建立基于仿生單元體的矩形布局或者菱形布局規(guī)律的仿生隨機(jī)輪胎布局模型。通過(guò)力學(xué)分析，胎面吸盤(pán)式花紋絕大部分與冰面發(fā)生有效吸附，可確保提供足夠的吸附力，提高汽車(chē)在冰面上的防滑能力。但是，因?yàn)檎卖~(yú)吸盤(pán)的肌肉組織數(shù)目龐大、緊密填滿，并具有三維結(jié)構(gòu)特征，人工加工難度較大。美國(guó)科學(xué)家用復(fù)合材料3D 打印技術(shù)制作人工吸盤(pán)樣品，每個(gè)吸盤(pán)只有指甲蓋大小(圖4)，并使用這樣的吸盤(pán)在陸地上進(jìn)行了吸著實(shí)驗(yàn)。科學(xué)家們預(yù)測(cè)，這樣的吸盤(pán)在水下使用時(shí)性能可能進(jìn)一步提升，因?yàn)樗畨耗芴峁└�大的壓力。�?duì)于機(jī)器人的執(zhí)行末端，制造像章魚(yú)吸盤(pán)那樣的人造裝置，需要制作大量的如章魚(yú)組織的人工肌肉單元，技術(shù)難度較高，也需要較高的加工成本。為了找到更易實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，Jingping Hou 等研究了魷魚(yú)吸盤(pán)的仿生結(jié)構(gòu)特性，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)并制作了人工魷魚(yú)吸盤(pán)(圖5)，可用于軟體機(jī)器人末端執(zhí)行器。

圖4 仿章魚(yú)吸盤(pán)樣品

圖5 人工仿魷魚(yú)吸盤(pán)

　　隨著氣動(dòng)技術(shù)、生物技術(shù)和材料技術(shù)的融合，仿生真空吸取技術(shù)方興未艾，這類新興的仿生吸盤(pán)，使用人工彈性材料，模擬海洋軟體生物變形和吸著。與常規(guī)吸盤(pán)相比，仿生吸盤(pán)能耗更少，適應(yīng)性更強(qiáng)，有著良好的發(fā)展前景。

　　3.2、吸盤(pán)變形產(chǎn)生真空度

　　改變吸著容積，從而改變吸著腔壓力的方法是另一種真空吸取力產(chǎn)生方法，彈性體材料圍成一個(gè)密閉容腔，彈性體材料變形，使吸盤(pán)內(nèi)腔室容積改變，以產(chǎn)生負(fù)壓。胡冰山等設(shè)計(jì)了帶偏置彈簧的偏動(dòng)式SMA 彈簧驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)仿生負(fù)壓吸盤(pán)(圖6)，建立了該吸盤(pán)的理論模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論模型，吸盤(pán)內(nèi)的負(fù)壓可達(dá)約12 kPa，且能耗更少。

圖6 SMA 彈簧驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)仿生負(fù)壓吸盤(pán)原理示意

　　3.3、吸盤(pán)材料優(yōu)化

　　除了負(fù)壓抽吸、改變吸著容積等方法獲得一定的真空度，吸盤(pán)的材料性質(zhì)和吸著面的微結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)吸著效果產(chǎn)生一定的影響。

　　Follador 等采用絕緣彈性材料來(lái)模擬肌肉柱狀纖維束結(jié)構(gòu)，以形成緊密的吸著和密封。Tramacere 等比較了吸著面的微小褶皺構(gòu)造對(duì)吸著效果的影響，在水下靜態(tài)吸著實(shí)驗(yàn)中(圖7)，液體的種類及雜質(zhì)、水溫、吸盤(pán)吸著面的材質(zhì)特性都會(huì)影響吸著效果。根據(jù)章魚(yú)吸盤(pán)的解剖結(jié)構(gòu)，除了依靠頂端的空腔和柔軟的側(cè)邊來(lái)制造壓力(差)來(lái)形成密閉的真空以外，小吸盤(pán)材料也有特別之處�；�于顯微鏡和顯微CT(微計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù))的觀察結(jié)果，吸盤(pán)的側(cè)面和邊緣生長(zhǎng)著細(xì)小的同軸排列的纖維叢，有助于在水底凹凸不平的表面上制造密閉真空。

圖7 水下靜態(tài)吸著實(shí)驗(yàn)

4、結(jié)論

　　本文綜述了真空吸取技術(shù)的研究現(xiàn)狀，介紹了真空吸盤(pán)常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式和真空吸取的方法，調(diào)研了仿生吸盤(pán)的研究進(jìn)展和實(shí)現(xiàn)方法。隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，合理利用新技術(shù)和新方法，能優(yōu)化吸盤(pán)結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)吸取效果，推動(dòng)接觸式真空吸取技術(shù)朝著多工況適應(yīng)、多形狀?yuàn)A持、高效節(jié)能等方向發(fā)展。