仪器仪表学报

作者：刘彦伟，李博文，胡重阳，王浩，李淑娟

单位：刘彦伟,西安理工大学教育部数控机床及机械制造装备集成重点实验室西安710048,liuyw@xaut.edu.cn,李博文,西安理工大学教育部数控机床及机械制造装备集成重点实验室西安710048,,胡重阳,陕西科技大学电气与控制工程学院西安710021,,王浩,西安理工大学教育部数控机床及机械制造装备集成重点实验室西安710048,,李淑娟,西安理工大学教育部数控机床及机械制造装备集成重点实验室西安710048,shujuanli@xaut.edu.cn,

关键词：仿壁虎跨尺度粘附结构;可控粘附;粘附状态感知;粘附手爪

基金：国家自然科学基金（62403295）、陕西省自然科学基础研究计划(2023-JC-YB-339)、教育部数控机床及机械制造装备集成重点实验室开放基金(SKJC-2022-03)项目资助

针对现有仿壁虎粘附结构在实时状态感知与主动调控能力方面的不足，受壁虎脚趾皮瓣-刚毛多级结构粘附调控方法及感知机制启发，提出了一种具有感知能力的仿生跨尺度粘附结构。该结构由毫米尺度靴形弹性基体与微米尺度蘑菇状粘附阵列复合构成，通过剪切运动实现接触面积的可控调节，正向剪切增大接触面积实现强黏附，反向剪切则通过界面剥离实现易脱附。通过建立跨尺度结构的倾斜棱柱简化模型，理论分析了预压、剪切与剥离这3个阶段中靴形结构底面法向应力的演化规律，发现底面内侧边缘法向应力对预压力与剪切力载荷响应敏感，且其应力状态的突变可作为识别剥离阶段的有效特征。基于双线性牵引-分离理论，建立了跨尺度粘附结构有限元模型，仿真分析了完整粘附过程，验证了结构的可控粘附机制与底面应力演化的阶段特性。依据理论与仿真分析，在仿生跨尺度粘附结构背衬内侧区域集成了薄膜压力传感器，并对其粘附与感知性能进行了实验测试。实验表明，剪切运动能够显著提升跨尺度结构的粘附性能，当剪切位移达到1.4mm时，粘附力达到最大值1.98N。同时，感知信号与法向预压力及剪切位移存在明确的对应关系，可有效识别粘附、滑移与脱附状态。研制的对抓式仿生粘附手爪样机成功实现了对玻璃、硅片等多种光滑表面的稳定抓取、可控释放与状态感知，最大负载能力达1kg，验证了其在机器人操作中的应用潜力。

来源：2025年第10期

《仪器仪表学报》期刊编辑部

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