專利名稱：仿生濕吸爬壁機(jī)器人足墊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于仿生學(xué)領(lǐng)域，涉及一種仿生濕吸爬壁機(jī)器人的攀爬結(jié)構(gòu)，尤其是一種
仿生濕吸爬壁機(jī)器人足墊。
背景技術(shù)：
近幾年來，動(dòng)物生理學(xué)及仿生學(xué)的研究者們對(duì)濕吸類爬壁動(dòng)物的吸附來源、吸附 機(jī)構(gòu)的生理學(xué)特性等進(jìn)行了較為深入的研究，得知濕吸類動(dòng)物足墊的吸附力主要來源于足 墊分泌的粘液在足墊與壁面之間形成薄膜時(shí)，產(chǎn)生的表面張力或毛細(xì)力。受此啟示，通過模 仿濕吸類動(dòng)物足墊的表面微結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)仿生濕吸爬壁機(jī)器人的足墊。因?yàn)闈裎悇?dòng)物足墊 的表面微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，在微米級(jí)甚至納米級(jí)，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基于現(xiàn)有的制造工藝和加 工精度，完全復(fù)制濕吸類動(dòng)物的足墊十分困難，而且是沒有必要的。因?yàn)閯?dòng)物要在垂直壁面 上自由行走，除了由足墊提供必要吸附力以外，還要具有能快速剝離的機(jī)制。在剝離實(shí)現(xiàn)方 面，動(dòng)物依靠表層下的纖維的方向性，即與垂直壁面成一定的角度，以及吸附、剝離時(shí)采用 不同的步態(tài)來實(shí)現(xiàn)。 鑒于目前加工技術(shù)的制約，同時(shí)為了滿足仿生濕吸機(jī)器人爬壁時(shí)吸附力的需求， 根據(jù)濕吸類昆蟲足墊的整體結(jié)構(gòu)，包括表面微結(jié)構(gòu)以及表層下的纖維，提供了一種新型的 仿生濕吸機(jī)器人的足墊，用于實(shí)現(xiàn)仿生濕吸爬壁機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種仿生濕吸爬壁機(jī)器人足墊。 該足墊具有較好的粘彈特性，與物體表面具有良好的接觸能力和粘合力，同時(shí)該 足墊具有合理的迅速吸附和剝離機(jī)制，結(jié)構(gòu)簡單，材質(zhì)柔軟，易于實(shí)現(xiàn)。 本發(fā)明提出的仿生濕吸爬壁機(jī)器人足墊，包括微結(jié)構(gòu)的曲面、中間層的仿生纖維 斜片和硅膠平面； 所述微結(jié)構(gòu)的曲面由足墊前端光滑曲面1、足墊中央平面2和足墊后端光滑曲面3 依次連接組成一體； 所述中間層的仿生纖維斜片由后端仿生纖維切片4、中央仿生纖維切片5和前端 仿生纖維切片6組成，后端仿生纖維切片4、中央仿生纖維切片5和前端仿生纖維切片6 — 側(cè)均連接足墊中央曲面2 —側(cè)，后端仿生纖維切片4、中央仿生纖維切片5和前端仿生纖維 切片6與足墊中央平面5之間夾角分別為25° 、35° 、45° ; 所述硅膠平面7具有與仿生纖維斜片和微結(jié)構(gòu)的曲面相對(duì)應(yīng)的切片凹槽，切片凹 槽9共有IO個(gè)，具有微結(jié)構(gòu)的曲面與中間層的仿生纖維均通過凹槽固定在硅膠平面上，利 用硅膠平面上的螺紋孔8，將硅膠足墊安裝在仿生濕吸機(jī)器人的足端。 本發(fā)明中，所述后端仿生纖維切片4為2個(gè)，中央仿生纖維切片5為3個(gè)，前端仿 生纖維切片6為2個(gè)。本發(fā)明中，所述足墊中央平面2的表面具有邊長為0. 2mm，高為0. 3mm，間距為0. lmm的微結(jié)構(gòu)花紋，如圖2所示，正方形柱體斜向45° ，在平面上均勻分布。 本發(fā)明具有以下特點(diǎn)足墊上只有中央平面具有微結(jié)構(gòu)，兩端的曲面是光滑的，有
利于吸附力的控制；仿生纖維片具有相同的厚度，不同位置上的仿生纖維片與中央平面的
夾角不同，有利于足墊的吸附和剝離；硅膠平面上凹槽的分布，根據(jù)仿生纖維片的位置設(shè)
計(jì)，有利于足墊各部分的組裝和在機(jī)器人足端上的固定。該足墊結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，通過
上述的模具澆注而成，容易在足墊表面形成微結(jié)構(gòu)的花紋，具有仿生的概念，能夠滿足仿生
濕吸機(jī)器人爬壁時(shí)吸附力的需求，易于實(shí)現(xiàn)仿生濕吸機(jī)器人的爬壁運(yùn)動(dòng)。


圖l為仿生足墊結(jié)構(gòu)圖。 圖2為仿生足墊表面微結(jié)構(gòu)。 圖3為硅膠平面7結(jié)構(gòu)圖示。 圖4為濕吸類昆蟲接觸過程示意圖。 圖5為濕吸類昆蟲剝離過程示意圖。 圖6為垂直吸附力與接觸面積的關(guān)系。
圖7為平行吸附力與接觸面積的關(guān)系。
圖中標(biāo)號(hào)1為足墊前端光滑曲面，2為足墊中央曲面，3為足墊后端光滑曲面，4為 后端仿生纖維切片，5為中央仿生纖維切片，6為前端仿生纖維切片，7硅膠平面，8螺紋孔，9 切片凹槽。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。 仿生濕吸機(jī)器人的足墊，如圖1所示，主要包括具有微結(jié)構(gòu)的曲面、中間層的仿生 纖維斜片和硅膠平面7。 具有微結(jié)構(gòu)的曲面分為三部分足墊前端光滑曲面1、足墊中央平面2、足墊后端 光滑曲面3。足墊前端光滑曲面1的投影面積是25mmX30mm，曲率半徑是44mm，彎曲后的高 度是10mm，表面沒有微結(jié)構(gòu)。足墊中央平面2的面積是25mmX 12mm，表面具有邊長為0. 2mm， 高為0. 3mm，間距為0. lmm的微結(jié)構(gòu)花紋，如圖2所示，正方形柱體斜向45° ，在平面上均勻 分布。根據(jù)動(dòng)物足墊表面微結(jié)構(gòu)及膠帶撕裂理論，該結(jié)構(gòu)有利于粘液的分泌與排開，增加足 墊與壁面的有效接觸面積，同時(shí)需要的剝離力較大，即具有較好的吸附性能。足墊后端光滑 曲面3的投影面積是25mmX58mm，曲率半徑是158mm，彎曲后的高度是10mm，表面沒有微結(jié) 構(gòu)。曲面厚度可以通過制造模具上的調(diào)幅螺紋孔進(jìn)行改變，以滿足不同應(yīng)用的需要。因此 具有微結(jié)構(gòu)的曲面能夠方便地改變接觸面積，進(jìn)而改變與物體表面接觸時(shí)吸附力的大小， 有利于吸附力的控制。 中間層的仿生纖維斜片分為三部分45。前端仿生纖維斜片6、35。中央仿生纖 維斜片5、25°后端仿生纖維斜片4，片數(shù)分別為3、2、3，每片纖維片的寬度均為2mm。
硅膠平面7厚度在3mm 5mm之間，主要包括螺紋孔8、寬度為2mm的切片凹槽 9。切片凹槽9分別與45。前端仿生纖維斜片6、35。中央仿生纖維斜片5、25°后端仿生纖 維斜片5、足墊前端光滑曲面1的末端、足墊后端光滑曲面3的末端相對(duì)應(yīng)，通過粘合劑將二 者粘合在一起。硅膠平面7的角上分布有4個(gè)螺紋孔8，通過螺釘將足墊安裝在仿生濕吸機(jī)
4器人的足端。 通過對(duì)濕吸類昆蟲步態(tài)的研究，發(fā)現(xiàn)足墊的吸附和剝離具有一定的方向性的吸 附時(shí)，昆蟲會(huì)先拖動(dòng)足墊向身體方向滑動(dòng)，足墊滑動(dòng)接觸開始后，纖維因受到來自腿部的指 向壁面向里的預(yù)載力的作用，微結(jié)構(gòu)纖維受到的是拉伸作用力，進(jìn)而使之與壁面的有效接 觸面積快速增加，如圖4所示；而剝離時(shí)則相反，昆蟲在抬腿的同時(shí)，會(huì)拖動(dòng)足墊向遠(yuǎn)離身 體的方向滑動(dòng)，微結(jié)構(gòu)受到的是壁面的反作用力，起到支點(diǎn)的作用，接觸面積急劇減小，直 到足墊完全與壁面剝離，如圖5所示，由于吸附和剝離過程中方向性的存在，使昆蟲的足墊 表現(xiàn)出較好的粘彈性。 本發(fā)明所設(shè)計(jì)的仿生濕吸機(jī)器人足墊，能夠?qū)崿F(xiàn)類似濕吸類昆蟲吸附、剝離過程 的方向性。當(dāng)仿生濕吸爬壁機(jī)器人吸附時(shí)，機(jī)器人有向下剝離的趨勢，機(jī)器人對(duì)足墊有一 個(gè)向下的拉力，此時(shí)25。后端仿生纖維斜片4、35。中央仿生纖維斜片5、45。后端仿生纖 維斜片6與壁面的夾角將會(huì)減小，使足墊與壁面的接觸面積增加，吸附力增加，若吸附力能 夠平衡機(jī)器人的重力，機(jī)器人能夠吸附在壁面上；當(dāng)需要?jiǎng)冸x時(shí)，控制機(jī)器人腿部的驅(qū)動(dòng)電 機(jī)，對(duì)足墊施加一個(gè)向上的推力，此時(shí)25。后端仿生纖維斜片4、35。中央仿生纖維斜片5、 45°后端仿生纖維斜片6與壁面的夾角將會(huì)增加，使足墊與壁面的接觸面積減小，吸附力 減小。在吸附、剝離的過程中，足墊中央平面2起到類似支點(diǎn)的作用。因此，該足墊能夠有 效地控制吸附與剝離的過程。 對(duì)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的仿生濕吸機(jī)器人足墊進(jìn)行吸附力的測試。在玻璃表面上噴上一 層薄水膜，使足墊以一定速度在玻璃平面上滑行及剝離，測試得到足墊與玻璃表面形成的 垂直吸附力及平行吸附力(摩擦力)與接觸面積的關(guān)系，如圖6、圖7所示。從圖6、圖7中 可以看出，垂直吸附力與平行平吸附力，隨著接觸面積的增加而增大，在接觸面積相同情況 下，平行吸附力比垂直吸附力大。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的足墊，平行吸附力一般 在150 200g之間，而六足仿生濕吸爬壁機(jī)器人的質(zhì)量在300g左右，機(jī)器人爬行時(shí)，采用 三角步態(tài)，每次均有三條腿與壁面接觸，三個(gè)足墊產(chǎn)生的吸附力，能夠滿足機(jī)器人在壁面爬 行時(shí)的需求。 本發(fā)明一種仿生濕吸機(jī)器人足墊，其創(chuàng)新點(diǎn)主要在足墊表面微結(jié)構(gòu)、足墊的仿纖
維片結(jié)構(gòu)。足墊表面的微結(jié)構(gòu)有利于粘液的分泌與排開，增加足墊與壁面的有效接觸面積，
提高足墊的吸附性能；足墊中特有的仿濕吸類昆蟲足墊內(nèi)部的纖維片的結(jié)構(gòu)，能夠體現(xiàn)吸
附和剝離的方向性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)吸附和剝離過程的有效控制。本發(fā)明具有仿生的概念，能夠滿
足仿生濕吸機(jī)器人爬壁時(shí)吸附力的需求，易于實(shí)現(xiàn)仿生濕吸爬壁機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。 將本發(fā)明的仿生濕吸爬壁機(jī)器人的足墊安裝在機(jī)器人的足端，采用濕吸機(jī)制，實(shí)
現(xiàn)機(jī)器人的爬壁運(yùn)動(dòng)，可用于空間探索、高空戶外作業(yè)、地下管道檢測等，擴(kuò)展人類活動(dòng)范
圍，提高生產(chǎn)效率。
權(quán)利要求
一種仿生濕吸爬壁機(jī)器人足墊，其特征在于包括微結(jié)構(gòu)的曲面、中間層的仿生纖維斜片和硅膠平面；所述微結(jié)構(gòu)的曲面由足墊前端光滑曲面(1)、足墊中央平面(2)和足墊后端光滑曲面(3)依次連接組成一體；所述中間層的仿生纖維斜片由后端仿生纖維切片(4)、中央仿生纖維切片(5)和前端仿生纖維切片(6)組成，后端仿生纖維切片(4)、中央仿生纖維切片(5)和前端仿生纖維切片(6)一側(cè)均連接足墊中央曲面(2)一側(cè)，后端仿生纖維切片(4)、中央仿生纖維切片(5)和前端仿生纖維切片(6)與足墊中央平面(2)之間夾角分別為25°、35°、45°；所述硅膠平面(7)具有與仿生纖維斜片和微結(jié)構(gòu)的曲面相對(duì)應(yīng)的切片凹槽，切片凹槽(9)共有10個(gè)，具有微結(jié)構(gòu)的曲面與中間層的仿生纖維均通過凹槽固定在硅膠平面上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生濕吸爬壁機(jī)器人足墊，其特征在于所述后端仿生纖維切 片(4)為2個(gè)，中央仿生纖維切片(5)為3個(gè)，前端仿生纖維切片(6)為2個(gè)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生濕吸爬壁機(jī)器人足墊，其特征在于所述足墊中央平面 (2)的表面具有邊長為0. 2mm，高為0. 3mm，間距為0. lmm的微結(jié)構(gòu)花紋，正方形柱體斜向 45° ，在平面上均勻分布。
全文摘要
本發(fā)明屬于仿生學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種仿生濕吸爬壁機(jī)器人足墊。包括具有微結(jié)構(gòu)的曲面、中間層的仿生纖維斜片、硅膠平面。具有微結(jié)構(gòu)的曲面與中間層的仿生纖維斜片，在足墊制作時(shí)，通過模具將二者澆注在一起；通過粘合劑將仿纖維斜片固定在硅膠平面的凹槽中，完成足墊的封裝；用螺釘通過硅膠平面上的螺紋孔，將足墊安裝在機(jī)器人的足端。模具包括上端蓋、中間層的仿纖維斜片部件、下端蓋。本發(fā)明有利于粘液的分泌與排開，增加足墊與壁面的有效接觸面積；能夠體現(xiàn)吸附和剝離的方向性，實(shí)現(xiàn)對(duì)吸附和剝離過程的進(jìn)行有效的控制，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單、材質(zhì)柔軟，易于加工，能夠滿足不同應(yīng)用場合下爬壁機(jī)器人對(duì)吸附力要求。
文檔編號(hào)B25J15/06GK101786273SQ20101010217
公開日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2010年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月28日
發(fā)明者何斌, 秦海燕, 陸漢雄, 黎明和 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)