專利名稱：具有仿生吸振和仿生粘附結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到工程仿生學(xué)，以及機(jī)械設(shè)計和制造等學(xué)科領(lǐng)域，尤其是涉及ー種利用仿生吸振和仿生粘附來實現(xiàn)爬壁功能的機(jī)器人設(shè)備。
背景技術(shù)：
爬壁機(jī)器人是能夠在垂直墻面上進(jìn)行攀爬并完成作業(yè)的自動化機(jī)器人。爬壁機(jī)器人必須具備吸附和移動兩個基本功能，常見的吸附方法有負(fù)壓吸附和磁性吸附兩種方法，其中負(fù)壓吸附要求墻面光滑平整，磁性吸附要求墻面具有導(dǎo)磁性，兩種吸附方式的應(yīng)用范圍都有一定的局限性。根據(jù)移動方式的不同，爬壁機(jī)器人在移動過程中可能會產(chǎn)生振動，這種振動將會影響到爬壁機(jī)器人爬壁過程中的穩(wěn)定性，甚至可能導(dǎo)致出現(xiàn)爬壁機(jī)器人從墻面上掉落的情況發(fā)生。因此，選擇ー種應(yīng)用范圍廣泛的吸附方式，并且能夠解決移動過程中的
震動問題對于爬壁機(jī)器人的研究具有重要意義。在爬壁機(jī)器人方面，中國專利文獻(xiàn)CN1428226提供了ー種《履帶式多吸盤爬壁機(jī)器人的實現(xiàn)方法及所述方法的機(jī)器人》，該專利文件在一定程度上解決了爬壁機(jī)器人在爬行過程中的低速、非連續(xù)性、跨越障礙或溝槽時吸盤出現(xiàn)真空泄漏導(dǎo)致機(jī)器人脫離壁面以及吸盤在吸附過程中密封難度大等難題，但是這種機(jī)器人對墻面光潔度要求嚴(yán)格，適用性不強。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決爬壁機(jī)器人常見吸附方式的局限性以及減小爬壁過程中的震動，提供ー種結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，粘附和吸收震動效果都很好的具有仿生吸振和仿生粘附結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)器人。根據(jù)現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，大壁虎的腳部約有650萬根角蛋白絨毛(剛毛seta)，每根剛毛在頂端又細(xì)分為100-1000根絨毛(spatula)，其末端呈現(xiàn)直徑約0. 2-0. 5 u m的抹刀形狀，如倒立的鈍角三角形連接在末端。2000年，路易斯-克拉克學(xué)院的Kellar Autumn發(fā)現(xiàn)，壁虎單根剛毛的粘附力，最大可以達(dá)到194±25yN。所有剛毛全部完全粘附，最大可達(dá)粘附カ為1300N。排除了氣壓、摩擦力、靜電引力、粘膠作用以及毛細(xì)作用，范德華力(Vander Waals Force，即分子間力)被確定為起主要作用的力，來保持壁虎與墻壁的粘附。隨后科學(xué)家們開始致カ于人工制作仿壁虎腳掌材料即粘附陣列的研究。中科院合肥智能機(jī)械研究所利用硅橡膠(聚ニ甲基硅氧烷，PDMS)為基底，采用微納米加工エ藝，用刻蝕等加工エ藝在硅橡膠上刻蝕出半徑為5 ii m的剛毛，然后在剛毛上用納米エ藝加工出直徑為400nm左右的絨毛。在加上一定預(yù)緊カ之后，在完全粘附的情況下，這種材料在實驗室內(nèi)可以達(dá)到的力學(xué)性能為法向2. 7N/cm2(即粘附力)2. 7N/cm2，切向(即摩擦力)3N/cm2。本發(fā)明利用已有這種粘附整列，設(shè)計了一種粘附履帶作為爬壁機(jī)器人的粘附機(jī)構(gòu)，可以有效避免負(fù)壓吸附和磁性吸附的適用范圍小的弊端。根據(jù)已有研究，鸮類經(jīng)過億萬年的進(jìn)化和自然選擇，其軀體表面具有減少噪聲產(chǎn)生和控制噪聲反射的特性。通過對長耳鸮的胸腹部皮膚縱切片進(jìn)行觀察研究發(fā)現(xiàn)，長耳鸮皮膚可分為三層，即表皮層、真皮層、皮下組織層。長耳鸮皮膚表皮層很薄且覆有一層類似蠟質(zhì)的物質(zhì)，真皮層組織疏松，交錯分布，有許多微管狀小孔，放大225倍觀察到長耳鸮皮膚真皮層與皮下組織之間有薄空腔存在，空腔平均寬度為50 u m。本發(fā)明對長耳鸮的這個特征進(jìn)行仿生建摸，從而應(yīng)用到爬壁機(jī)器人移動過程中的吸振控制，提出了ー種新型應(yīng)用于爬壁機(jī)器人上的仿生吸振結(jié)構(gòu)。已有的爬壁機(jī)器人的履帶多數(shù)采用普通平帶的方式，這種方式的好處是運動平穩(wěn)，震動小，存在的問題是平帶容易打滑，導(dǎo)致兩個履帶的運動產(chǎn)生速度差，爬壁機(jī)器人的運動軌跡將不再是直線，具體軌跡不受控制。本發(fā)明采用圓弧同步帶代替普通平帯，同步帶可以保證兩個履帶的運行速度完全一祥，爬壁機(jī)器人完全沿直線運動。而采用圓弧同步帶的好處還在于圓弧齒要比梯形齒產(chǎn)生的震動更少，爬壁機(jī)器人的運動更穩(wěn)定。在圓弧同步帶的外側(cè)粘貼上文提到的納米陣列材料，從而實現(xiàn)粘附爬壁功能。爬壁機(jī)器人采用同步履帶的方式，需要對同步帶進(jìn)行壓緊設(shè)置，使同步帶張紫。張緊方式主要有兩種，采用張緊輪的方式和一端浮動的方式，考慮到爬壁機(jī)器人尺寸應(yīng)該盡量小，所以本發(fā)明采用一端浮動的張緊方式。爬壁機(jī)器人的底盤分為前部和后部兩個可以 相對運動的部分，一組同步帶的兩個帶輪分別位于底盤的兩個部分，前后底盤之間連接為ー個直線滑動副，用弾性結(jié)構(gòu)連接，以實現(xiàn)對履帶張緊的目的。因為前后底盤之間采用彈性連接而不是固定連接，所以在爬壁機(jī)器人運動過程中會產(chǎn)生比較嚴(yán)重的震動，影響到爬壁機(jī)器人的穩(wěn)定性。針對這ー問題，本發(fā)明采用ー種具有吸振功能的彈性結(jié)構(gòu)來對前后底盤之間的履帶張紫。這種吸振結(jié)構(gòu)是ー種仿長耳鸮皮膚結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計，也是本發(fā)明的核心點之一。具體的技術(shù)方案是參考長耳鸮的皮膚結(jié)構(gòu)，其真皮層有許多微小孔，從而起到了吸振的效果，本發(fā)明采用ー種新型的以多孔彈性橡膠與彈簧相結(jié)合的弾性吸振裝置，它既有彈簧提供的較大的彈性模量，可以滿足對履帶張緊的要求，同時多孔彈性橡膠可以起到很好的吸振效果，從而使爬壁機(jī)器人的運動更穩(wěn)定。這種吸振弾性結(jié)構(gòu)的制作方法可以是，選擇基本尺寸和弾性系數(shù)合適的彈簧數(shù)根，然后通過橡膠加工エ藝中的注射成型エ藝，將多孔彈性橡膠包裹在彈簧周圍，最后要使整個弾性體成型為滿足要求的形狀。本發(fā)明將工程仿生和實踐相結(jié)合，提出一種能夠適用于多種墻面，具有一定穩(wěn)定性的新型爬壁機(jī)器人，對于特種工作條件下作業(yè)的機(jī)器人提供了ー種新的樣式。本發(fā)明的技術(shù)方案如下ー種具有仿生吸振和仿生粘附結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)器人，具有前后底盤、驅(qū)動単元和執(zhí)行単元，執(zhí)行單元包括4個同步帶輪、同步帶和連接同步帶輪的軸，上述前后底盤之間通過仿生吸振単元彈性連接，仿生吸振単元由彈簧和多孔弾性橡膠組成，且多孔彈性橡膠包裹在彈簧周圍。上述驅(qū)動單元包括直流減速電機(jī)和齒輪組，且齒輪組傳動比為I : 3。上述執(zhí)行單元包括4個同步帶輪、同步帶和連接同步帶輪的軸，同步帶的外圍粘貼有仿生納米陣列材料，仿生納米陣列材料具有硅橡膠材質(zhì)的基底，基底上具有采用微納米加工エ藝刻飾處的剛毛。上述后底盤具有用來提供預(yù)壓カ的尾部。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，運動穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人爬墻的特種功能任務(wù)；本機(jī)器人的前后底盤通過仿生吸振単元彈性連接，有效降低了機(jī)器人運行過程中的振動，保證機(jī)器人平穩(wěn)的執(zhí)行工作任務(wù)；本機(jī)器人的同步帶外圍設(shè)有仿生納米陣列材料，可以讓機(jī)器人牢固的吸附在墻壁上，不會發(fā)生脫落情況；本機(jī)器人的后底盤還連接尾部，可以給同步帶ー個預(yù)壓力，讓同步帶上的仿生納米陣列材料更好的發(fā)生作用，保證可靠的吸附在工作墻面上。


圖I是本發(fā)明爬壁機(jī)器人的整體立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明爬壁機(jī)器人的平面俯視圖。
圖3是本發(fā)明爬壁機(jī)器人的剖面示意圖。圖4是本發(fā)明爬壁機(jī)器人的仿生納米陣列材料的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明爬壁機(jī)器人的仿生吸振単元的結(jié)構(gòu)示意圖
具體實施例方式見圖I、圖2和圖3，本發(fā)明爬壁機(jī)器人具有前后底盤1、6、驅(qū)動單元和執(zhí)行單元，前底盤I和后底盤6為彈性連接，存在一個直線方向相對運動的自由度，仿生吸振単元9將前后底盤彈性連接起來。驅(qū)動單元包括直流減速電機(jī)4和齒輪組3，直流減速電機(jī)和齒輪組都安裝在后底盤上，齒輪組的傳動比為I : 3。驅(qū)動單元包括4個同步帶輪10、同步帶8和軸2，軸分別設(shè)置在前后底盤上，軸的兩端都安裝同步帶輪10，同步帶輪之間設(shè)有同步帶8。啟動直流減速電機(jī)4,通過齒輪組的傳動作用，同步帶輪將驅(qū)動同步帶運動。見圖4，上述同步帶8的外圍粘貼有仿生納米陣列材料7，形成ー套具有粘附カ的同步帶。仿生納米陣列材料具有基底71，基底為硅橡膠材料，基底上具有采用微納米加工エ藝刻蝕出的剛毛72，當(dāng)具有仿生納米陣列材料的同步帶與墻面接觸時，納米尺寸的剛毛將與墻面間產(chǎn)生范德華力，從而實現(xiàn)粘附。為了達(dá)到更好的粘附效果，本機(jī)器人后底盤還設(shè)有尾部5，尾部具有弾性，目的是為了給同步帶提供預(yù)壓力，使機(jī)器人可靠的吸附在墻面上。上述前后底盤1、6采用鋁合金材料，軸2、齒輪組3和尾部5均采用合金鋼材料。見圖5，上述仿生吸振単元9包括彈簧92和多孔弾性橡膠91，多孔弾性橡膠91通過橡膠加工中的注射成型エ藝，包裹在彈簧92周圍，形成具有彈性的整體。仿生吸振単元的彈簧要求具有足夠的彈力，以漲緊兩根同步帶，同時多孔弾性橡膠91能夠在機(jī)器人運行過程盡量減弱振動影響。
權(quán)利要求
1.ー種具有仿生吸振和仿生粘附結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)器人，具有前后底盤(1、6)、驅(qū)動單元和執(zhí)行單元，執(zhí)行單元包括4個同步帶輪(10)、同步帶和連接同步帶輪的軸(2),其特征在于上述前后底盤之間通過仿生吸振単元(9)彈性連接，仿生吸振単元由彈簧(92)和多孔弾性橡膠(91)組成，且多孔彈性橡膠包裹在彈簧周圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有仿生吸振和仿生粘附結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)器人，其特征在于上述驅(qū)動單元包括直流減速電機(jī)(4)和齒輪組(3)，且齒輪組傳動比為I : 3。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有仿生吸振和仿生粘附結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)器人，其特征在于上述執(zhí)行單元包括4個同步帶輪(10)、同步帶(8)和連接同步帶輪的軸(2),同步帶的外圍粘貼有仿生納米陣列材料(7)，仿生納米陣列材料具有硅橡膠材質(zhì)的基底(71)，基底上具有采用微納米加工エ藝刻飾處的剛毛(72)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有仿生吸振和仿生粘附結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)器人，其特征在于上述后底盤(6)具有用來提供預(yù)壓カ的尾部(5)。
全文摘要
本發(fā)明涉及到工程仿生學(xué)，以及機(jī)械設(shè)計和制造等學(xué)科領(lǐng)域，尤其是涉及一種利用仿生吸振和仿生粘附來實現(xiàn)爬壁功能的機(jī)器人設(shè)備。目的是為了解決爬壁機(jī)器人常見吸附方式的局限性以及減小爬壁過程中的震動，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，粘附和吸收震動效果都很好的具有仿生吸振和仿生粘附結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)器人。一種具有仿生吸振和仿生粘附結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)器人，具有前后底盤、驅(qū)動單元和執(zhí)行單元，執(zhí)行單元包括4個同步帶輪、同步帶和連接同步帶輪的軸，上述前后底盤之間通過仿生吸振單元彈性連接，仿生吸振單元由彈簧和多孔彈性橡膠組成，且多孔彈性橡膠包裹在彈簧周圍。
文檔編號B62D57/024GK102653289SQ20111004906
公開日2012年9月5日 申請日期2011年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月1日
發(fā)明者吳暄, 孫少明, 梅濤, 郭大寶 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院