CN101786273B - 仿生湿吸爬壁机器人足垫 - Google Patents

Abstract

本发明属于仿生学领域，具体涉及一种仿生湿吸爬壁机器人足垫。包括具有微结构的曲面、中间层的仿生纤维斜片、硅胶平面。具有微结构的曲面与中间层的仿生纤维斜片，在足垫制作时，通过模具将二者浇注在一起；通过粘合剂将仿纤维斜片固定在硅胶平面的凹槽中，完成足垫的封装；用螺钉通过硅胶平面上的螺纹孔，将足垫安装在机器人的足端。模具包括上端盖、中间层的仿纤维斜片部件、下端盖。本发明有利于粘液的分泌与排开，增加足垫与壁面的有效接触面积；能够体现吸附和剥离的方向性，实现对吸附和剥离过程进行有效的控制，同时结构简单、材质柔软，易于加工，能够满足不同应用场合下爬壁机器人对吸附力的要求。

Description

仿生湿吸爬壁机器人足垫 

技术领域

本发明属于仿生学领域，涉及一种仿生湿吸爬壁机器人的攀爬结构，尤其是一种仿生湿吸爬壁机器人足垫。 

背景技术

近几年来，动物生理学及仿生学的研究者们对湿吸类爬壁动物的吸附来源、吸附机构的生理学特性等进行了较为深入的研究，得知湿吸类动物足垫的吸附力主要来源于足垫分泌的粘液在足垫与壁面之间形成薄膜时，产生的表面张力或毛细力。受此启示，通过模仿湿吸类动物足垫的表面微结构，设计仿生湿吸爬壁机器人的足垫。因为湿吸类动物足垫的表面微结构的几何尺寸，在微米级甚至纳米级，而且结构复杂，基于现有的制造工艺和加工精度，完全复制湿吸类动物的足垫十分困难，而且是没有必要的。因为动物要在垂直壁面上自由行走，除了由足垫提供必要吸附力以外，还要具有能快速剥离的机制。在剥离实现方面，动物依靠表层下的纤维的方向性，即与垂直壁面成一定的角度，以及吸附、剥离时采用不同的步态来实现。 

鉴于目前加工技术的制约，同时为了满足仿生湿吸机器人爬壁时吸附力的需求，根据湿吸类昆虫足垫的整体结构，包括表面微结构以及表层下的纤维，提供了一种新型的仿生湿吸机器人的足垫，用于实现仿生湿吸爬壁机器人的平稳运动。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿生湿吸爬壁机器人足垫。 

该足垫具有较好的粘弹特性，与物体表面具有良好的接触能力和粘合力，同时该足垫具有合理的迅速吸附和剥离机制，结构简单，材质柔软，易于实现。 

本发明提出的仿生湿吸爬壁机器人足垫，包括：微结构的曲面、中间层的仿生纤维斜片和硅胶平面； 

所述微结构的曲面由足垫前端光滑曲面1、足垫中央平面2和足垫后端光滑曲面3依次连接组成一体； 

所述中间层的仿生纤维斜片由后端仿生纤维切片4、中央仿生纤维切片5和前端仿生纤维切片6组成，后端仿生纤维切片4、中央仿生纤维切片5和前端仿生纤维切片6一侧均连接足垫中央平面2一侧，后端仿生纤维切片4、中央仿生纤维切片5和前端仿生纤维切片6 与足垫中央平面5之间夹角分别为：25°、35°、45°； 

所述硅胶平面7具有与仿生纤维斜片和微结构的曲面相对应的切片凹槽，切片凹槽9共有10个，具有微结构的曲面与中间层的仿生纤维均通过凹槽固定在硅胶平面上，利用硅胶平面上的螺纹孔8，将硅胶足垫安装在仿生湿吸机器人的足端。 

本发明中，所述后端仿生纤维切片4为3个，中央仿生纤维切片5为2个，前端仿生纤维切片6为3个。 

本发明中，所述足垫中央平面2的表面具有边长为0.2mm，高为0.3mm，间距为0.1mm的微结构花纹，如图2所示，正方形柱体斜向45°，在平面上均匀分布。 

本发明具有以下特点：足垫上只有中央平面具有微结构，两端的曲面是光滑的，有利于吸附力的控制；仿生纤维片具有相同的厚度，不同位置上的仿生纤维片与中央平面的夹角不同，有利于足垫的吸附和剥离；硅胶平面上凹槽的分布，根据仿生纤维片的位置设计，有利于足垫各部分的组装和在机器人足端上的固定。该足垫结构简单，易于加工，通过上述的模具浇注而成，容易在足垫表面形成微结构的花纹，具有仿生的概念，能够满足仿生湿吸机器人爬壁时吸附力的需求，易于实现仿生湿吸机器人的爬壁运动。 

附图说明

图1为仿生足垫结构图。 

图2为仿生足垫表面微结构。 

图3为硅胶平面7结构图示。 

图4为湿吸类昆虫接触过程示意图。 

图5为湿吸类昆虫剥离过程示意图。 

图6为垂直吸附力与接触面积的关系。 

图7为平行吸附力与接触面积的关系。 

图中标号：1为足垫前端光滑曲面，2为足垫中央曲面，3为足垫后端光滑曲面，4为后端仿生纤维切片，5为中央仿生纤维切片，6为前端仿生纤维切片，7硅胶平面，8螺纹孔，9切片凹槽。 

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。 

仿生湿吸机器人的足垫，如图1所示，主要包括具有微结构的曲面、中间层的仿生纤维斜片和硅胶平面7。 

具有微结构的曲面分为三部分：足垫前端光滑曲面1、足垫中央平面2、足垫后端光滑曲面3。足垫前端光滑曲面1的投影面积是25mm×30mm，曲率半径是44mm，弯曲后的高度是 10mm，表面没有微结构。足垫中央平面2的面积是25mm×12mm，表面具有边长为0.2mm，高为0.3mm，间距为0.1mm的微结构花纹，如图2所示，正方形柱体斜向45°，在平面上均匀分布。根据动物足垫表面微结构及胶带撕裂理论，该结构有利于粘液的分泌与排开，增加足垫与壁面的有效接触面积，同时需要的剥离力较大，即具有较好的吸附性能。足垫后端光滑曲面3的投影面积是25mm×58mm，曲率半径是158mm，弯曲后的高度是10mm，表面没有微结构。曲面厚度可以通过制造模具上的调幅螺纹孔进行改变，以满足不同应用的需要。因此具有微结构的曲面能够方便地改变接触面积，进而改变与物体表面接触时吸附力的大小，有利于吸附力的控制。 

中间层的仿生纤维斜片分为三部分：45°前端仿生纤维斜片6、35°中央仿生纤维斜片5、25°后端仿生纤维斜片4，片数分别为3、2、3，每片纤维片的宽度均为2mm。 

硅胶平面7厚度在3mm～5mm之间，主要包括：螺纹孔8、宽度为2mm的切片凹槽9。切片凹槽9分别与45°前端仿生纤维斜片6、35°中央仿生纤维斜片5、25°后端仿生纤维斜片5、足垫前端光滑曲面1的末端、足垫后端光滑曲面3的末端相对应，通过粘合剂将二者粘合在一起。硅胶平面7的角上分布有4个螺纹孔8，通过螺钉将足垫安装在仿生湿吸机器人的足端。 

通过对湿吸类昆虫步态的研究，发现足垫的吸附和剥离具有一定的方向性的：吸附时，昆虫会先拖动足垫向身体方向滑动，足垫滑动接触开始后，纤维因受到来自腿部的指向壁面向里的预载力的作用，微结构纤维受到的是拉伸作用力，进而使之与壁面的有效接触面积快速增加，如图4所示；而剥离时则相反，昆虫在抬腿的同时，会拖动足垫向远离身体的方向滑动，微结构受到的是壁面的反作用力，起到支点的作用，接触面积急剧减小，直到足垫完全与壁面剥离，如图5所示，由于吸附和剥离过程中方向性的存在，使昆虫的足垫表现出较好的粘弹性。 

本发明所设计的仿生湿吸机器人足垫，能够实现类似湿吸类昆虫吸附、剥离过程的方向性。当仿生湿吸爬壁机器人吸附时，机器人有向下剥离的趋势，机器人对足垫有一个向下的拉力，此时25°后端仿生纤维斜片4、35°中央仿生纤维斜片5、45°后端仿生纤维斜片6与壁面的夹角将会减小，使足垫与壁面的接触面积增加，吸附力增加，若吸附力能够平衡机器人的重力，机器人能够吸附在壁面上；当需要剥离时，控制机器人腿部的驱动电机，对足垫施加一个向上的推力，此时25°后端仿生纤维斜片4、35°中央仿生纤维斜片5、45°后端仿生纤维斜片6与壁面的夹角将会增加，使足垫与壁面的接触面积减小，吸附力减小。在吸附、剥离的过程中，足垫中央平面2起到类似支点的作用。因此，该足垫能够有效地控制吸附与剥离的过程。 

对本发明所设计的仿生湿吸机器人足垫进行吸附力的测试。在玻璃表面上喷上一层薄水 膜，使足垫以一定速度在玻璃平面上滑行及剥离，测试得到足垫与玻璃表面形成的垂直吸附力及平行吸附力(摩擦力)与接触面积的关系，如图6、图7所示。从图6、图7中可以看出，垂直吸附力与平行平吸附力，随着接触面积的增加而增大，在接触面积相同情况下，平行吸附力比垂直吸附力大。经过实验，根据本发明设计设计的足垫，平行吸附力一般在150～200g之间，而六足仿生湿吸爬壁机器人的质量在300g左右，机器人爬行时，采用三角步态，每次均有三条腿与壁面接触，三个足垫产生的吸附力，能够满足机器人在壁面爬行时的需求。 

本发明一种仿生湿吸机器人足垫，其创新点主要在足垫表面微结构、足垫的仿纤维片结构。足垫表面的微结构有利于粘液的分泌与排开，增加足垫与壁面的有效接触面积，提高足垫的吸附性能；足垫中特有的仿湿吸类昆虫足垫内部的纤维片的结构，能够体现吸附和剥离的方向性，实现了对吸附和剥离过程的有效控制。本发明具有仿生的概念，能够满足仿生湿吸机器人爬壁时吸附力的需求，易于实现仿生湿吸爬壁机器人的平稳运动。 

将本发明的仿生湿吸爬壁机器人的足垫安装在机器人的足端，采用湿吸机制，实现机器人的爬壁运动，可用于空间探索、高空户外作业、地下管道检测等，扩展人类活动范围，提高生产效率。 

Claims (2)

1.一种仿生湿吸爬壁机器人足垫，其特征在于包括：微结构的曲面、中间层的仿生纤维斜片和硅胶平面；

所述微结构的曲面由足垫前端光滑曲面(1)、足垫中央平面(2)和足垫后端光滑曲面(3)依次连接组成一体；

所述中间层的仿生纤维斜片由后端仿生纤维切片(4)、中央仿生纤维切片(5)和前端仿生纤维切片(6)组成，后端仿生纤维切片(4)、中央仿生纤维切片(5)和前端仿生纤维切片(6)一侧均连接足垫中央平面(2)一侧，后端仿生纤维切片(4)、中央仿生纤维切片(5)和前端仿生纤维切片(6)与足垫中央平面(2)之间夹角分别为：25°、35°、45°；

所述硅胶平面(7)具有与所述中间层的仿生纤维斜片和微结构的曲面相对应的切片凹槽，切片凹槽(9)共有10个，具有微结构的曲面与中间层的仿生纤维斜片均通过所述凹槽固定在硅胶平面上；

所述足垫中央平面(2)的表面具有边长为0.2mm，高为0.3mm，间距为0.1mm的微结构花纹，正方形柱体斜向45°，在平面上均匀分布。

2.根据权利要求1所述的仿生湿吸爬壁机器人足垫，其特征在于所述后端仿生纤维切片(4)为3个，中央仿生纤维切片(5)为2个，前端仿生纤维切片(6)为3个。

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