CN101786306B - 用于仿生湿吸爬壁机器人足垫的模具 - Google Patents

Abstract

本发明属于仿生学领域，具体涉及一种用于仿生湿吸爬壁机器人足垫的模具。模具包括上端盖、中间层的仿纤维斜片部件、下端盖。所述上端盖中部空心部位为凹槽，所述中间层仿纤维斜片部件的顶部设有切片部件前端曲面、切片部件中央曲面和切片部件后端曲面，所述下端盖空心曲面由下端盖前端曲面、下端盖中央曲面和下端盖后端曲面依次连接组成一体，所述上端盖的第一螺纹孔与下端盖的第三螺纹孔相对应；位于上端盖内的凹槽与位于下端盖内的空心曲面相对应；所述上端盖与下端盖连接处一侧设有圆锥孔，圆锥孔一端通向凹槽和空心曲面，上端盖与下端盖连接处另一侧设有排气孔，排气孔一端通向凹槽和空心曲面，另一侧自上而下开有表面凹槽。本发明结构简单、易于加工，实现小批量制作，能够满足不同应用场合下爬壁机器人的足垫制作需要。

Description

用于仿生湿吸爬壁机器人足垫的模具

技术领域

本发明属于仿生学领域，具体涉及一种用于仿生湿吸爬壁机器人足垫的模具。

背景技术

仿生足垫的设计是仿生湿吸爬壁机器人的关键技术之一。为了与接触表面充分接触，湿吸类昆虫的足垫非常柔软，且表面具有微结构。据此，选择柔软的硅胶、热塑弹性体等设计仿生足垫。但采用传统的加工工艺，如数控机床加工、激光加工等，直接对柔软材料进行加工，实现困难，且精度较低；采用蚀刻、离子束加工工艺，可以保证较高的精度，但成本高，不利于推广应用。因此采用模具成型的方法进行仿生足垫的浇注。但工业中广泛使用的都是大型的浇注设备，每次的浇注材料以吨计，这不利于仿生足垫的研制。

鉴于目前加工设备的制约，同时为了满足研制仿生足垫的需要，提供了一种新型的用于仿生湿吸机器人足垫模具，进行仿生足垫的加工。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于仿生湿吸爬壁机器人足垫的模具，

本发明提出的用于仿生湿吸爬壁机器人足垫的模具，包括上端盖、中间层的仿纤维斜片部件和下端盖，其中：

所述上端盖中部空心，空心部位为凹槽4，凹槽4底部设有调幅螺纹孔3，上端盖四周设有第一螺纹孔2；

所述中间层仿纤维斜片部件的顶部设有切片部件前端曲面7、切片部件中央曲面8和切片部件后端曲面9，切片部件前端曲面7、切片部件中央曲面8、切片部件后端曲面9与底面所成的角度分别为：45°、35°、25°；中间层仿纤维斜片部件底部设有第二螺纹孔10；

所述下端盖中部空心，空心部位呈曲面，空心曲面由下端盖前端曲面12、下端盖中央曲面13和下端盖后端曲面14依次连接组成一体，下端盖四周设有第三螺纹孔11；

所述上端盖的第一螺纹孔2与下端盖的第三螺纹孔11相对应，使上端盖与下端盖连接；位于上端盖内的凹槽4与位于下端盖内的空心曲面相对应；所述上端盖与下端盖连接处一侧设有圆锥孔1，圆锥孔1一端通向凹槽4和空心曲面，上端盖与下端盖连接处另一侧设有排气孔5，排气孔5一端通向凹槽4和空心曲面，另一侧自上而下开有表面凹槽6；

所述中间层仿纤维斜片部件放置于上端盖凹槽4和下端盖空心曲面组成的空间位置内，其底部的第二螺纹孔10与上端盖的调幅螺纹孔3相对应，位于顶部的切片部件前端曲面7、切片部件中央曲面8和切片部件后端曲面9与下端盖前端曲面12、下端盖中央曲面13和下端盖后端曲面14的曲率相同。

本发明中，所述下端盖中央曲面13具有正方形的沟槽，在整个中央平面上均匀分布，边长为0.2mm，槽深0.3mm，正方形沟槽之间的间距为0.1mm。

本发明具有以下特点：模具下端盖中央曲面具有微结构，两端的曲面是光滑的，使加工的仿生足垫易于实现吸附力的控制；中间层仿纤维斜片部件的切片，不同位置上的切片与中央曲面的夹角不同，但间隔相同，使加工的仿生足垫易于实现吸附和剥离；模具表面的电阻丝凹槽，将模具的温度保持在一定的范围内，结合模具的排气孔利于浇注材料在模具内部均匀分布。该模具结构简单，易于加工，小批量浇注，满足仿生足垫制作试验的需要。

附图说明

图1为模具上端盖结构图。

图2为模具中间仿纤维斜片部件结构图。

图3为模具下端盖结构图。

图4为模具表面绕电阻丝凹槽分布图。

图5为模具总装配图的剖面图。

图6为仿生足垫结构图。

图7为钢模表面微结构。

图8为温度控制系统框图。

图9为仿生足垫表面微结构。

图中标号：1为圆锥孔，2为第一螺纹孔，3为调幅螺纹孔，4为凹槽，5为排气孔，6为表面凹槽，7为切片部件前端曲面，8为切片部件中央曲面，9为切片部件后端曲面，10为第二螺纹孔，11为第三螺纹孔，12为下端盖前端曲面，13为下端盖中央曲面，14为下端盖后端曲面。

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。

如图1所示，模具的上端盖主要包括：用做TPE材料进料口的圆锥孔1、用做与下端盖固定的第一螺纹孔2、用于固定中间层的仿纤维斜片部件的调幅螺纹孔3、与仿纤维片部件配合的凹槽4、用于排出模具内部空气的排气孔5、用于绕制电阻丝的模具表面凹槽6。圆锥孔1的倾角为40°，位于凹槽4的中间，有利于气缸中的TPE材料，经圆锥孔1在模具内部均匀分布。在上端盖的角上共分布有4个第一螺纹孔2。调幅螺纹孔3共有3个，在凹槽4中排列成一直线，等间距分布，通过螺纹孔与中间层的仿纤维斜片部件固定，同时可以调节仿纤维斜片的高度，改变足垫光滑曲面的厚度。排气孔5在中间凹槽4的中央和两端等间距分布，有利于排出模具内部的空气，防止所制作的足垫内部产生气泡，影响足垫的吸附性能。电阻丝安装在表面凹槽6中，表面凹槽6在上、下端盖表面的分布，如图4所示，在表面凹槽6中绕制电阻丝，用于给整个模具加热，防止由于模具受热不均，TPE材料在模具内部提前固化，影响足垫的形状。

如图2所示，模具的中间层的仿纤维斜片部件主要包括：切片部件前端曲面7、切片部件中央平面8、切片部件后端曲面9。切片部件前端曲面7、切片部件中央平面8、切片部件后端曲面9具有一定的曲率。切片部件前端曲面7、切片部件中央平面8、切片部件后端曲面9的切片与切片部件底座的角度分别为：45°、35°、25°，切片之间的间隙均为2mm。通过第二螺纹孔10将仿纤维斜片部件固定在模具上端盖的凹槽4中。

如图3所示，模具的下端盖主要包括：圆锥孔1、排气孔5、绕制电阻丝的模具表面凹槽6、第三螺纹孔11、下端盖前端曲面12，下端盖中央曲面13，下端盖后端曲面14。通过螺钉将第一螺纹孔2、第三螺纹孔11相连接，将模具的上、下端盖固定在一起，形成圆锥孔1、排气孔5、绕制电阻丝的模具表面凹槽6，模具的整体装配图的剖面图如图5所示。下端盖前端光滑曲面12、下端盖中央曲面13、下端盖后端光滑曲面14的曲率与切片部件前端曲面7、切片部件中央平面8、切片部件后端曲面9的曲率相同。下端盖中央曲面13具有正方形沟槽的微结构，在整个平面上均匀分布，边长为0.2mm，槽深0.3mm，正方形沟槽之间的间距为0.1mm，如图7所示。

仿生湿吸爬壁机器人足垫的原材料TPE，在200℃左右融化，温度过低，TPE材料呈现局部熔融状态，无法通过圆锥孔1注入模具中；温度过高，TPE材料会焦化，无法保持原来的固有特性。因此，必须设计一个温度控制系统，将温度控制在200±10℃范围内。温度控制系统框图如图8所示。

如图8所示，系统的温度控制器是TE7系列的智能温控仪表TE7-RB10，用作温度给定值的设定和控制继电器的通断；加热设备是两根1000W的电阻丝，电阻丝的一端连接到TE7-RB10的常开(或常闭)触点，另一端并联缠绕在气缸表面和模具表面凹槽6中，对气缸内的TPE材料进行加热和模具的预热；气缸的规格为Φ50cm×70cm，内部填充TPE材料，通过金属接口与模具的圆锥孔1相连接；温度传感器是Pt100，一端的Pt探针用于测量气缸表面的温度，另一端连接到TE7-RB10的反馈输入端。当Pt100检测气缸表面的温度大于200℃，TE7-RB10断开电阻丝的回路，停止加热；Pt100检测气缸表面的温度小于200℃，TE7-RB10接通电阻丝的回路，继续加热。虽然气缸表面的温度具有延迟和惯性，但采用图8所示的温度控制系统，能够将温度控制在200±10℃范围内，满足仿生湿吸爬壁机器人足垫制作时的需要。保持温度在200±10℃范围内十分钟，确保TPE材料达到熔融状态，将气缸中的熔融状的TPE材料，通过圆锥孔1注入至模具中，经冷却后，熔融后的TPE材料固化得到仿生湿吸机器人的足垫，如图6所示。

利用上述所得模具，采用模具成型法得到的仿生湿吸机器人的足垫，如图6所示，所得足垫的微结构如图9所示。

针对工业中热塑性材料的浇注都是大批量的，通过本发明的模具及其控制系统的设计，能够满足小批量制作的需要，工艺简单，制作成本低。通过调节模具中间层的仿纤维斜片部件的高度，使制作出来的足垫的厚度不同，满足不同场合的需要；同时易于在足垫表面形成微结构的花纹。

Claims (2)

1.一种用于仿生湿吸爬壁机器人足垫的模具，包括上端盖、中间层的仿纤维斜片部件和下端盖，其特征在于：

所述上端盖中部空心，空心部位为凹槽(4)，凹槽(4)底部设有调幅螺纹孔(3)，上端盖四周设有第一螺纹孔(2)；

所述中间层仿纤维斜片部件的顶部设有切片部件前端曲面(7)、切片部件中央曲面(8)和切片部件后端曲面(9)，切片部件前端曲面(7)、切片部件中央曲面(8)、切片部件后端曲面(9)与底面所成的角度分别为：45°、35°、25°；中间层仿纤维斜片部件底部设有第二螺纹孔(10)；

所述下端盖中部空心，空心部位呈曲面，空心曲面由下端盖前端曲面(12)、下端盖中央曲面(13)和下端盖后端曲面(14)依次连接组成一体，下端盖四周设有第三螺纹孔(11)；

所述上端盖的第一螺纹孔(2)与下端盖的第三螺纹孔(11)相对应，使上端盖与下端盖连接；位于上端盖内的凹槽(4)与位于下端盖内的空心曲面相对应；所述上端盖与下端盖连接处一侧设有圆锥孔(1)，圆锥孔(1)一端通向凹槽(4)和空心曲面，上端盖与下端盖连接处另一侧设有排气孔(5)，排气孔(5)一端通向凹槽(4)和空心曲面，上端盖与下端盖连接处另一侧开有表面凹槽(6)；

所述中间层仿纤维斜片部件放置于上端盖凹槽(4)和下端盖空心曲面组成的空间位置内，其底部的第二螺纹孔(10)与上端盖的调幅螺纹孔(3)相对应，位于顶部的切片部件前端曲面(7)、切片部件中央曲面(8)和切片部件后端曲面(9)与下端盖前端曲面(12)、下端盖中央曲面(13)和下端盖后端曲面(14)的曲率相同。

2.根据权利要求1所述的用于仿生湿吸爬壁机器人足垫的模具，其特征在于所述下端盖中央曲面(13)具有正方形的沟槽，在整个中央平面上均匀分布，边长为0.2mm，槽深0.3mm，正方形沟槽之间的间距为0.1mm。

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