CN104723346B - 一种摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构及制备方法，所述仿蛇腹鳞结构包括底部的柔性胶层和从胶层上斜伸出的多个鳞片，相邻鳞片之间留有一定距离，且朝同一方向倾斜。本发明模拟蛇腹鳞片的分布结构，具有摩擦各向异性等特性，用于仿生机器蛇等设备的驱动部件，可有效提高其越障性及驱动效率。所述制备方法包括鳞片设计、裁切、弯折、叠加和浇注步骤，操作简单、易于实施。

Description

一种摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构及制备方法

技术领域

本发明属涉及仿生学、摩擦学和机械动力学领域,具体为一种可用于机器人驱动技术上的一种摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构及制备方法。

背景技术

蛇是广泛生存于各种环境中的古老生物，四肢退化，无脚，依靠脊柱两侧的肌肉组有节律地收缩和舒张使蛇体弯曲，产生波浪式运动。陆生和树栖的蛇，表面披着细小的鳞片，其腹面有一列特别大、呈覆瓦状排列的鳞片（腹鳞）能在肌肉作用下做前后运动，是陆生和树栖种类蛇爬行的主要工具。蛇的身体细长，周身有鳞片覆盖，在狭小空间内有很好的通过能力，具有着这种运动能力的机器人在灾难搜救，狭小空间侦查等领域均具有明确的需求。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种新型的摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构及制备方法，可用于机器人等设备的驱动部件上。

为实现上述技术目的，本发明提供的技术方案为：

一种摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构，其特征在于，包括底部的柔性胶层和从胶层上斜伸出的多个鳞片，相邻鳞片之间留有一定距离，且朝同一方向倾斜。

作为优选，相邻鳞片互相平行且间隔相等。

进一步的，所述仿蛇腹鳞结构包括多层依次叠加的基体和将叠加后基体固定为一整体的柔性胶层，所述基体包括片状的主体和从主体上延伸出的向上倾斜的鳞片，上层基体的主体部分均设有容下层基体鳞片通过的切口，基体叠加后，所述柔性胶层包覆住各层基体的主体部分和各鳞片的根部，以固定鳞片的倾斜角度或定位鳞片间距。

一种摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构的制备方法，可用于上述仿蛇腹鳞结构的制备，其特征在于，包括以下步骤：

一）鳞片设计；

准备若干块片状基体，设计每块基体的单元裁切形状，并将单元裁切形状按一定间距在基体上排成阵列，所述单元裁切形状呈槽型，由一条曲线裁切线或多条顺次连接但不闭合的裁切线合围构成；

二）裁切；

按设计对每块基体进行裁切，完成后，每个裁切位置形成一可抬起的鳞片以及和鳞片形状对应的切口；

三）弯折；

将基体上的鳞片沿其与基体主体的连接线弯折，使鳞片向上抬起，与基体主体呈一定倾斜角度；

四）叠加；

将完成裁切和弯折的基体按设计次序上下叠置，构成一多层基体组合；

所述多层基体组合中，下层基体上的鳞片穿过上层基体对应的切口，最终从最上层基体主体的表面伸出，且下层基体切口位置与上层基体对应的切口错开一定尺寸，使叠加好的多层基体组合上，每个鳞片与其相邻的鳞片之间均留有一定距离；

五）浇注；

将多层基体组合底部浸胶，使胶液包覆住所有基体的主体部分，并浸没鳞片根部至一定高度，待胶液固化后即形成了将鳞片根部倾斜角度定位的底部胶层，底部胶层和位于胶层之上的鳞片群构成了所述仿蛇腹鳞结构。

在上述技术方案的基础上，进一步改进的方案还包括：

所诉单元裁切形状采用四边形，如常规的矩形等。

所述步骤五）中，在浸胶前或胶体凝固前，在多层基体组合表面鳞片的某一高度位置，通过间隔组件将鳞片限位，使鳞片的倾斜角度固定。所述间隔组件可采用格栅板，所述格栅板本体上开有一列以上平行的限位槽，使用时将鳞片依次插入限位槽，使鳞片受到限位槽的约束。

所述步骤五）中，可先在浸胶槽内注入一定高度的胶液做底，胶凝一段时间后，再将所述多层基体组合放在浸胶槽内胶液的表面，再注入没过基体组合底部的胶液，等胶液完全固化。

所述多层基体组合上，位于同一切口内的鳞片中（包括与该切口同时形成的鳞片），下层基体鳞片自其弯折线到与弯折线相对的切边的距离大于上层基体鳞片自其弯折线到与弯折线相对切边的距离。

作为优选，所述基体采用塑料材质，尤其是与蛇鳞片摩擦特性相近的塑料材料。所述胶液优选采用高分子聚合物柔性胶体，如硅橡胶等。

本发明的有益效果：

本发明仿蛇腹鳞结构设计科学合理，具有摩擦各向异性特点，用于仿生机器蛇等设备的驱动部件，能够有效提高其越障能力及其驱动效率。本发明仿蛇腹鳞结构制备方法，设计巧妙，易于实施，操作方便且制造成本低。

附图说明

图1为一片裁切弯折后的基体的立体结构示意图；

图2为一打印了裁切线的四片基体的平面结构示意图；

图3为一多层基体组合中上下四片基体的侧视结构示意图；

图4为鳞片宽度调整前后的对比示意图；

图5为格栅板的结构示意图；

图6为利用格栅板定位鳞片倾斜角度的操作示意图；

图7为浸胶步骤的操作示意图。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案和技术效果，下面结合附图与实施例对本发明做进一步的说明。

一种摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构，包括多层依次叠加的基体和将叠加后基体固定为一整体的柔性胶层。

所述基体包括片状的主体和从主体上延伸出的向上倾斜的鳞片，上层基体的主体部分均设有容下层基体鳞片通过的切口，下层基体的鳞片通过对应的切口穿过位于其上的所有上层基体，从最上层基体的上表面伸出。所述柔性胶层包覆住叠加后各层基体的主体部分和各鳞片的根部，以固定鳞片的倾斜角度和间距。

最终成型的仿蛇腹鳞结构中，鳞片从柔性胶层上斜伸出，相邻鳞片之间留有一定距离，且朝同一方向倾斜，鳞片之间应尽量控制其等距间隔且平行。

一种用于上述仿蛇腹鳞结构的制备方法，包括以下步骤：

一）鳞片设计；

根据功能器件或仿蛇机器人的要求对鳞片形状以及附着鳞片的“皮肤”进行设计。鳞片设计决定了鳞片的结构和形状，鳞片设计包括自身形状设计以及所附着的“皮肤”的设计，“皮肤”层（即下文中的基体主体）可以为平面形状或者是曲面结构。另外，鳞片的形状也不相同，可为矩形或弧形等。以下，本发明以矩形鳞片为例进行说明。

如图2所示，准备四块尺寸相同的薄片状基体1，作为“皮肤”层，并对各基体进行叠加位置的排序。之后，根据基体在叠加组合中的位置，设计每块基体的单元裁切形状，并排成阵列在基体上打印出来。所述单元裁切形状呈槽型，由三条顺次连接但不闭合的裁切线合围构成。

二）裁切；

按设计的裁切线对每块基体1进行裁切，裁切后，基体1上每个裁切位置形成一矩形切口1-1及一可抬起的矩形鳞片1-2。

三）弯折；

将基体1上的鳞片1-2沿其与基体主体1-3的连接线弯折，使鳞片1-2向上抬起，与基体主体1-3呈一定倾斜角度，如图1、图3所示。

四）叠加；

将完成裁切和弯折的四块基体1首位端对齐，上下叠置，构成一多层基体组合；

在所述多层基体组合中，下面三层基体1的鳞片从其上层基体对应的切口伸出，且下层基体切口位置与上层基体对应的切口错开一定尺寸，如图2、图3所示，自上至下的基体一、基体二、基体三和基体四上，每行切口的端部切割位置与其上层基体切口相比，下移了距离a，使叠加好的基体组合上，每个鳞片与其相邻的鳞片之间均留有一定间距。

在使叠加后的基体组合上鳞片等距排列且相互平行的目标前提下，若基体的厚度无法忽略，各层之间偏移距离还应考虑到基体厚度带来的影响。

基体二、基体三和基体四的第一行鳞片均最终插入基体一的第一行切口中。包括基体一第一行鳞片在内，基体一第一行的每个切口中设有四个鳞片，后面依次类推。

五）浇注；

基体叠置组合好后，将各鳞片的顶端依次插入格栅板3的限位槽内，如图6所示，调整鳞片的倾斜角度，一般控制在45度以下。所述格栅板3本体上开有一列以上相互平行的限位槽3-1，如图5所述，各限位槽3-1之间的距离可根据各鳞片的预设倾角进行调整。当基体1的材料较薄时，格栅板3上的限位槽3-1等距设置即可使各鳞片接近平行。

之后，如图7所示，先在浸胶槽内注入一定高度的胶液2-2做底，一段时间后，待底部胶液液面平齐、稍凝，再将多层基体组合放在浸胶槽内胶液的上面，注入完全没过多层基体组合底部的胶液2-1，待胶液完全固化后，鳞片根部的倾斜角度即被定位，底部胶层和位于胶层之上的鳞片群即构成了仿蛇腹鳞结构。所述胶液优选采用硅胶液，如SYLGARD 184等。

上述操作步骤中，应注意：

若上、下层各基体上设计的单元裁切形状长度相同，由于各基体1存在一定厚度，若单元裁切形状的宽度（即鳞片自其弯折线到与弯折线相对的切边的距离）也相同，则在叠加好的基体组合中，各鳞片的顶点高度会参差不一，如图4中的上图所示，下层基体鳞片与最上层基体鳞片的顶端存在高差b，且在各鳞片均保持平行的情况下，鳞片间距也会有所变化，如图4中的c1、c2、c3显然存在差异。故在设计裁切形状时，叠加后位于同一切口内的鳞片中，应将下层基体鳞片的宽度设计略大于上层基体鳞片（m4>m3>m2>m1），宽度增加值根据各基体1的厚度调整，使叠加好的基体组合上各鳞片的顶点位于同一高度，如图4的下图所示。若基体1的厚度足够薄，上述差异亦可忽略。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进。本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构，其特征在于，包括多层依次叠加的基体和将叠加后基体固定为一整体的柔性胶层，所述基体包括片状的主体和从主体上延伸出的向上倾斜的鳞片，上层基体的主体部分均设有容下层基体鳞片通过的切口，基体叠加后，所述柔性胶层包覆住各层基体的主体部分和各鳞片的根部，以固定鳞片的倾斜角度或定位鳞片间距，相邻鳞片之间留有一定距离，且朝同一方向倾斜。

2.根据权利要求1所述的一种摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构，其特征在于，相邻鳞片互相平行且间隔相等。

3.一种摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

一）鳞片设计；

准备若干块片状基体，设计每块基体的单元裁切形状，并将单元裁切形状按一定间距在基体上排成阵列，所述单元裁切形状呈槽型，由一条曲线裁切线或多条顺次连接但不闭合的裁切线合围构成；

二）裁切；

按设计对每块基体进行裁切，完成后，每个裁切位置形成一可抬起的鳞片以及和鳞片形状对应的切口；

三）弯折；

将基体上的鳞片沿其与基体主体的连接线弯折，使鳞片向上抬起，与基体主体呈一定倾斜角度；

四）叠加；

将完成裁切和弯折的各基体按设计次序上下叠置，构成一多层基体组合；

在所述多层基体组合中，下层基体上的鳞片穿过上层基体对应的切口，最终从最上层基体主体的表面伸出，且下层基体切口位置与上层基体对应的切口错开一定尺寸，使叠加好的多层基体组合上，每个鳞片与其相邻的鳞片之间均留有一定距离；

五）浇注；

将多层基体组合底部浸胶，使胶液包覆住所有基体的主体部分，并浸没鳞片根部至一定高度，待胶液固化后即形成了将鳞片根部倾斜角度定位的底部胶层，底部胶层和位于胶层之上的鳞片群构成了所述仿蛇腹鳞结构。

4.根据权利要求3所述的一种摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构的制备方法，其特征在于：所述单元裁切形状呈四边形。

5.根据权利要求3所述的一种摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构的制备方法，其特征在于：所述步骤五）中，在浸胶前或胶体凝固前，在多层基体组合表面鳞片的某一高度位置，通过间隔组件将鳞片限位，使鳞片的倾斜角度固定。

6.根据权利要求5所述的一种摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构制备方法，其特征在于：所述间隔组件为一格栅板，所述格栅板本体上开有一列以上相互平行的限位槽。

7.根据权利要求3所述的一种摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构制备方法，其特征在于：所述多层基体组合上，位于同一切口内的鳞片中，下层基体鳞片自其弯折线到与弯折线相对的切边的距离大于上层基体鳞片。

8.根据权利要求3所述的一种摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构制备方法，其特征在于：所述基体为塑料材质，所述胶液为高分子聚合物柔性胶体。

9.根据权利要求3-8中任一权项所述的一种摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构制备方法，其特征在于：

所述步骤五）中，先在浸胶槽内注入一定高度的胶液做底，胶凝一段时间后，再将所述多层基体组合放在浸胶槽内胶液的上面，再注入没过多层基体组合底部的胶液，待胶液完全固化。