CN110143245B - 一种基于磁敏黏附材料的磁控仿生粘附脚掌器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于磁敏黏附材料的磁控仿生粘附脚掌器件，内容包括脚掌的结构设计、制造方式。其由脚掌粘附件、主体件和相应的调控线圈组成，采用三维成型制造技术辅助制造脚掌粘附件掌面，采用磁敏黏附材料作为脚掌粘附件加工脚掌；设计并填入调控线圈以产生磁场来调节脚掌的黏附性能，同时驱动部分掌面产生形变位移，使得脚掌具有一定的移动辅助能力。本发明可用于双足或多足类的机器人，以适用于复杂异构壁面环境下的高空建筑、桥梁、船舶、油罐等的表面检测、城市反恐、情报侦察等工作。

Description

一种基于磁敏黏附材料的磁控仿生粘附脚掌器件

技术领域

本发明属于仿生技术领域，涉及一种智能结构器件，具体是一种基于磁敏黏附材料的磁控仿生粘附脚掌器件，主要应用于爬壁机器人/装置的壁面黏附、行走停驻、越障等功能。

背景技术

基础设施工程(桥梁、隧道、道路、堤坝、管道、建筑、矿井等)在复杂服役环境中不可避免地存在损伤、疲劳、老化等问题，自然灾害与突发事件(酸碱侵蚀、地震、泥石流、飓风等)还会对基础设施安全造成严重威胁，轻则影响设施结构的健康状况重则导致损毁或坍塌，造成严重的人员伤亡和经济损失。传统以人力和固定监控进行基础设施健康监测的方式，不仅费时费力，而且在复杂服役条件下，很难有效而深入的执行各种苛刻的任务。此外，例如在油罐、大型舰船、塔桥等危险壁面环境，人工操作存在复杂且危险性高的不足。随着智能化机器人的不断发展与广泛普及，具备在垂直壁面移动能力的爬壁机器人成为了目前的研究热点。它将移动机器人技术和壁面爬行能力相结合，可用于在远离地面的复杂(倾斜、粗糙、湿滑)环境中进行智能化监测、检查和维护。

目前为实现在壁面的爬行机能，发展了各种类型的黏附、吸附方式：磁吸附、真空吸附、静电吸附、干性黏附、湿性黏附、爪刺黏附等。采取抓取、电磁、真空、爪刺等方式的黏附结构普遍体积偏大，能耗高，噪音大，难以小型化和轻量化，工作环境单一。静电吸附方式的有效载荷率过低。磁吸附材料只能局限于磁性工作面。在此情况下，许多研究人员开始着手借鉴壁虎等生物的爬壁机理，设计制造仿生型爬壁吸附结构装置。

黏附脚掌的设计是决定机器人攀爬性能的关键因素。卡耐基梅隆大学MetinSitti小组以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基质材料设计了轮腿式Waalbot、履带式Tankbot以及四足式Geckobot等一系列爬壁装置结构，但其黏附效果和可控性也比较差。斯坦福大学的Stickybot，采用具有特殊取向性的粘附阵列材料设计了带脚趾的仿壁虎足，但必须承受一定预加法向和切向载荷，无法在垂直平面上向任意方向爬行，也无法在天花板上爬行。梅涛等人也以仿壁虎的黏附材料实现了履带式和轮腿式的黏附结构等。就目前而言，虽然部分材料的黏附强度已达到甚至超过壁虎刚毛，但要达到较高的粘附力，需要很大的按压力；而在脱附过程中又需要极大地脱出力，黏附脱附代价高，力学调控复杂，对系统性能有很高的要求。当前的仿生黏附脚掌结构普遍通过力控制黏附，其使用效果和器件可控性相较于生物器官都还远远不够。另外，复杂的制备工艺和较高的制造成本也是目前大规模推广使用的障碍。

在目前的情况下，迫切需要一种能够提供较好黏附性能、同时又具备可控性的黏附脚掌结构和配套控制方法，一方面能提供高效可靠的黏附能力，对环境适应性好；另一方面具有较为低廉的制造成本，方面在实际工况下的大范围推广使用。

发明内容

有鉴于此，本发明为了解决现有黏附脚掌结构存在的负载率低、灵活性差、可控和可靠性低、应用环境单一的问题，提供一种基于磁敏黏附材料的磁控仿生粘附脚掌器件。其特征在于：包括脚掌黏附件、主体件、调控线圈、控制模块和电源装置；

所述脚掌包括由硬质的具有较大刚度的磁敏黏附材料构成的主体件和由软质的具有较强黏附力的磁敏黏附材料构成的粘附件，所述主体件和粘附件中间植入有调控线圈层，所述主体件外部卡设有固定连接件。

所述脚掌按照如下的分布式一体制备方法制造：首先制备粘附件于模具底层，待固化成形后准确置入事先准备好的线圈或线圈阵列于粘附件上表面，然后灌入主体件材料，固化成形。

优选的，所述磁敏黏附材料的制备方法包括如下步骤：

步骤一：将多元醇在100℃下加热1h以除去水分，多元醇和二异氰酸酯按照4:1质量比在80℃下混合并机械搅拌，加入催化剂以制备磁敏黏附预聚体。

步骤二：按照质量组分表量取羰基铁粉并加入到预聚体中充分搅拌均匀，向形成的混合物中加入增塑剂和扩链剂后在80℃下加热，同时不断机械搅拌。

步骤三：待上一步骤中的混合物粘度上升明显后，将混合物放入真空箱中抽离气泡，倒入模具中并在80℃加热2h左右固化成型，取出并在室温下放置熟化。

优选的，按质量计，各组分含量如下表1：

表1制备过程中原料的质量组分

部件名称	磁敏黏附预聚体	软磁颗粒	增塑剂	扩链剂
					脚掌粘附件	15-25％	60-70％	10％	5％
主体件	30-45％	40-50％	10％	5％

优选的，所述的磁敏黏附材料原料中的二异氰酸酯为MDI；所述软磁颗粒为羰基铁粉、羰基镍粉、羰基钴粉中的多种或者一种，优选为羰基铁粉；所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯(DBP)；所述催化剂为辛酸亚锡；所述扩链剂为1,4丁二醇(BDO)。

进一步，所述调控线圈包括变形驱动线圈和黏附控制线圈，主要由漆包线缠绕完成，中间填充主体件，线圈接入控制电路。

进一步，所述控制模块和电源装置外置，所述电源装置与控制模块电连接，所述控制模块与变形驱动线圈和黏附控制线圈电连接。所述线圈呈圆形平面形状、三角形平面形状或圆角矩形平面形状或其它多边形形状。

进一步，所述粘附件脚掌表面交错分布有圆形、方形、三角形、不规则圆或多边形形状的微小凸起(<1mm)，各凸起之间以等距或不等距的方式分布。所述粘附件所使用的黏附模具板为使用三维建模软件设计并利用3D打印技术加工成。

本发明的有益效果在于：

1、本发明所公开的基于磁敏黏附材料的仿生黏附脚掌，在以自研的磁敏黏附材料作为主要材料，其制备流程简单，制备成本低，同时其磁控效果优异，性能可靠。通过模仿生物脚掌的掌面纹理，在脚掌的粘附件表面添加了不同类型、大小、数量的微小凸起，进一步增加黏附效果。相比于现存的其他方式得到的黏附材料，本发明所采用的磁敏黏附材料在黏附能力基本一致的情况下极大地减少了制备成本，有助于大范围推广和使用。

2、本发明充分有效的运用了磁敏黏附材料的磁控黏附和变形特性，即在磁场环境下材料本身的黏附性能可变化同时可受磁场影响而产生形变。通过合理的设计调控线圈的大小、分布以及线圈中的电流，可以有效实现对脚掌性能的控制。本发明可为壁面工作机器人、机械装备提供高效可控的黏附性能，摆脱传统黏附吸附手段黏附力不足(特别是在复杂环境、污染异构化工作场合下)等缺点。总体而言，本发明结构简单，成本低廉，性能可靠，适应领域较为广泛。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明仿生黏附脚掌的结构示意图；

图2为本发明仿生黏附脚掌中脚掌纹理示意图；

图3为本发明中仿生黏附脚掌的制造示意图；

图4为本发明中黏附脚掌材料实际黏附测试结果图；

图5为本发明中可选的方形调控线圈示意及其调控效果图；

图6为本发明中可选的圆形调控线圈示意及其调控效果图；

图7为本发明中生产脚掌纹理的三种黏附模具板示意图。

附图标记：1-脚掌表面纹理、2-脚掌黏附件、3-调控线圈、4-线圈接入点、5-主体件、6-固定连接件、7-连接螺孔、8-电源控制模块。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，并不用于限制本发明的范围。

其中，附图仅表示的仅是示例性说明，并非实物图描述，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有缩放或简化，并不代表实际部件尺寸。本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1～7所示的一种基于磁敏黏附材料的仿生黏附脚掌及其磁控方法，包括脚掌黏附件、主体件、调控线圈、控制模块和电源装置；本发明仿生黏附脚掌的结构包括脚掌表面纹理1、脚掌黏附件2、调控线圈3、线圈接入点4、主体件5、固定连接件6、连接螺孔7、电源控制模块8。

脚掌粘附件2由具有软质的具有较强黏附能力的软质磁敏黏附材料制造而成，主体件由由硬质的具有较大刚度的磁敏黏附材料制备成。

整个按照如下的分布式一体制备方法制造：首先制备粘附件于模具底层，待固化成形后准确置入事先准备好的线圈或线圈阵列于粘附件上表面，然后灌入主体件材料，固化成形。

如图3所示，脚掌的的制造方式如下步骤：

步骤一：使用三维建模软件设计如图6的黏附模具板，并3D打印出模具板组装为脚掌模具。

步骤二：将多元醇在100℃下加热1h以除去水分，多元醇和二异氰酸酯按照质量比在80℃下混合并机械搅拌，加入催化剂以制备磁敏黏附预聚体。按照质量组分表中的脚掌粘附件制备栏量取羰基铁粉并加入到预聚体中充分搅拌均匀，向形成的混合物中加入增塑剂和扩链剂后在80℃下加热，同时不断机械搅拌。待混合物粘度上升明显后，将混合物放入真空箱中抽离气泡，倒入脚掌模具中并在80℃加热2h左右固化成型，取出并在室温下放置熟化。

步骤三：设计方形调控线圈或圆形调控线圈3(阵列)，如图4和5，利用多物理场仿真软件分析其磁控效果，优化线圈大小和参数；

步骤四：利用0.5mm漆包线缠绕出调控线圈3，将所有线圈按阵列式连接并固定到脚掌粘附件2上表面，预留线圈接入点4。

步骤五：将脚掌粘附件3和调控线圈4预置入脚掌全模具底部，按照步骤二中的描述制备主体件。不同的是，本步骤参考制备组分表中的主体件栏量取原料。获得主体件5和脚掌粘附件2以及调控线圈3结合在一起。

步骤六：利用三维建模软件设计固定连接件6，固定连接件6上面预留有连接机器人的连接螺孔7。利用3D打印技术加工出固定连接件6。

步骤七：将固定连接件6与主体件5安装在一起，调整线圈接入点4并连接到电源控制模块8，实现整个黏附脚掌的控制与调试。

由于主体件5和脚掌粘附件2的主要成分相同，因此两者的黏结性能更为紧密。同时，后灌入的主体件5的制备物能够充分浸入调控线圈4的缝隙中，一方面较高的羰基铁粉含量将赋予其较高的刚度，使得整个脚掌对上端连接表现出刚性；另一方面含有高导磁、低剩磁的羰基铁粉的磁敏材料在线圈中间和周围表现出铁芯的作用，加强了磁场的传导，进一步加强了线圈的控制效果，降低了控制时延。

电源控制模块8主要实现各个调控线圈3内的电流通断、大小、方向，进一步影响线圈产生的磁场的大小、极性，从而改变调控线圈对应部分的脚掌黏附件的黏附性能和变形情况，通过合理的协调控制算法使各个调控线圈组件连贯的供电，保证整个脚掌的协调性和稳定性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种基于磁敏黏附材料的磁控仿生粘附脚掌器件，其特征在于：包括脚掌粘附件、主体件、调控线圈、控制模块和电源装置；

所述脚掌粘附件与调控线圈一体化；

所述脚掌粘附件包括由硬质的具有较大刚度的磁敏黏附材料构成的主体件和由软质的具有较强黏附力的磁敏黏附材料构成的粘附件，所述主体件和脚掌粘附件中间植入有调控线圈，所述主体件外部卡设有固定连接件；

所述脚掌粘附件按照如下的分布式一体制备方法制造：

首先制备粘附件于模具底层，待固化成形后准确置入事先准备好的线圈或线圈阵列于粘附件上表面，然后灌入主体件材料，固化成形；

所述磁敏黏附材料的制备方法包括如下步骤：

用蓖麻油和MDI，加入催化剂制备磁敏黏附预聚体；按照如下质量比例准备原料：

硬质磁敏黏附材料，即主体件：磁敏黏附预聚体15-25％，软磁颗粒60％-70％，增塑剂10％，扩链剂为5％；软质磁敏黏附材料，即脚掌粘附件：磁敏黏附预聚体30-45％，软磁颗粒40％-50％，增塑剂10％，扩链剂为5％；

将羰基铁粉加入到预聚体中充分搅拌均匀，向形成的混合物中加入增塑剂和扩链剂搅拌至粘度上升后在真空箱中抽离气泡，灌入模具中在80℃条件下固化成型，取出并在室温下放置熟化；

所述磁敏黏附材料原料中的MDI为二苯基甲烷二异氰酸酯；

所述软磁颗粒为羰基铁粉、羰基镍粉、羰基钴粉中的多种或者一种；

所述增塑剂为领苯二甲酸二丁酯DBP；所述催化剂为辛酸亚锡；

所述扩链剂为1,4丁二醇BDO；

所述调控线圈包括变形驱动线圈和黏附控制线圈，由漆包线缠绕完成，中间填充主体件，线圈接入控制电路；

所述控制模块和电源装置外置，所述电源装置与控制模块电连接，所述控制模块与变形驱动线圈和黏附控制线圈电连接；

所述调控线圈呈至少部分被去除的圆形平面形状、三角形平面形状或圆角矩形平面形状或其它多边形形状；

所述脚掌粘附件表面交错分布有圆形、方形、三角形、不规则圆或多边形形状的微小凸起，凸起高度<1mm，各凸起之间以等距或不等距的方式分布；

所述脚掌粘附件所使用的黏附模具板为使用SolidWorks三维建模软件设计并利用3D打印技术加工成。

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