CN110203295A - 一种具有高度仿生特性吸盘 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高度仿生特性吸盘，包括仿壁虎脚掌壳体、沿该仿壁虎脚掌壳体边缘并对应仿壁虎脚掌壳体凸起部设置的仿生脚趾结构、设于所述仿壁虎脚掌壳体下端的褶皱结构及设于该褶皱结构下端的膜；所述褶皱结构由若干褶皱发生单元组合而成，所述仿壁虎脚掌壳体、褶皱结构及膜的中心均开设有通孔，仿壁虎脚掌壳体的通孔处设有真空装置，褶皱结构及膜通过各自的通孔在真空装置的作用下实现无间隙贴合。本发明的吸盘通过将褶皱结构和膜结合，进而能够在真空装置的作用下进行无间隙贴合，贴合后形成大量纳米级的微小真空单元体，达到“小尺寸效应”所要求的临界尺寸，进而增加了与外界接触面间接触的比表面积，增强了吸附效果。
Description
技术领域
本发明属于高空救援机器人领域，尤其涉及一种具有高度仿生特性吸盘。
背景技术
随着科学技术的不断进步，人们对生产生活中自动化水平的要求显著提高，真空吸盘类机器人、机械手和大功率吸附设备作为自动吸附装备的主要部件，在科学研究、工业生产、军事侦察和物流运输等领域极大的提高了作业效率和精度。此外，在世界各国工农业生产和百姓的日常工作生活中，新能源和清洁能源的使用引起越来越多的关注，并且快速普及。而真空吸附设备作为清洁能源的典型代表，将其使用性能进行优化开发，对于推广清洁能源战略，具有十分重要的意义。
仿生学作为一门新兴的模仿生物高超本领的学科，对于生物的结构仿生和形态仿生已经取得了许多优秀的仿生成果，极大的丰富和便利了我们日常的工作和生活。高度仿生特性吸盘可广泛应用于建筑物清洗、油漆喷涂、消仿救生以及军事侦察等领域，但是现有的负压吸盘因为很多缺陷，无法被推广使用。首先，现有负压吸盘环境适应性较差，难以在球形面、曲面以及平整性较差的壁面上进行吸附和工作；其次，现有的吸盘其带负载能力较弱，可搭载工作设备的种类和数量受限，因而适用范围受限。因此吸盘的吸附力如何提高已成为涉及新材料新工艺和仿生学的重要研究方向。而目前负压吸附式爬壁机器人多采用真空泵提供负压，此方式噪声大且不利于微小型化。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种适用于攀爬机械人的仿壁虎脚掌高吸附性吸盘。
技术方案：本发明具有高度仿生特性的吸盘，包括仿壁虎脚掌壳体、沿该仿壁虎脚掌壳体边缘并对应仿壁虎脚掌壳体凸起部设置的仿生脚趾结构、设于所述仿壁虎脚掌壳体下端的褶皱结构及设于该褶皱结构下端的膜；所述褶皱结构由若干褶皱发生单元组合而成，所述仿壁虎脚掌壳体、褶皱结构及膜的中心均开设有通孔，仿壁虎脚掌壳体的通孔处设有真空装置，褶皱结构及膜通过各自的通孔在真空装置的作用下实现无间隙贴合。
进一步说，本发明若干褶皱发生单元为若干凸起结构。褶皱发生单元体之间间隔2-10mm，该间隔在真空装置及膜作用下形成2-10mm真空单元体。
再进一步说，仿生脚趾结构包括仿生脚趾壳体、设于该仿生脚趾壳体内的仿生褶皱结构及设于仿生褶皱结构上的仿生刚毛。仿生褶皱结构以层状设于仿生脚趾壳体内。仿生刚毛为长2～3μm、直径0.5～1μm、间距1.6～3.6μm的聚酰亚胺纤维阵列。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：该吸盘首先通过将仿壁虎脚掌壳体和仿生脚趾结构相结合，采用了高度的仿壁虎脚掌结构，增强了该吸盘的吸附力；其次，通过将褶皱结构和膜，进而能够在真空装置的作用下进行无间隙贴合，贴合后膜覆盖的褶皱结构之间存在大量2-10mm间隙，且该大量2-10mm间歇形成大量纳米级的微小真空单元体，达到“小尺寸效应”所要求的临界尺寸，进而增加了与外界接触面间接触的比表面积，增强了吸附效果。
附图说明
图1为本发明吸盘的爆炸图；
图2为本发明仿壁虎脚掌壳体的仰视图；
图3为本发明仿生脚趾的结构示意图；
图4为本发明的膜和褶皱发生单元未使用真空装置的放大示意图；
图5为本发明的膜和褶皱发生单元在真空装置作用下形成真空单元体放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
如图1所示，本发明具有高度仿生特性的吸盘，仿生构件所占比率达90％以上，其依次包括仿壁虎脚掌壳体1、沿该仿壁虎脚掌壳体1边缘并对应仿壁虎脚掌壳体1凸起部2设置的仿生脚趾结构3、设于所述仿壁虎脚掌壳体1下端的褶皱结构4及设于该褶皱结构4下端的膜5。仿壁虎脚掌壳体1、褶皱结构及膜5的中心均开设有圆形通孔7。仿壁虎脚掌壳体1的圆形通孔7处设有真空装置8，进而确保整体结构具有良好的气密性。真空装置8即为现有的抽气装置即可。
仿壁虎脚掌壳体1为仿制壁虎脚掌设置，为五瓣形，如图2所示，其可由高强度的镁合金板材制成，进而使得脚掌部分更为稳固。
仿生脚趾结构3包括仿生脚趾壳体9、嵌设于该仿生脚趾壳体9内的仿生褶皱结构10及粘附于仿生褶皱结构10上的仿生刚毛11，如图3所示，该结构为脚掌部分提供更为密闭的环境。仿生脚趾壳体9可由镁合金板材制备而成，进一步提高脚掌部分的稳固性。仿生褶皱结构10可由丁腈橡胶制成的层状褶皱结构，且层与层之间的间隙极小。仿生刚毛11为仿照壁虎脚趾刚毛的几何排列构造，以电子束与氧离子刻蚀相结合的方法在5μm厚的聚酰亚胺薄膜上制备了长2～3μm、直径0.5～1μm、间距1.6～3.6μm的高弹性聚酰亚胺纤维阵列。
褶皱结构4由若干褶皱发生单元6组合而成，而该若干褶皱发生单元6即为若干凸起结构，不限于形状，只需凸起部为非尖锐形即可。当真空装置8作用时，膜5和若干褶皱发生单元6由于若干褶皱发生单元6之间间隔2-10mm，进而能够通过吸附作用形成若干个2-10mm真空单元，褶皱结构4及膜5通过各自的通孔7在真空装置8的作用下实现无间隙贴合，如图4所示，而该若干个2-10mm真空单元9由于其与外界环境间的负压，吸附于外界接触面上。而当真空装置8不作用时，该膜5覆盖在褶皱结构4的底部，处于平面状态，如图5所示，吸盘发生与外界接触面的脱附。本发明的膜5具有良好弹性和柔性的材料制成(如：橡胶弹性合金、形状记忆合金、硅胶等)。褶皱发生单元6具有良好的力学性能(高强度、硬度、耐磨性等)。
工作原理：通过真空装置8的运行，抽出膜5与外界接触面之间的空气并形成负压，在负压的作用下膜5在2-10mm间隙中凹陷并与若干褶皱发生单元体6贴合，形成2-10mm真空单元，发生吸附。而当真空控制装置处于非运行状态时，膜5覆盖在褶皱结构4的底部，处于平面状态，吸盘发生与外界接触面的脱附。
Claims (6)
1.一种具有高度仿生特性吸盘，其特征在于：包括仿壁虎脚掌壳体(1)、沿该仿壁虎脚掌壳体(1)边缘并对应仿壁虎脚掌壳体(1)凸起部(2)设置的仿生脚趾结构(3)、设于所述仿壁虎脚掌壳体(1)下端的褶皱结构(4)及设于该褶皱结构(4)下端的膜(5)；所述褶皱结构(4)由若干褶皱发生单元(6)组合而成，所述仿壁虎脚掌壳体(1)、褶皱结构及膜(5)的中心均开设有通孔(7)，仿壁虎脚掌壳体(1)的通孔(7)处设有真空装置(8)，褶皱结构(4)及膜(5)通过各自的通孔(7)在真空装置(8)的作用下实现无间隙贴合。
2.根据权利要求1所述具有高度仿生特性吸盘，其特征在于：所述若干褶皱发生单元(6)为若干凸起结构。
3.根据权利要求1所述的具有高度仿生特性吸盘，其特征在于：所述褶皱发生单元体(6)之间间隔2-10mm，该间隔在真空装置(8)及膜(5)作用下形成2-10mm真空单元。
4.根据权利要求1所述的具有高度仿生特性吸盘，其特征在于：所述仿生脚趾结构(3)包括仿生脚趾壳体(9)、设于该仿生脚趾壳体(9)内的仿生褶皱结构(10)及设于仿生褶皱结构(10)上的仿生刚毛(11)。
5.根据权利要求4所述的具有高度仿生特性吸盘，其特征在于：所述仿生褶皱结构(10)以层状设于仿生脚趾壳体(9)内。
6.根据权利要求4所述的具有高度仿生特性吸盘，其特征在于：所述仿生刚毛(23)为长2～3μm、直径0.5～1μm、间距1.6～3.6μm的聚酰亚胺纤维阵列。
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