CN113414995B - 一种流体驱动的带钩爪的仿壁虎黏附脚趾及其制备方法 - Google Patents

一种流体驱动的带钩爪的仿壁虎黏附脚趾及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种流体驱动的带钩爪的仿壁虎黏附脚趾，包括脚趾部以及勾爪部；所述脚趾部包括上腔部和下腔部，主动层以及从动层；所述勾爪部包括黏附于脚趾部端部的勾爪驱动腔以及固定驱动腔端部的勾爪件；所述上腔部和下腔部的从动层之间以及勾爪驱动腔靠近下腔部的一侧设置有限制层，所述下腔部的主动层表面设置有用于吸附工作面的黏附结构，所述上腔部和下腔部以及勾爪驱动腔均通过软管与流体驱动机构连通。还公开了该脚趾的制作方法，采用PDMS和PUA分别制备仿壁虎脚趾腔体和钩爪，腔体部分刚度低柔性大，便于脚趾部的内收外翻黏附力更好，并且通过设置有较大刚度的钩爪部有助于使钩爪与墙面产生较大的机械锁和力，适用性更强。

Description

一种流体驱动的带钩爪的仿壁虎黏附脚趾及其制备方法
技术领域
本发明属于仿壁虎机器人技术领域，具体涉及一种流体驱动的带钩爪的仿壁虎黏附脚趾及其制备方法。
背景技术
壁虎在各种竖直墙面、陡壁、天花板等表面自由灵活地运动，其原因是其每个脚趾可灵活地内收和外翻，并利用脚趾底面皮瓣末端微纳米级的刚毛阵列结构实现稳定黏附和敏捷脱附，从而实现在光滑平面上自由爬行。当接触粗糙表面时，壁虎利用脚趾末端的坚硬钩爪，使其弯向接触表面依靠机械锁合产生足够大的抓取力，实现粗糙平面上稳定爬行。根据壁虎脚趾的柔性黏附和坚硬钩爪结构特征及运动形式，可设计一种既能黏附又可用钩爪抓取墙面的仿生脚趾。
仿壁虎机器人在建筑、航空和航天等领域具有很大应用前景，如高楼壁面的清理，飞机进气道及油箱的检测，空间站设备的维修等。传统的仿壁虎机器人的脚趾往往采用仿壁虎刚毛微结构的黏附材料实现黏附脱附爬行。
为模仿壁虎脚趾的结构特征，专利号201811246933.3公开的一种液压驱动柔性仿壁虎脚趾，具体为采用一种柔性、疏水的透明弹性体PDMS(聚二甲基硅氧烷)通过调整配制工艺得到低硬度硅胶，并在脚趾末端添加仿壁虎刚毛黏附结构制备出可黏附脱附的仿生脚趾。
然而，这种黏附脚趾多用于光滑壁面，对于粗糙表面的附着效果相对较差，实用性仍有不足，所以需要进一步设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种流体驱动的带钩爪的仿壁虎黏附脚趾投入使用，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种流体驱动的带钩爪的仿壁虎黏附脚趾，包括脚趾部以及设置于脚趾部一端的勾爪部；
所述脚趾部包括粘结在一起的上腔部和下腔部，且上腔部和下腔部均由内截面为半圆形的主动层以及粘贴密封主动层开口处的矩形从动层；
所述勾爪部包括黏附于脚趾部端部的勾爪驱动腔以及固定驱动腔端部的勾爪件；
所述上腔部和下腔部的从动层之间以及勾爪驱动腔靠近下腔部的一侧设置有限制层，所述下腔部的主动层表面设置有用于吸附工作面的黏附结构，所述上腔部和下腔部以及勾爪驱动腔均通过软管与流体驱动机构连通。
优选的，所述主动层、从动层以及勾爪驱动腔的外表面均设置交叉螺旋绕线，且主动层表面相邻交叉绕线之间设有沟槽。
优选的，当黏附结构粘连在工作面上时，所述连接部靠近工作面的一侧设置为曲面，所述限制层铺设于曲面处。
优选的，所述黏附结构包括设置于从动层表面的若干个平行皮瓣以及设置于平行皮瓣地面的仿生蘑菇头状黏附组件。
优选的，所述勾爪驱动腔上连通的软管从主动层腔体内穿过，且所述软管在腔体内呈松弛弯曲状。
优选的，所述限制层为圆弧片状，且由非弹性聚酯单丝网及与硅胶的混合物制成。
优选的，所述勾爪件为聚氨酯丙烯酸酯(PUA)材质，且主动层和从动层的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
还公开了一种上述的仿壁虎黏附脚趾的制备方法，包括以下步骤；
S1、模具的设计与制备：制作主动层和从动层的模具以及主动层和从动层腔体底部模具、制作勾爪驱动腔的模具以及勾爪件模具和皮瓣模具；
S2、软体部分的制备：
a、配制低硬度的液体硅橡胶，并进行多次抽真空去除气泡；
b、将a步骤中制作的液体硅橡胶注入S1步骤中的主动层和从动层的模具以及勾爪驱动腔的模具；
S3、布置软管：
a、将对应软管的一端分别与上腔体和下腔体主动层以及勾爪驱动腔的腔体对接，其中与勾爪驱动腔对接的软管从上腔体内穿过；
c、在软管的对接处涂抹硅胶使其固化密封连接腔体；
S4、脚趾部的制作：
a、将S2步骤中制作的两对主动层和从动层通过硅胶对应连接构成完整的上腔体和下腔体；
b、再通过按照主动层和从动层外表面预设的纹路缠线固化；
S5、制备下腔体底面皮瓣：采用S2中a步骤中低硬度的液体硅橡胶，利用皮瓣模具在下腔体的主动层表面浇注出平行凸起平面；
S6、限制层的制作：
a、在上腔体和下腔体的从动层以及勾爪驱动腔的曲面处相对面上涂刷一层液体硅橡胶；
b、从上述a步骤中其中一个从动层底面以及勾爪驱动腔的曲面处轻轻铺上单层非弹性聚酯单丝网，静置1min使其浸入液体硅橡胶；
c、之后将上腔体和下腔体以及勾爪驱动腔一同放入烘箱60℃固化10min；
d、通过将再次涂刷液体硅橡胶将限位层与另一个从动层粘连，连通限制层一起放入烘箱中60℃下，固化45min；
S7、钩爪件的制作：配置液体PUA，倒入到钩爪模具，脱模后通过紫外线照射；
S8、将S7步骤中制得的勾爪件与勾爪驱动腔通过液体PUA固化连接；
S9、用液体硅橡胶将仿壁虎刚毛阵列黏附材料贴于S5步骤中的凸起平面；
S10、驱动系统的设计：每个管道需要通过一个三通接头连接两个电磁阀，其中一个用于流体的进入，另一个用于流体的排出，实现保压和泄压。
优选的，所述步骤S1中采用3D打印设备制备出所有的模具,上腔体部和下腔体部以及限制层模具长宽高比约为8:2:1，钩爪驱动腔体模具长宽高比约为1:1:1。
优选的，所述S2步骤中的液体硅橡胶是由预聚体与固化剂按10:1配制而成。
优选的，所述S7步骤中的PUA包含如下组分：按质量百分比数计；
80％质量的脂肪族聚氨酯丙烯酸酯，4.8％质量的二缩三丙二醇二丙烯酸酯，12％质量的1,6-己二醇二甲基丙烯以及3.2％质量的2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮。
本发明的技术效果和优点：该流体驱动的带钩爪的仿壁虎黏附脚趾及其制备方法，
1、采用PDMS制备仿壁虎脚趾部的上、下腔部和钩爪驱动腔，腔体部分刚度低柔性大，通过流体驱动三个腔体使脚趾双向弯曲，便可实现可控的内收外翻从而对于各种曲面附着的，并且所述主动层、被动层以及勾爪驱动腔的外表面均设置交叉螺旋绕线，且主动层表面相邻交叉绕线之间设有沟槽，通过设置绕线，保证上腔体和下腔体可以承受更大的流体强度，并且设置沟槽，便于在主动层表面收到张力时，发生流畅弯曲形变，增强实用性。
2、通过PUA制备钩爪件，通过设置勾爪驱动腔体，对于粗糙表面，黏附结构粘连效果不够好的情况，通过向勾爪驱动腔体输送流体，使其发生弯曲，钩爪件尖端刚度大有助于使钩爪与墙面产生较大的机械锁和力，从而保证在粗糙平面的附着效果，适用性更强。
3、同时提出了该仿壁虎黏附脚趾的制备方法，成品率高，产品质量稳定，并且使用寿命更长。
附图说明
图1为本发明的立体示意图；
图2为本发明的剖视图；
图3为上、下腔体主动层完整模具示意图；
图4为主动层半圆形部分模具示意图；
图5为上、下腔体从动层完整模具示意图；
图6为钩爪驱动腔的完整模具示意图；
图7为钩爪驱动腔圆弧部分模具示意图；
图8为钩爪件模具半剖图；
图9为下腔部黏附部分的凸起平面模具示意图。
图中：1、脚趾部；110、上腔部；120、下腔部；
1110、主动层；1120、从动层；
2、勾爪部；210、勾爪驱动腔；220、勾爪件；
3、限制层；4、黏附结构；410、平行皮瓣；420、仿生蘑菇头状黏附组件；
5、软管；6、交叉螺旋绕线；7、沟槽；8、曲面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图1-2所示的一种流体驱动的带钩爪的仿壁虎黏附脚趾，包括脚趾部1以及设置于脚趾部1一端的勾爪部2；所述脚趾部1包括粘结在一起的上腔部110和下腔部120，且上腔部110和下腔部120均由内截面为半圆形的主动层1110以及粘贴密封主动层1110开口处的矩形从动层1120；所述勾爪部2包括黏附于脚趾部1端部的勾爪驱动腔210以及固定驱动腔端部的勾爪件220；
所述上腔部110和下腔部120的从动层1120之间以及勾爪驱动腔210靠近下腔部120的一侧设置有限制层3，所述下腔部120的主动层1110表面设置有用于吸附工作面的黏附结构4，所述上腔部110和下腔部120以及勾爪驱动腔210均通过软管5与流体驱动机构连通，所述勾爪件220为聚氨酯丙烯酸酯(PUA)材质，且主动层1110和从动层1120的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
该脚趾工作时，当需要脚趾部1呈内收状态时，通过软管5向上腔部110内注入流体，从而增大对于上腔部110主动层1110的张力，由于主动层1110的弹性大于与限制层3粘连的从动层1120，所以主动层1110发生弯曲形变，从而整体脚趾部1发生弯曲，此时下腔体的主动层1110表面呈内凹状态，通过下腔部120的主动层1110表面的黏附结构4附着到凸出型曲面8上；
当需要脚趾部1呈外翻状态时，先通过软管5将上腔体内流体排出后，通过软管5向下腔体内输送流体，同理增大对于下腔部120主动层1110的张力，其对应的主动层1110发生弯曲，此时下腔体的主动层1110表面呈外凸状态，通过下腔部120的主动层1110表面的黏附结构4附着到凹陷型曲面8上；
而对于粗糙表面，黏附结构4粘连效果不够好的情况，通过软管5向勾爪驱动腔210输送流体，由于勾爪驱动腔210靠近下腔部120的一侧设置有限制层3，所述限制层3为圆弧片状，且由非弹性聚酯单丝网及与硅胶的混合物制成，所以勾爪驱动腔210表面的两侧弹力存在较大差异，所以勾爪件220向着粗糙表面的方向弯曲，由于采用PDMS和PUA分别制备仿壁虎脚趾腔体和钩爪，腔体部分刚度低柔性大，钩爪件尖端刚度大有助于使钩爪与墙面产生较大的机械锁和力，从而保证在粗糙平面的附着效果，适用性更强；
通过流体驱动三个腔体使脚趾双向弯曲，便可实现可控的内收外翻、钩爪弯曲行为，驱动方案简单，驱动系统易于控制，制备成本低。
所述主动层1110、从动层1120以及勾爪驱动腔210的外表面均设置交叉螺旋绕线6，且主动层1110表面相邻交叉绕线之间设有沟槽7。通过设置绕线，保证上腔体和下腔体可以承受更大的流体强度，并且设置沟槽7，便于在主动层1110表面收到张力时，发生流畅弯曲形变，增强实用性。
当黏附结构4粘连在工作面上时，所述连接部靠近工作面的一侧设置为曲面8，所述限制层3铺设于曲面8处。通过设置曲面8，保证在勾爪驱动腔210输入流体后，使得勾爪件220可以快速流畅的向着曲面8一侧弯曲，从而向粗糙平面锁紧。
所述黏附结构4包括设置于从动层1120表面的若干个平行皮瓣410以及设置于平行皮瓣410地面的仿生蘑菇头状黏附组件。保证脚趾部1可以稳定的与工作面之间的詹念吸附。
所述勾爪驱动腔210上连通的软管5从主动层1110腔体内穿过，且所述软管5在腔体内呈松弛弯曲状。采用腔体内部软管5弯曲放置，以适应内收和外翻变形时弯曲角。
还公开了一种上述的仿壁虎黏附脚趾的制备方法，包括以下步骤；
S1、如图3-9所示，模具的设计与制备：制作主动层和从动层的模具以及主动层和从动层腔体底部模具、制作勾爪驱动腔的模具以及勾爪件模具和皮瓣模具；用SLA工艺和未来8000树脂打印出两套相同的环形腔体层(主动层)、底面层模具(从动层)、钩爪驱动腔体模具、钩爪件整体模具以及一个凸起平面模具。环形腔体模具长7.2cm宽2.4cm，截面为半圆环形(壁厚2mm)，表面沿轴向设有腔体缠线纹路对应的凸起结构；被动层和凸起平面模具为长7.2cm宽2.4cm深1mm的矩形，凸起平面模具内侧设有底侧凹槽对应的凸起结构，其长9.6mm宽1.6mm深0.8mm；钩爪腔体模具内截面为带有锯齿状凸起的不规则结构，锯齿厚3mm，锯齿间间隙3mm，长4mm；
S2、软体部分的制备：
a、配制硅橡胶：预聚体(PMHS)与固化剂(PMHS)按配比10:1混合搅拌至均匀，利用机械泵抽真空5-7次，直至气泡完全消失；
b、浇注：往腔体模具注入硅橡胶，60℃下固化2h后，拆掉模具，得到外表面具有缠线纹路的环形腔体(主动层)及钩爪驱动腔体；
c、螺旋绑线：为了防止主动层的膨胀变形，采用反向交叉螺旋缠线法，用0.2mm的细线沿着模具表面的纹路给三个腔体绑线；
S3、布置软管：将软管布置在腔体的相应位置，并涂抹硅胶使其固化密封连接腔体，腔体内部软管弯曲放置。上腔体层每个小孔各插入一根粗2mm的橡胶管，通过橡胶管以通入驱动流体，下腔体插入第二根橡胶管。第三根橡胶管穿过钩爪腔体上的小孔将气体通往钩爪驱动腔，其间隙均用液体硅橡胶密封；
S4、脚趾部的制作：轻轻将主动层放置在从动层，用液体硅橡胶密封连接处，再刷上薄薄的液体硅橡胶，然后按照预设的纹路进行缠线，之后整体放入烘箱60℃固化45min；
S5、制备下腔体底面皮瓣：采用真空浇注法，在脚趾底面浇注一层平行条状的凸起平面，每个凸起平面长9.6mm宽1.6mm高0.8mm；
S6、限制层的制作：
a、从动层底面中平铺一层液体硅橡胶，其中一个轻轻铺上单层非弹性聚酯单丝网(140目/英尺，丝径64μm)，静置1min使其浸入液体硅橡胶，另一个从动层底面只需涂刷液体硅橡胶，均放入烘箱60℃固化10min；
b、将两个被动层外表面刷一层液体硅橡胶，使二者粘在一起，最后放入烘箱中60℃下固化45min；
S7、钩爪的制作：
a、配制PUA：避光操作，将SC2565(脂肪族聚氨酯丙烯酸酯)、M220(二缩三丙二醇二丙烯酸酯)、M2101(1,6-己二醇二甲基丙烯)、iGM1173(2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮)按1:0.06:0.15:0.04混合搅拌至均匀，利用机械泵抽真空5-7次，直至气泡完全消失；
b、浇注：将制备好的钩爪驱动腔体放入钩爪整体模具中，倒入PUA，使其充满钩爪整体模具的剩余空间，紫外光照射1min，拆掉模具，得到具有硬度大的钩爪尖端；
S8、将S7步骤中制得的勾爪件与勾爪驱动腔通过液体PUA固化连接；
a、钩爪件与钩爪驱动腔体连接时，涂抹液体硅胶后使固化在钩爪驱动腔体的牙齿形对接处，然后将三个腔体对接好之后整体放入烘箱60℃下45min固化；
b、在钩爪件右侧上刷上液体PUA，将钩爪矩形齿与腔体连接，然后用紫外光照射30s，完成钩爪与腔体的固化；
S9、用液体硅橡胶将仿壁虎刚毛阵列黏附材料贴于S5步骤中的凸起平面。
S10、驱动系统的设计：每个软管需要通过一个三通阀连接两个电磁阀来实现气体或液体驱动，其中一个电磁阀用于流体的进入，另一个用于流体的排出。当该管道需要进气时，进气端电磁阀通电，排气端断电，气体进入；需要保压时，进气端电磁阀断电，排气端通电，气体存留在腔体内，实现保压功能；需要卸压时，两阀均通电，气体从排气端排出。
所述步骤S1中采用3D打印设备制备出所有的模具,上腔体部和下腔体部以及限制层模具长宽高比约为8:2:1，钩爪驱动腔体模具长宽高比约为1:1:1。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (9)

1.一种流体驱动的带钩爪的仿壁虎黏附脚趾，其特征在于：包括脚趾部(1)以及设置于脚趾部(1)一端的勾爪部(2)；
所述脚趾部(1)包括粘结在一起的上腔部(110)和下腔部(120)，且上腔部(110)和下腔部(120)均由内截面为半圆形的主动层(1110)以及粘贴密封主动层(1110)开口处的矩形从动层(1120)；
所述勾爪部(2)包括黏附于脚趾部(1)端部的勾爪驱动腔(210)以及固定驱动腔端部的勾爪件(220)；
所述上腔部(110)和下腔部(120)的从动层(1120)之间以及勾爪驱动腔(210)靠近下腔部(120)的一侧设置有限制层(3)，所述下腔部(120)的主动层(1110)表面设置有用于吸附工作面的黏附结构(4)，所述上腔部(110)和下腔部(120)以及勾爪驱动腔(210)均通过软管(5)与流体驱动机构连通，所述勾爪件(220)为聚氨酯丙烯酸酯(PUA)材质，且主动层(1110)和从动层(1120)的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
2.根据权利要求1所述的一种流体驱动的带钩爪的仿壁虎黏附脚趾，其特征在于：所述主动层(1110)、从动层(1120)以及勾爪驱动腔(210)的外表面均设置交叉螺旋绕线(6)，且主动层(1110)表面相邻交叉绕线之间设有沟槽(7)。
3.根据权利要求2所述的一种流体驱动的带钩爪的仿壁虎黏附脚趾，其特征在于：当黏附结构(4)粘连在工作面上时，所述连接部靠近工作面的一侧设置为曲面(8)，所述限制层(3)铺设于曲面(8)处。
4.根据权利要求1所述的一种流体驱动的带钩爪的仿壁虎黏附脚趾，其特征在于：所述黏附结构(4)包括设置于从动层(1120)表面的若干个平行皮瓣(410)以及设置于平行皮瓣(410)地面的仿生蘑菇头状黏附组件(420)。
5.根据权利要求1所述的一种流体驱动的带钩爪的仿壁虎黏附脚趾，其特征在于：所述勾爪驱动腔(210)上连通的软管(5)从主动层(1110)腔体内穿过，且所述软管(5)在腔体内呈松弛弯曲状。
6.根据权利要求1所述一种流体驱动的带钩爪的仿壁虎黏附脚趾，其特征在于：所述限制层(3)为圆弧片状，且由非弹性聚酯单丝网及与硅胶的混合物制成。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的仿壁虎黏附脚趾的制备方法，其特征在于：包括以下步骤；
S1、模具的设计与制备：制作主动层和从动层的模具以及主动层和从动层腔体底部模具、制作勾爪驱动腔的模具以及勾爪件模具和皮瓣模具；
S2、软体部分的制备：
a、配制液体硅橡胶，并进行多次抽真空去除气泡；
b、将a步骤中制作的液体硅橡胶注入S1步骤中的主动层和从动层的模具以及勾爪驱动腔的模具；
S3、布置软管：
a、将对应软管的一端分别与上腔体和下腔体主动层以及勾爪驱动腔的腔体对接，其中与勾爪驱动腔对接的软管从上腔体内穿过；
c、在软管的对接处涂抹硅胶使其固化密封连接腔体；
S4、脚趾部的制作：
a、将S2步骤中制作的两对主动层和从动层通过硅胶对应连接构成完整的上腔体和下腔体；
b、再通过按照主动层和从动层外表面预设的纹路缠线固化；
S5、制备下腔体底面皮瓣：采用S2中a步骤中液体硅橡胶，利用皮瓣模具在下腔体的主动层表面浇注出平行凸起平面；
S6、限制层的制作：
a、在上腔体和下腔体的从动层以及勾爪驱动腔的曲面处相对面上涂刷一层液体硅橡胶；
b、从上述a步骤中其中一个从动层底面以及勾爪驱动腔的曲面处轻轻铺上单层非弹性聚酯单丝网，静置1min使其浸入液体硅橡胶；
c、之后将上腔体和下腔体以及勾爪驱动腔一同放入烘箱60℃固化10min；
d、通过将再次涂刷液体硅橡胶将限位层与另一个从动层粘连，连通限制层一起放入烘箱中60℃下，固化45min；
S7、钩爪件的制作：配置液体PUA，倒入到钩爪模具，脱模后通过紫外线照射；
S8、将S7步骤中制得的勾爪件与勾爪驱动腔通过液体PUA固化连接；
S9、用液体硅橡胶将仿壁虎刚毛阵列黏附材料贴于S5步骤中的凸起平面；
S10、驱动系统的设计：每个管道需要通过一个三通接头连接两个电磁阀，其中一个用于流体的进入，另一个用于流体的排出，实现保压和泄压。
8.根据权利要求7所述一种仿壁虎黏附脚趾的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中采用3D打印设备制备出所有的模具,上腔体部和下腔体部以及限制层模具长宽高比约为8:2:1，钩爪驱动腔体模具长宽高比约为1:1:1。
9.根据权利要求7所述一种仿壁虎黏附脚趾的制备方法，其特征在于：所述S2步骤中的液体硅橡胶是由预聚体与固化剂按10:1配制而成。
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