具有半球状微结构的仿生湿吸爬壁机器人足垫

摘要

本发明属于仿生学领域，具体涉及一种仿生湿吸爬壁机器人足垫。包括足垫基底、足垫微结构阵列、喷液微流道。在足垫制作时，用硅橡胶将足垫微结构阵列、喷液微流道与足垫基底整体浇铸而成，并通过足垫平面基底上的通孔用螺钉安装在爬壁机器人上。本发明的半球状三维微结构阵列在吸附时与接触面面积迅速增大，吸附力也随之增大使吸附更加有效，在脱附时产生分离角与接触面面积迅速减小，吸附力也迅速减小，脱附过程也变得相对容易，这样便能快速完成吸附与脱附的交替进行，符合仿生爬壁机器人的吸附脱附需求。此外，贯穿半球状微结构的数量众多的喷液微流道有利于黏液的分泌与排开，有效的增加吸附力。本发明结构简单、主体零件采用硅橡胶浇铸方式，易于加工。

说明书

技术领域

本发明属于仿生学领域，涉及一种仿生湿吸爬壁机器人的爬壁机构，尤其是一种仿生湿吸爬壁机器人足垫。

背景技术

仿生足垫设计是仿生湿吸爬壁机器人的关键技术之一。研究者们对湿吸类爬壁动物吸附原理进行了较为深入的研究，发现吸附力主要来源于足垫分泌的粘液在足垫与壁面之间形成一层纳米级薄膜，产生表面张力及毛细力，并提出了湿吸附液体桥模型。由此得到启示，通过模仿湿吸类动物足垫的表面微结构，设计仿生湿吸爬壁机器人足垫。继续对湿吸力形成进行深入研究，已经证实表面的微米尺度微结构与壁面充分有效接触，可显著提高湿吸力。但是，爬壁过程中，足垫与壁面间吸附和脱附需要快速交替进行，脱附时克服湿吸力的能力与吸附时产生大的湿吸力同样重要。调控脱附性能已经成为仿生刚毛技术的重要研究方向，然而具有脱附机制的仿生湿吸机理的研究未见报道。

鉴于目前研究的空白，同时为了满足仿生湿吸机器人爬壁时吸附与脱附的快速交替进行，提供了一种新型具有半球状微结构的仿生湿吸爬壁机器人足垫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿生湿吸爬壁机器人足垫。

该足垫具有较好的粘弹性，吸附与脱附能力都较好，能快速完成吸附与脱附的交替进行。结构简单，浇注方便，易于实现。

本发明提供的仿生湿吸爬壁机器人足垫，足垫基底1、足垫微结构阵列、喷液微流道4和储液凹槽5；其中：

所述足垫基底1、足垫微结构阵列、喷液微流道4和储液凹槽5均由硅橡胶整体浇铸而成；

所述足垫基底1的四周分布有通孔3，足垫基底1通过螺钉和通孔3安装在爬壁机器人上，足垫基底1的下表面开有储液凹槽5，足垫基底1的上表面设有足垫微结构阵列；

所述足垫微结构阵列由若干个半球状微结构2线性阵列而成，半球状微结构2均匀分布于足垫基底1上，并且足垫微结构阵列的阵列方向都平行于足垫基底1表面，且所有半球状微结构2的球心全部位于足垫基底1的上表面中；

所述喷液微流道4为直孔，贯穿于半球状微结构2，其一端直达储液凹槽5，喷液微流道4的数量与半球状微结构2的数量相同，其轴线通过半球状微结构2的球心且垂直于足垫基底1表面。

本发明中，所述的半球状微结构阵列中的每个半球状微结构2的直径大小相同，小于100μm，并且根据需要可改变阵列的个数，以达到最理想的吸附效果。所述的喷液微流道4的直径小于20μm。

本发明中，所述足垫基底1的储液凹槽5由足垫基底1的下表面向内凹的距离为1mm。

本发明足垫上的半球状三维微结构同时有助于吸附与脱附；足垫微结构上具有喷液微流道，用于粘液的分泌与排开，该足垫结构简单，采用金属模具浇铸而成，浇铸模具表面有半球状微坑，方便快捷。

附图说明

图1 具有半球状微结构仿生湿吸足垫示意图。

图2 仿生湿吸足垫微结构的吸附脱附过程示意图。

图3 具有半球状微结构仿生湿吸足垫下表面示意图。

图4 半球状微结构和喷液微流道示意图。

图中标号：1、足垫基底，2、半球状微结构，3、通孔，4、喷液微流道，5、储液凹槽。

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，具有半球状微结构仿生湿吸足垫主要包括足垫基底1、足垫微结构2、喷液微流道4。足垫整体结构由硅橡胶整体浇铸而成，具体步骤如下：采用金属LIGA工艺或特种加工方法制备微细浇铸模具，将硅橡胶液体胶和固化剂按照一定比例混合，并在真空烘箱中使其充满浇铸模具，加热到略高于室温，并保持一段时间，经固化剥离后得到带有微结构的硅橡胶足垫。通过足垫平面基底1上的通孔3用螺钉安装在爬壁机器人上。

如图1所示，所述的足垫微结构阵列由若干个半球状微结构2线性阵列而成，并且阵列方向都平行于足垫基底1表面，且所有半球状微结构2的球心全部位于足垫基底1的上表面中。吸附与脱附过程如图2所示，在与接触面吸附时，在预压力的作用下，依次触碰到半球状微结构的顶部、腰部与根部，随之带来的是接触面积迅速扩大，又因为湿吸力和实际接触面积成正比，所以相应的湿吸力也迅速增大。脱附过程与吸附过程相反，从半球状微结构的根部到顶部接触面积减小，这样就存在分离角θ。因此只需很小的分离力便可迅速完成脱附过程。使仿生湿吸足垫不但具有较强的吸附能力，而且还具有良好的脱附机制。

如图1所示，所述的足垫的半球状微结构的直径都小于100μm，因此在有限的足垫表面中有效增大了微结构的个数。此时，当爬壁机器人足垫在粗糙壁面爬行时，会明显增大足垫材料和粗糙壁面的实际接触面积，从而大大增大湿吸力。

如图3和图4所述的喷液微流道4为贯穿半球状微结构2并直达储液凹槽5的直孔，其轴线通过半球状微结构2的球心且垂直于足垫基底下表面。湿吸力形成于足垫和壁面间的液体桥，当液体厚度越小，液体排开速度越快时，湿吸力也随之增大。本发明中一方面为了加快液体排开速度，喷液微流道的数量与半球状微结构2的数量相同；另一方面为了获得厚度更小的液体桥薄膜，微流道的直径通常不大于20μm。

本发明具有以下特点：足垫上的半球状三维微结构有助于吸附与脱附，在吸附过程中，接触面迅速增大，湿吸力也随之增大，脱附时，接触面则是快速减小，由于是截面积不同，存在分离角，脱附会变得更加容易；足垫微结构上具有喷液微流道，用于粘液的分泌与排开，两端安装面则是光滑的，结构合理、经济；该足垫结构简单，采用金属模具浇铸而成，浇铸模具表面有半球状微坑，方便快捷。