CN102653289A - 具有仿生吸振和仿生粘附结构的爬壁机器人 - Google Patents

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梅涛
郭大宝
孙少明
吴暄
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Abstract

本发明涉及到工程仿生学，以及机械设计和制造等学科领域，尤其是涉及一种利用仿生吸振和仿生粘附来实现爬壁功能的机器人设备。目的是为了解决爬壁机器人常见吸附方式的局限性以及减小爬壁过程中的震动，提供一种结构简单，易于加工，粘附和吸收震动效果都很好的具有仿生吸振和仿生粘附结构的爬壁机器人。一种具有仿生吸振和仿生粘附结构的爬壁机器人，具有前后底盘、驱动单元和执行单元，执行单元包括4个同步带轮、同步带和连接同步带轮的轴，上述前后底盘之间通过仿生吸振单元弹性连接，仿生吸振单元由弹簧和多孔弹性橡胶组成，且多孔弹性橡胶包裹在弹簧周围。

Description

具有仿生吸振和仿生粘附结构的爬壁机器人
技术领域
本发明涉及到工程仿生学，以及机械设计和制造等学科领域，尤其是涉及一种利用仿生吸振和仿生粘附来实现爬壁功能的机器人设备。
背景技术
爬壁机器人是能够在垂直墙面上进行攀爬并完成作业的自动化机器人。爬壁机器人必须具备吸附和移动两个基本功能，常见的吸附方法有负压吸附和磁性吸附两种方法，其中负压吸附要求墙面光滑平整，磁性吸附要求墙面具有导磁性，两种吸附方式的应用范围都有一定的局限性。根据移动方式的不同，爬壁机器人在移动过程中可能会产生振动，这种振动将会影响到爬壁机器人爬壁过程中的稳定性，甚至可能导致出现爬壁机器人从墙面上掉落的情况发生。因此，选择一种应用范围广泛的吸附方式，并且能够解决移动过程中的震动问题对于爬壁机器人的研究具有重要意义。
在爬壁机器人方面，中国专利文献CN1428226提供了一种《履带式多吸盘爬壁机器人的实现方法及所述方法的机器人》，该专利文件在一定程度上解决了爬壁机器人在爬行过程中的低速、非连续性、跨越障碍或沟槽时吸盘出现真空泄漏导致机器人脱离壁面以及吸盘在吸附过程中密封难度大等难题，但是这种机器人对墙面光洁度要求严格，适用性不强。
发明内容
本发明的目的是为了解决爬壁机器人常见吸附方式的局限性以及减小爬壁过程中的震动，提供一种结构简单，易于加工，粘附和吸收震动效果都很好的具有仿生吸振和仿生粘附结构的爬壁机器人。
根据现有研究发现，大壁虎的脚部约有650万根角蛋白绒毛(刚毛seta)，每根刚毛在顶端又细分为100-1000根绒毛(spatula)，其末端呈现直径约0.2-0.5μm的抹刀形状，如倒立的钝角三角形连接在末端。2000年，路易斯-克拉克学院的Kellar Autumn发现，壁虎单根刚毛的粘附力，最大可以达到194±25μN。所有刚毛全部完全粘附，最大可达粘附力为1300N。排除了气压、摩擦力、静电引力、粘胶作用以及毛细作用，范德华力(Van der Waals Force，即分子间力)被确定为起主要作用的力，来保持壁虎与墙壁的粘附。随后科学家们开始致力于人工制作仿壁虎脚掌材料即粘附阵列的研究。
中科院合肥智能机械研究所利用硅橡胶(聚二甲基硅氧烷，PDMS)为基底，采用微纳米加工工艺，用刻蚀等加工工艺在硅橡胶上刻蚀出半径为5μm的刚毛，然后在刚毛上用纳米工艺加工出直径为400nm左右的绒毛。在加上一定预紧力之后，在完全粘附的情况下，这种材料在实验室内可以达到的力学性能为：法向2.7N/cm2(即粘附力)2.7N/cm2，切向(即摩擦力)3N/cm2。本发明利用已有这种粘附整列，设计了一种粘附履带作为爬壁机器人的粘附机构，可以有效避免负压吸附和磁性吸附的适用范围小的弊端。
根据已有研究，鸮类经过亿万年的进化和自然选择，其躯体表面具有减少噪声产生和控制噪声反射的特性。通过对长耳鸮的胸腹部皮肤纵切片进行观察研究发现，长耳鸮皮肤可分为三层，即表皮层、真皮层、皮下组织层。长耳鸮皮肤表皮层很薄且覆有一层类似蜡质的物质，真皮层组织疏松，交错分布，有许多微管状小孔，放大225倍观察到长耳鸮皮肤真皮层与皮下组织之间有薄空腔存在，空腔平均宽度为50μm。本发明对长耳鸮的这个特征进行仿生建模，从而应用到爬壁机器人移动过程中的吸振控制，提出了一种新型应用于爬壁机器人上的仿生吸振结构。
已有的爬壁机器人的履带多数采用普通平带的方式，这种方式的好处是运动平稳，震动小，存在的问题是平带容易打滑，导致两个履带的运动产生速度差，爬壁机器人的运动轨迹将不再是直线，具体轨迹不受控制。本发明采用圆弧同步带代替普通平带，同步带可以保证两个履带的运行速度完全一样，爬壁机器人完全沿直线运动。而采用圆弧同步带的好处还在于圆弧齿要比梯形齿产生的震动更少，爬壁机器人的运动更稳定。在圆弧同步带的外侧粘贴上文提到的纳米阵列材料，从而实现粘附爬壁功能。
爬壁机器人采用同步履带的方式，需要对同步带进行压紧设置，使同步带张紧。张紧方式主要有两种，采用张紧轮的方式和一端浮动的方式，考虑到爬壁机器人尺寸应该尽量小，所以本发明采用一端浮动的张紧方式。爬壁机器人的底盘分为前部和后部两个可以相对运动的部分，一组同步带的两个带轮分别位于底盘的两个部分，前后底盘之间连接为一个直线滑动副，用弹性结构连接，以实现对履带张紧的目的。因为前后底盘之间采用弹性连接而不是固定连接，所以在爬壁机器人运动过程中会产生比较严重的震动，影响到爬壁机器人的稳定性。针对这一问题，本发明采用一种具有吸振功能的弹性结构来对前后底盘之间的履带张紧。这种吸振结构是一种仿长耳鸮皮肤结构的仿生设计，也是本发明的核心点之一。具体的技术方案是参考长耳鸮的皮肤结构，其真皮层有许多微小孔，从而起到了吸振的效果，本发明采用一种新型的以多孔弹性橡胶与弹簧相结合的弹性吸振装置，它既有弹簧提供的较大的弹性模量，可以满足对履带张紧的要求，同时多孔弹性橡胶可以起到很好的吸振效果，从而使爬壁机器人的运动更稳定。这种吸振弹性结构的制作方法可以是，选择基本尺寸和弹性系数合适的弹簧数根，然后通过橡胶加工工艺中的注射成型工艺，将多孔弹性橡胶包裹在弹簧周围，最后要使整个弹性体成型为满足要求的形状。
本发明将工程仿生和实践相结合，提出一种能够适用于多种墙面，具有一定稳定性的新型爬壁机器人，对于特种工作条件下作业的机器人提供了一种新的样式。
本发明的技术方案如下：
一种具有仿生吸振和仿生粘附结构的爬壁机器人，具有前后底盘、驱动单元和执行单元，执行单元包括4个同步带轮、同步带和连接同步带轮的轴，上述前后底盘之间通过仿生吸振单元弹性连接，仿生吸振单元由弹簧和多孔弹性橡胶组成，且多孔弹性橡胶包裹在弹簧周围。
上述驱动单元包括直流减速电机和齿轮组，且齿轮组传动比为1∶3。
上述执行单元包括4个同步带轮、同步带和连接同步带轮的轴，同步带的***粘贴有仿生纳米阵列材料，仿生纳米阵列材料具有硅橡胶材质的基底，基底上具有采用微纳米加工工艺刻饰处的刚毛。
上述后底盘具有用来提供预压力的尾部。
本发明结构简单，加工容易，运动稳定，能够实现机器人爬墙的特种功能任务；本机器人的前后底盘通过仿生吸振单元弹性连接，有效降低了机器人运行过程中的振动，保证机器人平稳的执行工作任务；本机器人的同步带***设有仿生纳米阵列材料，可以让机器人牢固的吸附在墙壁上，不会发生脱落情况；本机器人的后底盘还连接尾部，可以给同步带一个预压力，让同步带上的仿生纳米阵列材料更好的发生作用，保证可靠的吸附在工作墙面上。
附图说明
图1是本发明爬壁机器人的整体立体结构示意图。
图2是本发明爬壁机器人的平面俯视图。
图3是本发明爬壁机器人的剖面示意图。
图4是本发明爬壁机器人的仿生纳米阵列材料的结构示意图。
图5是本发明爬壁机器人的仿生吸振单元的结构示意图
具体实施方式
见图1、图2和图3，本发明爬壁机器人具有前后底盘1、6、驱动单元和执行单元，前底盘1和后底盘6为弹性连接，存在一个直线方向相对运动的自由度，仿生吸振单元9将前后底盘弹性连接起来。驱动单元包括直流减速电机4和齿轮组3，直流减速电机和齿轮组都安装在后底盘上，齿轮组的传动比为1∶3。驱动单元包括4个同步带轮10、同步带8和轴2，轴分别设置在前后底盘上，轴的两端都安装同步带轮10，同步带轮之间设有同步带8。启动直流减速电机4，通过齿轮组的传动作用，同步带轮将驱动同步带运动。
见图4，上述同步带8的***粘贴有仿生纳米阵列材料7，形成一套具有粘附力的同步带。仿生纳米阵列材料具有基底71，基底为硅橡胶材料，基底上具有采用微纳米加工工艺刻蚀出的刚毛72，当具有仿生纳米阵列材料的同步带与墙面接触时，纳米尺寸的刚毛将与墙面间产生范德华力，从而实现粘附。为了达到更好的粘附效果，本机器人后底盘还设有尾部5，尾部具有弹性，目的是为了给同步带提供预压力，使机器人可靠的吸附在墙面上。上述前后底盘1、6采用铝合金材料，轴2、齿轮组3和尾部5均采用合金钢材料。
见图5，上述仿生吸振单元9包括弹簧92和多孔弹性橡胶91，多孔弹性橡胶91通过橡胶加工中的注射成型工艺，包裹在弹簧92周围，形成具有弹性的整体。仿生吸振单元的弹簧要求具有足够的弹力，以涨紧两根同步带，同时多孔弹性橡胶91能够在机器人运行过程尽量减弱振动影响。

Claims (4)

1.一种具有仿生吸振和仿生粘附结构的爬壁机器人，具有前后底盘(1、6)、驱动单元和执行单元，执行单元包括4个同步带轮(10)、同步带和连接同步带轮的轴(2)，其特征在于：上述前后底盘之间通过仿生吸振单元(9)弹性连接，仿生吸振单元由弹簧(92)和多孔弹性橡胶(91)组成，且多孔弹性橡胶包裹在弹簧周围。
2.根据权利要求1所述的具有仿生吸振和仿生粘附结构的爬壁机器人，其特征在于：上述驱动单元包括直流减速电机(4)和齿轮组(3)，且齿轮组传动比为1∶3。
3.根据权利要求1所述的具有仿生吸振和仿生粘附结构的爬壁机器人，其特征在于：上述执行单元包括4个同步带轮(10)、同步带(8)和连接同步带轮的轴(2)，同步带的***粘贴有仿生纳米阵列材料(7)，仿生纳米阵列材料具有硅橡胶材质的基底(71)，基底上具有采用微纳米加工工艺刻饰处的刚毛(72)。
4.根据权利要求1所述的具有仿生吸振和仿生粘附结构的爬壁机器人，其特征在于：上述后底盘(6)具有用来提供预压力的尾部(5)。
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