CN114475840B - 具有内骨骼约束的仿生爪刺足 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有内骨骼约束的仿生爪刺足，包括爪刺足结构外壳，爪刺柔顺结构尾端与爪刺足结构盖板位于外壳顶部预留方孔进行连接，爪刺柔顺结构位于外壳内部预留空间内，之间通过外壳隔板隔开。爪刺柔顺结构具有内骨骼约束，其内部采用刚性结构，外部为柔顺结构，柔顺结构前端为刚性结构，将内部刚性结构包裹其中；后端为“几”字形的柔性结构，可以实现参数化结构设计，与内部刚性结构间留有间隙。此种设计有效的将爪刺足的切向刚度和法向刚度分开设计。

Description

具有内骨骼约束的仿生爪刺足
技术领域
本发明属于工程仿生学和机械设计制造技术领域，涉及一种具有内骨骼约束的仿生爪刺足。
背景技术
仿生爪刺式爬壁机器人模仿昆虫足部尖爪和倒刺在粗糙表面上抓附的原理，能够实现在陡峭甚至垂直的粗糙墙壁上爬行，在桥梁检测、灾难搜救、军事侦察、小行星探测等领域具有广泛的应用前景。目前，对于爬壁机器人的攀爬技术的研究日益成熟。但对爪刺足的研究大多集中在刚性结构，对于具有柔顺结构的爪刺足的研究较少。
爪刺足是仿生爪刺式爬壁机器人进行爬行的关键部件。爪或者钩状机构在昆虫等动物上上普遍存在，主要起粘附作用。仿生爪刺粘附方式适用于自然界广泛存在的粗糙、坚硬且多灰尘的表面环境。目前比较有代表性的有：
1.美国喷气推进实验室(JPL)研制的DROP机器人，DROP机器人采用轮式结构，DROP机器人可以在粗糙壁面上爬行，虽然爬行速度较快，但其脱附方式为被动脱附，容易产生爪刺断裂的情况，严重影响机器人的爬行效率；
2.RiSE V3机器人采用医手术针为爪刺，重5.4kg，身体长70cm，尾巴长28cm，可以在木头的电线杆上21cm/s的速度进行爬行，但没能实现切向刚度和法向刚度的独立设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有内骨骼约束的仿生爪刺足，针对现有爪刺柔顺结构切向和法向刚度耦合导致整体结构设计困难的问题，该爪刺足结构采用了内骨骼约束的爪刺柔顺结构，可以实现其切向刚度和法向刚度的独立设计。
本发明所采用的技术方案是，具有内骨骼约束的仿生爪刺足，包括爪刺足结构外壳，爪刺足结构外壳内部安装有若干个爪刺柔顺结构，爪刺柔顺结构的尾部与爪刺足结构盖板接触，爪刺足结构盖板将爪刺柔顺结构固定在爪刺足结构外壳的内部，使得爪刺柔顺结构的尖端受力时分别产生切向变形和法向变形，切向变形和法向变形分别产生切向刚度和法向刚度。
本发明的特点还在于：
爪刺足结构外壳的顶部一侧设有外壳顶部预留方孔，爪刺足结构外壳的内部通过外壳隔板等距分隔有若干个外壳内部预留空间。
爪刺柔顺结构位于外壳内部预留空间内，每两个爪刺柔顺结构之间由一个外壳隔板隔开，同时爪刺柔顺结构不接触外壳内部预留空间的表面。
爪刺足结构盖板包括盖板上部大块，盖板上部大块的下方间隔设有若干个盖板下部小块。
盖板下部小块位于外壳顶部预留方孔内部，爪刺柔顺结构的尾端上部与盖板下部小块的底面接触并连接在一起；盖板上部大块位于外壳顶部预留方孔内。
爪刺柔顺结构包括外部柔顺结构和内部刚性结构。外部柔顺结构采用两种不同硬度的硅胶浇筑而成，较硬的硅胶浇筑成型为前端刚性结构，较软的硅胶浇筑成型为后端柔性结构。在浇筑的过程中，将针灸针折弯作为内部刚性结构放置在外部柔顺结构内，前端刚性结构与内部刚性结构完全接触，后端柔性结构与内部刚性结构之间留有间隙。
前端刚性结构将内部刚性结构包裹在自身内部；后端柔性结构采用“几”字形结构。
本发明的有益效果如下：
1.爪刺足结构采用具有内骨骼约束的爪刺柔顺结构，有效的解决了现有爪刺柔顺结构切向和法向刚度耦合导致整体结构设计困难的问题，可以实现其切向刚度和法向刚度的独立设计；
2.爪刺柔顺结构采用“几”字形的设计理念，可以实现爪刺柔顺结构的参数化设计。
附图说明
图1是本发明具有内骨骼约束的爪刺足的结构示意图；
图2是本发明具有内骨骼约束的爪刺足的剖视图；
图3是本发明具有内骨骼约束的爪刺足中爪刺足结构外壳的示意图；
图4是本发明具有内骨骼约束的爪刺足中爪刺足结构盖板的示意图；
图5是本发明具有内骨骼约束的爪刺足中爪刺柔顺结构的示意图；
图6是本发明具有内骨骼约束的爪刺足中爪刺柔顺结构各部分剖视图的示意图。
图中，1.爪刺足结构外壳，1-1.外壳顶部预留方孔，1-2.外壳内部预留空间，1-3.外壳隔板；
2.爪刺足结构盖板，2-1.盖板上部大块，2-2.盖板下部小块；
3.爪刺柔顺结构，3-1.外部柔顺结构，3-1-1.前端刚性结构，3-1-2后端柔性结构；3-2.内部刚性结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明具有内骨骼约束的仿生爪刺足，如图1所示，包括爪刺足结构外壳1、爪刺足结构盖板2和多个爪刺柔顺结构3。
如图2所示，爪刺柔顺结构3的尾部与爪刺足结构盖板2接触，将爪刺柔顺结构3固定在爪刺足结构外壳1的内部，使得爪刺柔顺结构3的尖端受力时分别产生切向变形和法向变形，两种变形分别产生切向刚度和法向刚度。
如图3所示，爪刺足结构外壳1的顶右端有外壳顶部预留方孔1-1，爪刺足结构外壳1的内部有均匀分布的外壳内部预留空间1-2和外壳隔板1-3。
如图4所示，爪刺足结构盖板2包括盖板上部大块2-1，盖板上部大块2-1的下方间隔设有若干个盖板下部小块2-2。
爪刺柔顺结构3位于外壳内部预留空间1-2内，每两个爪刺柔顺结构3由外壳隔板1-3隔开，同时爪刺柔顺结构3不接触外壳内部预留空间1-2的表面，二者中间留有一定的间隙；盖板下部小块2-2位于外壳顶部预留方孔1-1内部，爪刺柔顺结构3的尾端上部与盖板下部小块2-2的底面接触并连接在一起；盖板上部大块2-1位于外壳顶部预留方孔1-1内；爪刺足结构盖板2使用尼龙材料3D打印一体成型；盖板上部大块2-1与盖板下部小块2-2为浇筑成型，采用的材料是硅胶；外壳内部预留空间1-2、盖板下部小块2-2和爪刺柔顺结构3的个数一致。
如图5、6所示，爪刺柔顺结构3包括外部柔顺结构3-1和内部刚性结构3-2，其中，外部柔顺结构3-1采用两种不同硬度的硅胶浇筑而成，较硬的硅胶浇筑成型为前端刚性结构3-1-1，较软的硅胶浇筑成型为后端柔性结构3-1-2。在浇筑的过程中，将针灸针折弯作为内部刚性结构3-2放置在外部柔顺结构3-1内。前端刚性结构3-1-1与内部刚性结构3-2完全接触，后端柔性结构3-1-2与内部刚性结构3-2之间留有间隙，以保证爪刺在受力后可以恢复原状。
前端刚性结构3-1-1将内部刚性结构3-2包裹在其中，使得内部刚性结构3-2不易被破坏；后端柔性结构3-1-2采用“几”字形结构，通过对“几”字形结构各部分宽度和长度的不同设置以实现爪刺柔顺结构的参数化设计。

Claims (1)

1.具有内骨骼约束的仿生爪刺足，其特征在于：包括爪刺足结构外壳，爪刺足结构外壳内部安装有若干个爪刺柔顺结构，爪刺柔顺结构的尾部与爪刺足结构盖板接触，爪刺足结构盖板将爪刺柔顺结构固定在爪刺足结构外壳的内部，使得爪刺柔顺结构的尖端受力时分别产生切向变形和法向变形，切向变形和法向变形分别产生切向刚度和法向刚度；
所述爪刺足结构外壳的顶部一侧设有外壳顶部预留方孔，爪刺足结构外壳的内部通过外壳隔板等距分隔有若干个外壳内部预留空间；
所述爪刺柔顺结构位于外壳内部预留空间内，每两个爪刺柔顺结构之间由一个外壳隔板隔开，同时爪刺柔顺结构不接触外壳内部预留空间的表面；
所述爪刺足结构盖板包括盖板上部大块，盖板上部大块的下方间隔设有若干个盖板下部小块；
所述盖板下部小块位于外壳顶部预留方孔内部，爪刺柔顺结构的尾端上部与盖板下部小块的底面接触并连接在一起；盖板上部大块位于外壳顶部预留方孔内；
所述爪刺柔顺结构包括外部柔顺结构和内部刚性结构，外部柔顺结构采用两种不同硬度的硅胶浇筑而成，较硬的硅胶浇筑成型为前端刚性结构，较软的硅胶浇筑成型为后端柔性结构，在浇筑的过程中，将针灸针折弯作为内部刚性结构放置在外部柔顺结构内，前端刚性结构与内部刚性结构完全接触，后端柔性结构与内部刚性结构之间留有间隙；
所述前端刚性结构将内部刚性结构包裹在自身内部；后端柔性结构采用“几”字形结构。
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