專利名稱：具有半球狀微結(jié)構(gòu)的仿生濕吸爬壁機(jī)器人足墊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于仿生學(xué)領(lǐng)域，涉及一種仿生濕吸爬壁機(jī)器人的爬壁機(jī)構(gòu)，尤其是一種仿生濕吸爬壁機(jī)器人足墊。
背景技術(shù)：
仿生足墊設(shè)計(jì)是仿生濕吸爬壁機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。研究者們對濕吸類爬壁動(dòng)物吸附原理進(jìn)行了較為深入的研究，發(fā)現(xiàn)吸附力主要來源于足墊分泌的粘液在足墊與壁面之間形成一層納米級薄膜，產(chǎn)生表面張力及毛細(xì)力，并提出了濕吸附液體橋模型。由此得到啟示，通過模仿濕吸類動(dòng)物足墊的表面微結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)仿生濕吸爬壁機(jī)器人足墊。繼續(xù)對濕吸力形成進(jìn)行深入研究，已經(jīng)證實(shí)表面的微米尺度微結(jié)構(gòu)與壁面充分有效接觸，可顯著提高濕吸力。但是，爬壁過程中，足墊與壁面間吸附和脫附需要快速交替進(jìn)行，脫附時(shí)克服濕吸力的能力與吸附時(shí)產(chǎn)生大的濕吸力同樣重要。調(diào)控脫附性能已經(jīng)成為仿生剛毛技術(shù)的重要研究方向，然而具有脫附機(jī)制的仿生濕吸機(jī)理的研究未見報(bào)道。鑒于目前研究的空白，同時(shí)為了滿足仿生濕吸機(jī)器人爬壁時(shí)吸附與脫附的快速交替進(jìn)行，提供了 一種新型具有半球狀微結(jié)構(gòu)的仿生濕吸爬壁機(jī)器人足墊。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種仿生濕吸爬壁機(jī)器人足墊。該足墊具有較好的粘彈性，吸附與脫附能力都較好，能快速完成吸附與脫附的交替進(jìn)行。結(jié)構(gòu)簡單，澆注方便，易于實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明提供的仿生濕吸爬壁機(jī)器人足墊，足墊基底1、足墊微結(jié)構(gòu)陣列、噴液微流道4和儲液凹槽5 ;其中
所述足墊基底1、足墊微結(jié)構(gòu)陣列、噴液微流道4和儲液凹槽5均由硅橡膠整體澆鑄而
成；
所述足墊基底I的四周分布有通孔3，足墊基底I通過螺釘和通孔3安裝在爬壁機(jī)器人上，足墊基底I的下表面開有儲液凹槽5，足墊基底I的上表面設(shè)有足墊微結(jié)構(gòu)陣列；
所述足墊微結(jié)構(gòu)陣列由若干個(gè)半球狀微結(jié)構(gòu)2線性陣列而成，半球狀微結(jié)構(gòu)2均勻分布于足墊基底I上，并且足墊微結(jié)構(gòu)陣列的陣列方向都平行于足墊基底I表面，且所有半球狀微結(jié)構(gòu)2的球心全部位于足墊基底I的上表面中；
所述噴液微流道4為直孔，貫穿于半球狀微結(jié)構(gòu)2，其一端直達(dá)儲液凹槽5，噴液微流道4的數(shù)量與半球狀微結(jié)構(gòu)2的數(shù)量相同，其軸線通過半球狀微結(jié)構(gòu)2的球心且垂直于足墊基底I表面。本發(fā)明中，所述的半球狀微結(jié)構(gòu)陣列中的每個(gè)半球狀微結(jié)構(gòu)2的直徑大小相同，小于lOOMffl，并且根據(jù)需要可改變陣列的個(gè)數(shù)，以達(dá)到最理想的吸附效果。所述的噴液微流道4的直徑小于20Mm。本發(fā)明中，所述足墊基底I的儲液凹槽5由足墊基底I的下表面向內(nèi)凹的距離為Imm0本發(fā)明足墊上的半球狀三維微結(jié)構(gòu)同時(shí)有助于吸附與脫附；足墊微結(jié)構(gòu)上具有噴液微流道，用于粘液的分泌與排開，該足墊結(jié)構(gòu)簡單，采用金屬模具澆鑄而成，澆鑄模具表面有半球狀微坑，方便快捷。


圖1具有半球狀微結(jié)構(gòu)仿生濕吸足墊示意圖。圖2仿生濕吸足墊微結(jié)構(gòu)的吸附脫附過程示意圖。圖3具有半球狀微結(jié)構(gòu)仿生濕吸足墊下表面示意圖。圖4半球狀微結(jié)構(gòu)和噴液微流道示意圖。
圖中標(biāo)號1、足墊基底，2、半球狀微結(jié)構(gòu)，3、通孔，4、噴液微流道，5、儲液凹槽。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。如圖1所示，具有半球狀微結(jié)構(gòu)仿生濕吸足墊主要包括足墊基底1、足墊微結(jié)構(gòu)2、噴液微流道4。足墊整體結(jié)構(gòu)由硅橡膠整體澆鑄而成，具體步驟如下采用金屬LIGA工藝或特種加工方法制備微細(xì)澆鑄模具，將硅橡膠液體膠和固化劑按照一定比例混合，并在真空烘箱中使其充滿澆鑄模具，加熱到略高于室溫，并保持一段時(shí)間，經(jīng)固化剝離后得到帶有微結(jié)構(gòu)的硅橡膠足墊。通過足墊平面基底I上的通孔3用螺釘安裝在爬壁機(jī)器人上。如圖1所示，所述的足墊微結(jié)構(gòu)陣列由若干個(gè)半球狀微結(jié)構(gòu)2線性陣列而成，并且陣列方向都平行于足墊基底I表面，且所有半球狀微結(jié)構(gòu)2的球心全部位于足墊基底I的上表面中。吸附與脫附過程如圖2所示，在與接觸面吸附時(shí)，在預(yù)壓力的作用下，依次觸碰到半球狀微結(jié)構(gòu)的頂部、腰部與根部，隨之帶來的是接觸面積迅速擴(kuò)大，又因?yàn)闈裎蛯?shí)際接觸面積成正比，所以相應(yīng)的濕吸力也迅速增大。脫附過程與吸附過程相反，從半球狀微結(jié)構(gòu)的根部到頂部接觸面積減小，這樣就存在分離角Θ。因此只需很小的分離力便可迅速完成脫附過程。使仿生濕吸足墊不但具有較強(qiáng)的吸附能力，而且還具有良好的脫附機(jī)制。如圖1所示，所述的足墊的半球狀微結(jié)構(gòu)的直徑都小于lOOMffl，因此在有限的足墊表面中有效增大了微結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù)。此時(shí)，當(dāng)爬壁機(jī)器人足墊在粗糙壁面爬行時(shí)，會明顯增大足墊材料和粗糙壁面的實(shí)際接觸面積，從而大大增大濕吸力。如圖3和圖4所述的噴液微流道4為貫穿半球狀微結(jié)構(gòu)2并直達(dá)儲液凹槽5的直孔，其軸線通過半球狀微結(jié)構(gòu)2的球心且垂直于足墊基底下表面。濕吸力形成于足墊和壁面間的液體橋，當(dāng)液體厚度越小，液體排開速度越快時(shí)，濕吸力也隨之增大。本發(fā)明中一方面為了加快液體排開速度，噴液微流道的數(shù)量與半球狀微結(jié)構(gòu)2的數(shù)量相同；另一方面為了獲得厚度更小的液體橋薄膜，微流道的直徑通常不大于20Mm。本發(fā)明具有以下特點(diǎn)足墊上的半球狀三維微結(jié)構(gòu)有助于吸附與脫附，在吸附過程中，接觸面迅速增大，濕吸力也隨之增大，脫附時(shí)，接觸面則是快速減小，由于是截面積不同，存在分離角，脫附會變得更加容易；足墊微結(jié)構(gòu)上具有噴液微流道，用于粘液的分泌與排開，兩端安裝面則是光滑的，結(jié)構(gòu)合理、經(jīng)濟(jì)；該足墊結(jié)構(gòu)簡單，采用金屬模具澆鑄而成，澆鑄模具表面有半球狀微坑，方便快捷。
權(quán)利要求
1.一種仿生濕吸爬壁機(jī)器人足墊，其特征在于包括足墊基底(I)、足墊微結(jié)構(gòu)陣列、 噴液微流道⑷和儲液凹槽(5);其中所述足墊基底(I)、足墊微結(jié)構(gòu)陣列、噴液微流道(4)和儲液凹槽(5)均由硅橡膠整體澆鑄而成；所述足墊基底(I)的四周分布有通孔(3)，足墊基底(I)通過螺釘和通孔(3)安裝在爬壁機(jī)器人上，足墊基底(I)的下表面開有儲液凹槽(5)，足墊基底(I)的上表面設(shè)有足墊微結(jié)構(gòu)陣列；所述足墊微結(jié)構(gòu)陣列由若干個(gè)半球狀微結(jié)構(gòu)(2)線性陣列而成，半球狀微結(jié)構(gòu)(2)均勻分布于足墊基底(I)上，并且足墊微結(jié)構(gòu)陣列的陣列方向都平行于足墊基底(I)表面，且所有半球狀微結(jié)構(gòu)(2)的球心全部位于足墊基底(I)的上表面中；所述噴液微流道(4)為直孔，貫穿于半球狀微結(jié)構(gòu)(2)，其一端直達(dá)儲液凹槽(5)，噴液微流道(4)的數(shù)量與半球狀微結(jié)構(gòu)(2)的數(shù)量相同，其軸線通過半球狀微結(jié)構(gòu)(2)的球心且垂直于足墊基底(I)表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生濕吸爬壁機(jī)器人足墊，其特征在于所述半球狀微結(jié)構(gòu)陣列中的每個(gè)半球狀微結(jié)構(gòu)(2)的直徑大小相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生濕吸爬壁機(jī)器人足墊，其特征在于所述半球狀微結(jié)構(gòu)(2)的直徑小于lOOMm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生濕吸爬壁機(jī)器人足墊，其特征在于所述噴液微流道(4) 的直徑小于20Mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生濕吸爬壁機(jī)器人足墊，其特征在于所述足墊基底(I)的儲液凹槽(5)由足墊基底(I)的下表面向內(nèi)凹的距離為1mm。
全文摘要
本發(fā)明屬于仿生學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種仿生濕吸爬壁機(jī)器人足墊。包括足墊基底、足墊微結(jié)構(gòu)陣列、噴液微流道。在足墊制作時(shí)，用硅橡膠將足墊微結(jié)構(gòu)陣列、噴液微流道與足墊基底整體澆鑄而成，并通過足墊平面基底上的通孔用螺釘安裝在爬壁機(jī)器人上。本發(fā)明的半球狀三維微結(jié)構(gòu)陣列在吸附時(shí)與接觸面面積迅速增大，吸附力也隨之增大使吸附更加有效，在脫附時(shí)產(chǎn)生分離角與接觸面面積迅速減小，吸附力也迅速減小，脫附過程也變得相對容易，這樣便能快速完成吸附與脫附的交替進(jìn)行，符合仿生爬壁機(jī)器人的吸附脫附需求。此外，貫穿半球狀微結(jié)構(gòu)的數(shù)量眾多的噴液微流道有利于黏液的分泌與排開，有效的增加吸附力。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、主體零件采用硅橡膠澆鑄方式，易于加工。
文檔編號B62D57/024GK103010328SQ20121047917
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者王昆, 何斌, 沈潤杰, 王成 申請人:同濟(jì)大學(xué)