[發明專利]具有仿生吸振和仿生粘附結構的爬壁機器人

無效

• 申請號: 201110049063.2
• 申請日: 2011-03-01
• 公開（公告）號: CN102653289A
• 公開（公告）日: 2012-09-05
• 發明（設計）人: 梅濤;郭大寶;孫少明;吳暄
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: B62D57/024
• 分類號: B62D57/024
• 代理公司: 常州佰業騰飛專利代理事務所(普通合伙) 32231
• 代理人: 朱小杰

技術領域

本發明涉及到工程仿生學，以及機械設計和制造等學科領域，尤其是涉及一種利用仿生吸振和仿生粘附來實現爬壁功能的機器人設備。

背景技術

爬壁機器人是能夠在垂直墻面上進行攀爬并完成作業的自動化機器人。爬壁機器人必須具備吸附和移動兩個基本功能，常見的吸附方法有負壓吸附和磁性吸附兩種方法，其中負壓吸附要求墻面光滑平整，磁性吸附要求墻面具有導磁性，兩種吸附方式的應用范圍都有一定的局限性。根據移動方式的不同，爬壁機器人在移動過程中可能會產生振動，這種振動將會影響到爬壁機器人爬壁過程中的穩定性，甚至可能導致出現爬壁機器人從墻面上掉落的情況發生。因此，選擇一種應用范圍廣泛的吸附方式，并且能夠解決移動過程中的震動問題對于爬壁機器人的研究具有重要意義。

在爬壁機器人方面，中國專利文獻CN1428226提供了一種《履帶式多吸盤爬壁機器人的實現方法及所述方法的機器人》，該專利文件在一定程度上解決了爬壁機器人在爬行過程中的低速、非連續性、跨越障礙或溝槽時吸盤出現真空泄漏導致機器人脫離壁面以及吸盤在吸附過程中密封難度大等難題，但是這種機器人對墻面光潔度要求嚴格，適用性不強。

發明內容

本發明的目的是為了解決爬壁機器人常見吸附方式的局限性以及減小爬壁過程中的震動，提供一種結構簡單，易于加工，粘附和吸收震動效果都很好的具有仿生吸振和仿生粘附結構的爬壁機器人。

根據現有研究發現，大壁虎的腳部約有650萬根角蛋白絨毛(剛毛seta)，每根剛毛在頂端又細分為100-1000根絨毛(spatula)，其末端呈現直徑約0.2-0.5μm的抹刀形狀，如倒立的鈍角三角形連接在末端。2000年，路易斯-克拉克學院的Kellar?Autumn發現，壁虎單根剛毛的粘附力，最大可以達到194±25μN。所有剛毛全部完全粘附，最大可達粘附力為1300N。排除了氣壓、摩擦力、靜電引力、粘膠作用以及毛細作用，范德華力(Van?der?Waals?Force，即分子間力)被確定為起主要作用的力，來保持壁虎與墻壁的粘附。隨后科學家們開始致力于人工制作仿壁虎腳掌材料即粘附陣列的研究。

中科院合肥智能機械研究所利用硅橡膠(聚二甲基硅氧烷，PDMS)為基底，采用微納米加工工藝，用刻蝕等加工工藝在硅橡膠上刻蝕出半徑為5μm的剛毛，然后在剛毛上用納米工藝加工出直徑為400nm左右的絨毛。在加上一定預緊力之后，在完全粘附的情況下，這種材料在實驗室內可以達到的力學性能為：法向2.7N/cm²(即粘附力)2.7N/cm²，切向(即摩擦力)3N/cm²。本發明利用已有這種粘附整列，設計了一種粘附履帶作為爬壁機器人的粘附機構，可以有效避免負壓吸附和磁性吸附的適用范圍小的弊端。

根據已有研究，鸮類經過億萬年的進化和自然選擇，其軀體表面具有減少噪聲產生和控制噪聲反射的特性。通過對長耳鸮的胸腹部皮膚縱切片進行觀察研究發現，長耳鸮皮膚可分為三層，即表皮層、真皮層、皮下組織層。長耳鸮皮膚表皮層很薄且覆有一層類似蠟質的物質，真皮層組織疏松，交錯分布，有許多微管狀小孔，放大225倍觀察到長耳鸮皮膚真皮層與皮下組織之間有薄空腔存在，空腔平均寬度為50μm。本發明對長耳鸮的這個特征進行仿生建模，從而應用到爬壁機器人移動過程中的吸振控制，提出了一種新型應用于爬壁機器人上的仿生吸振結構。

已有的爬壁機器人的履帶多數采用普通平帶的方式，這種方式的好處是運動平穩，震動小，存在的問題是平帶容易打滑，導致兩個履帶的運動產生速度差，爬壁機器人的運動軌跡將不再是直線，具體軌跡不受控制。本發明采用圓弧同步帶代替普通平帶，同步帶可以保證兩個履帶的運行速度完全一樣，爬壁機器人完全沿直線運動。而采用圓弧同步帶的好處還在于圓弧齒要比梯形齒產生的震動更少，爬壁機器人的運動更穩定。在圓弧同步帶的外側粘貼上文提到的納米陣列材料，從而實現粘附爬壁功能。