[發(fā)明專利]一種面向全向運動球形機器人的復合球殼及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910188498.1
• 申請日: 2019-03-13
• 公開（公告）號: CN109880299B
• 公開（公告）日: 2021-12-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫漢旭;馬龍;霍東帥
• 申請（專利權(quán)）人: 北京郵電大學
• 主分類號: C08L63/00
• 分類號: C08L63/00;C08L93/04;C08K7/14;C08J7/04;C08J7/046;C09D175/08;C09D7/61;B29C70/34
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本發(fā)明專利提供了一種球形機器人的復合球殼，所述球殼復合結(jié)構(gòu)包含剛性基體殼與柔性涂覆層組成。剛性基體殼為結(jié)構(gòu)型纖維增強復合材料，由增強纖維和熱固型樹脂基體復合而成，在剛性基體殼內(nèi)表面設(shè)置蜂窩式加勁肋，加勁肋材料為熱固型樹脂，可與剛性基體殼一體化熱壓成型；柔性涂覆層采用共聚物彈性體材料。該輕質(zhì)復合球殼具有較高的比強度、比剛度、滾動摩阻系數(shù)、沖擊能量耗散系數(shù)和快速修復功能。該球殼及相應的球形機器人作為開放式自動控制平臺，可在球形機器人復合球殼基礎(chǔ)上發(fā)展衍生出多種功能性球形機器人。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及高分子材料技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種面向球形機器人的功能性球形空心殼體結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

球形機器人將運動執(zhí)行機構(gòu)、傳感器、控制器、能源裝置安裝在一球形殼體內(nèi)的系統(tǒng)，是特殊環(huán)境下進行探索的儀器搭載平臺，具有較好的環(huán)境適應能力和不易傾覆的特性，適合在特種環(huán)境，如對管道溝渠的勘測、液體及腐蝕環(huán)境作業(yè)、作為軍事偵察戰(zhàn)斗平臺。由于這類機器人具有良好的動態(tài)和靜態(tài)平衡性，同時具有很好的密封性，可以行駛在無人、沙塵、潮濕、腐蝕性的惡劣環(huán)境中，并具有水陸兩棲功能。可應用于行星探測、環(huán)境監(jiān)測、國防裝備、娛樂等領(lǐng)域。球形機器人由于其外形和運動方式的特殊性，球形外殼為其內(nèi)部安裝的儀器設(shè)備提供充足的運動空間并提供良好的保護屏障。在進行球殼設(shè)計的時候，作為球形機器人與外界環(huán)境接觸的唯一介質(zhì)，球殼必須具備高強度；為了不對球形機器人的運動產(chǎn)生不確定性，球殼必須具備高硬度且不易變形；為了不影響內(nèi)外設(shè)備的電磁波信號傳輸，減小電磁屏蔽，球殼一般采用非金屬材料。

球形機器人的可靠性很大程度上取決于外殼體材料的選擇。如果選擇的材料性能較差會影響球形機器人的可靠性、減少其使用壽命甚至于在極端工況下解體破壞；而選用過高性能的鈦合金材料制備球殼則會大大增加球形機器人的制造成本。本專利采用復合結(jié)構(gòu)構(gòu)造球形機器人外殼，充分利用多種材料的優(yōu)異性能輔助實現(xiàn)球形機器人的高性能化。其中剛性內(nèi)殼材料采用單向纖維疊層增強材料。單向纖維布是指在一個方向具有大量的纖維絲，在另一個方向只有少量細纖維絲，纖維增強球殼內(nèi)層成型工藝是使用單向纖維布浸漬樹脂后層壓固化成型，所成型的纖維增強球殼密度低，同體積的情況下要比金屬結(jié)構(gòu)的材料重量輕四分之三，強度卻能高出四倍左右，重量輕、強度高是纖維增強球殼的顯著優(yōu)勢，另外化學性質(zhì)穩(wěn)定，耐高溫，耐腐蝕，生物相容性好，耐磨損等讓纖維增強材料有著廣闊的應用方向。纖維增強材料承載能力強，彎曲剛度大，用做球形機器人外殼是因為其高比強度優(yōu)勢。該材料高韌性的特點可保證球形機器人在使用過程中能夠采用拋投方式，越過人員無法通行的障礙物進行作業(yè)。柔性外殼材料采用共聚物彈性體，其分子微結(jié)構(gòu)為軟硬嵌段間隔排列構(gòu)造，用活性更大的氨基聚醚和二胺擴鏈劑與端異氰酸酯預聚體反應，形成的共聚物硬嵌段強度更大，而軟嵌段與聚氨酯相似，通過氧化石墨烯的改性后，該材料具有優(yōu)越的柔韌性、穩(wěn)定性、耐磨性和耐腐蝕性，并對基體具有很好的附著力。由于其優(yōu)異的物理化學性能和快速固化能力，可極大擴展球形機器人的應用領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容

（1）球形機器人的復合球殼具有較高的比強度（屈服極限與密度之比）和比剛度（彈性模量和密度比）。球形機器人的運動執(zhí)行機構(gòu)、傳感器、控制器、能源裝置等均集成于球殼內(nèi)部，球殼具有足夠的強度是保證球形機器人基本功能實現(xiàn)的前提，本專利所述剛性基層采用纖維增強材料，具備較大的承載能力和韌性，在外力作用下不易折斷破裂；復合球殼的剛性殼層內(nèi)壁附著蜂窩式加勁肋，可有效提高殼體的整體剛度，保證其內(nèi)部運動執(zhí)行機構(gòu)對球形機器人的動力學精準控制和運動整體穩(wěn)定性。