[发明专利]具有仿生吸振和仿生粘附结构的爬壁机器人

说明书

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。