[发明专利]一种基于磁敏黏附材料的磁控仿生粘附脚掌器件

说明书

本发明提供了一种基于磁敏黏附材料的磁控仿生粘附脚掌器件，内容包括脚掌的结构设计、制造方式。其由脚掌粘附件、主体件和相应的调控线圈组成，采用三维成型制造技术辅助制造脚掌粘附件掌面，采用磁敏黏附材料作为脚掌粘附件加工脚掌；设计并填入调控线圈以产生磁场来调节脚掌的黏附性能，同时驱动部分掌面产生形变位移，使得脚掌具有一定的移动辅助能力。本发明可用于双足或多足类的机器人，以适用于复杂异构壁面环境下的高空建筑、桥梁、船舶、油罐等的表面检测、城市反恐、情报侦察等工作。

技术领域

本发明属于仿生技术领域，涉及一种智能结构器件，具体是一种基于磁敏黏附材料的磁控仿生粘附脚掌器件，主要应用于爬壁机器人/装置的壁面黏附、行走停驻、越障等功能。

背景技术

基础设施工程(桥梁、隧道、道路、堤坝、管道、建筑、矿井等)在复杂服役环境中不可避免地存在损伤、疲劳、老化等问题，自然灾害与突发事件(酸碱侵蚀、地震、泥石流、飓风等)还会对基础设施安全造成严重威胁，轻则影响设施结构的健康状况重则导致损毁或坍塌，造成严重的人员伤亡和经济损失。传统以人力和固定监控进行基础设施健康监测的方式，不仅费时费力，而且在复杂服役条件下，很难有效而深入的执行各种苛刻的任务。此外，例如在油罐、大型舰船、塔桥等危险壁面环境，人工操作存在复杂且危险性高的不足。随着智能化机器人的不断发展与广泛普及，具备在垂直壁面移动能力的爬壁机器人成为了目前的研究热点。它将移动机器人技术和壁面爬行能力相结合，可用于在远离地面的复杂(倾斜、粗糙、湿滑)环境中进行智能化监测、检查和维护。

目前为实现在壁面的爬行机能，发展了各种类型的黏附、吸附方式：磁吸附、真空吸附、静电吸附、干性黏附、湿性黏附、爪刺黏附等。采取抓取、电磁、真空、爪刺等方式的黏附结构普遍体积偏大，能耗高，噪音大，难以小型化和轻量化，工作环境单一。静电吸附方式的有效载荷率过低。磁吸附材料只能局限于磁性工作面。在此情况下，许多研究人员开始着手借鉴壁虎等生物的爬壁机理，设计制造仿生型爬壁吸附结构装置。

黏附脚掌的设计是决定机器人攀爬性能的关键因素。卡耐基梅隆大学MetinSitti小组以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基质材料设计了轮腿式Waalbot、履带式Tankbot以及四足式Geckobot等一系列爬壁装置结构，但其黏附效果和可控性也比较差。斯坦福大学的Stickybot，采用具有特殊取向性的粘附阵列材料设计了带脚趾的仿壁虎足，但必须承受一定预加法向和切向载荷，无法在垂直平面上向任意方向爬行，也无法在天花板上爬行。梅涛等人也以仿壁虎的黏附材料实现了履带式和轮腿式的黏附结构等。就目前而言，虽然部分材料的黏附强度已达到甚至超过壁虎刚毛，但要达到较高的粘附力，需要很大的按压力；而在脱附过程中又需要极大地脱出力，黏附脱附代价高，力学调控复杂，对系统性能有很高的要求。当前的仿生黏附脚掌结构普遍通过力控制黏附，其使用效果和器件可控性相较于生物器官都还远远不够。另外，复杂的制备工艺和较高的制造成本也是目前大规模推广使用的障碍。

在目前的情况下，迫切需要一种能够提供较好黏附性能、同时又具备可控性的黏附脚掌结构和配套控制方法，一方面能提供高效可靠的黏附能力，对环境适应性好；另一方面具有较为低廉的制造成本，方面在实际工况下的大范围推广使用。

发明内容

有鉴于此，本发明为了解决现有黏附脚掌结构存在的负载率低、灵活性差、可控和可靠性低、应用环境单一的问题，提供一种基于磁敏黏附材料的磁控仿生粘附脚掌器件。其特征在于：包括脚掌黏附件、主体件、调控线圈、控制模块和电源装置；

所述脚掌包括由硬质的具有较大刚度的磁敏黏附材料构成的主体件和由软质的具有较强黏附力的磁敏黏附材料构成的粘附件，所述主体件和粘附件中间植入有调控线圈层，所述主体件外部卡设有固定连接件。

所述脚掌按照如下的分布式一体制备方法制造：首先制备粘附件于模具底层，待固化成形后准确置入事先准备好的线圈或线圈阵列于粘附件上表面，然后灌入主体件材料，固化成形。

优选的，所述磁敏黏附材料的制备方法包括如下步骤：