[发明专利]具有刚柔结合结构的仿生干黏附脚掌

说明书

本发明公开一种具有刚柔结合结构的仿生干黏附脚掌，包括上层的刚性脚掌、中间层的可调柔性脚垫和底层的仿生干黏附材料层，可调柔性脚垫粘合在刚性脚掌的下表面上，仿生干黏附材料层粘合在可调柔性脚垫的下表面上；刚性脚掌包括一个小腿、一个向心关节轴承和一个脚掌；可调柔性脚垫采用聚二甲基硅氧烷PDMS材料制备而成的柔性层，可调柔性脚垫通过材料制备中各组分的配比调节刚度，来控制仿生干黏附材料层的形变程度；仿生干黏附材料层采用仿生干黏附材料制成。优点：本发明脚掌，显著增加了对足底黏附材料的利用率，从有效黏附面积的测试中看到，总体的黏附面积能达到黏附材料总面积的70%—95%；有效黏附面积的增加，意味着机器人使用脚掌过程中黏附力的增加。

技术领域

本发明涉及仿生机器人领域，具体为一种具有刚柔结合结构的仿生干黏附脚掌。

背景技术

爬壁机器人具有在各种特殊表面运动攀爬的特殊能力，如大倾斜表面、竖直面甚至倒置表面。因此具有很大的应用环境，比如高空高危作业、航天器维修、抗险救灾等等。因此受到越来越广泛的关注。

根据黏附原理的不同，黏附机构一般分为负压式、磁吸式、干黏附及钩爪等。其中适用干黏附材料的脚掌机构最为简单易用。目前对仿生干黏附材料的研究已经很多，有许多作为成熟的产品进入市场，我们选取的基于蘑菇头结构的仿壁虎刚毛黏附材料是市场上现有的黏附性能卓越的仿生干黏附材料之一。

尽管如此，由于大多数使用干黏附材料的脚掌机构具有单一柔性或单一刚性的结构，导致黏附效率低，难以充分发挥仿生干黏附材料的优越性能，因而无法实现大质量的爬壁机器人结构，更无法实现机器人的大载荷和作业能力。

发明内容

本发明目的是，针对背景技术中的问题，提出一种具有刚柔结合结构的仿生干黏附脚掌，模仿壁虎脚掌的黏附和脱附运动轨迹，实现仿生脚掌机构的牢固黏附和轻松脱附。

采用的技术方案是：针对现存脚掌设计的缺陷和局限性，以及小尺寸大负载能力的技术要求设计一种具有刚柔结合结构的仿生干黏附脚掌，包括上层的刚性脚掌、中间层的可调柔性脚垫和底层的仿生干黏附材料层，可调柔性脚垫粘合在刚性脚掌的下表面上，仿生干黏附材料层粘合在可调柔性脚垫的下表面上；

刚性脚掌包括一个小腿、一个向心关节轴承和一个脚掌，脚掌为圆柱体，脚掌轴线处设置轴承孔，向心关节轴承装入脚掌的轴承孔内，小腿为多层圆柱体，小腿的末端轴插入向心关节轴承内；

可调柔性脚垫采用聚二甲基硅氧烷PDMS材料制备而成的柔性层，可调柔性脚垫通过材料制备中各组分的配比调节刚度，来控制仿生干黏附材料层的形变程度；可调柔性脚垫的厚度为5-10mm，可调柔性脚垫采用室温固化硅橡胶粘合在脚掌的下表面上；

聚二甲基硅氧烷PDMS材料由聚甲基氢硅氧烷（PMHS）和聚甲基乙烯基硅氧烷（PMVS）两种组分按照一定比例混合而成；

仿生干黏附材料层采用仿生干黏附材料制成，仿生干黏附材料层的厚度为0.5-2mm；仿生干黏附材料层与可调柔性脚垫之间采用聚二甲基硅氧烷PDMS材料与二氧化硅混合搅拌形成粘合剂联结。

本发明技术方案中，脚掌中的向心关节轴承采用市场上已有的标准零件，是一个具有被动自由度的球关节，球关节的活动自由度受到球轴承自身结构的限制。

本发明技术方案中，小腿末端端面向内开设螺纹孔，小腿的末端轴插入向心关节轴承的内圈，并通过螺栓将小腿与向心关节轴承固定，螺栓旋入螺纹孔并且螺栓头端面顶住向心关节轴承端面。小腿和向心关节轴承一起插入到脚掌的轴承孔内，当小腿的外表面接触到脚掌上轴承孔的内壁时，小腿就无法运动，此时脚掌会由一个活动关节变成一个固定关节。固定关节可以更好地向脚掌施加特定方向的力。由此设计，本发明设计方案中，小腿的活动角度а为±30°，在脚掌面在黏-脱附时具有合适刚度。