CN112172955A - 具有刚柔结合结构的仿生干黏附脚掌 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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。
脚掌黏-脱附的工作原理是：利用小腿结构、脚掌结构和脚掌材料来达到最大的有效黏附面积，并且在脱附过程需要较小的脱附力。本发明中的脚掌用于爬壁机器人上，脚掌连接爬壁机器人的爬壁腿；
当脚掌接近黏附表面时，小腿移动至脚跟端方向的极限位置，与前进方向的表面成120°角。这可以使脚掌以一个硬基底的形式接触表面，不会与接触表面发生相对位移。
当脚掌接触到黏附表面时，脚掌会以脚跟点为支撑点，慢慢地把脚掌面积的剩余部分放到黏附表面上。
在运动过程中，保持脚掌踝关节位置不变的情况下，转动爬壁腿的小臂和小腿带动机器人的机身前进。当小腿移动到脚趾前端的极限位置时（与前进方向的表面成60度角），脚掌同样变成一个硬基底，脱附行为就可以开始。硬基底的脚掌可以给足端的黏附材料施加一个非法相的脱附力，从而获得一个较小的脱附力。
对本发明技术方案的优选，定义聚甲基氢硅氧烷（PMHS）为X组分，聚甲基乙烯基硅氧烷（PMVS）为Y组分，X组分和Y组分的重量比是：1:5、1:10、1:15、1:20 和1:30，重量比对应的聚二甲基硅氧烷PDMS材料的杨氏模量分别为 1.59MPa、 2.05MPa、1.25MPa、 0.35MPa 和0.14Mpa。本发明技术方案中，通过对聚二甲基硅氧烷PDMS的X（聚甲基氢硅氧烷）和Y（聚甲基乙烯基硅氧烷）组分比例的调节，可以得到5种刚度不同的柔性层。本发明中提出的X组分和Y组分的重量比是记载的“朗缪尔2005，21，10487-10491，文章名称《氢硅烷从控制层向扩散制备过程中富含乙烯基硅烷的流动膜微流控芯片》作者：郭东杰，肖守军，刘洪波，赵捷，夏冰，王静，贾培，潘怡，顾中泽和游小增，”文章中提出，因此，根据聚甲基氢硅氧烷（PMHS）和聚甲基乙烯基硅氧烷（PMVS）的重量比为已知技术。
对本发明技术方案的优选，可调柔性脚垫的制备方法包括如下步骤：
步骤1）模具的制备；
步骤2）液体材料的合成：将X组分和Y组分安装重量比倒入一个塑料容器里混合并搅拌15分钟，搅拌完成后混合物置于真空室内抽真空，并静置30-45min，直至没有明显气泡从混合物中冒出；
步骤3）混合物注模：将步骤2中的混合物倒入针筒中，利用针筒由模具底部注入模腔内；
步骤4）注模完成后，将步骤3中的模具整体置于真空室内，抽真空，并静置30-45min；
步骤5）成型：将步骤4中的模具整体放入烘箱内，烘箱内温度保持60℃，以60℃的温度加热2 h；
步骤6）冷却脱模：从烘箱内取出模具冷却5-10min后，进行脱模，获得半成品可调柔性脚垫；
步骤7）半成品可调柔性脚垫进行切割、打磨处理，获得可调柔性脚垫。
对本发明技术方案的进一步优选，步骤1中模具包括上盖、主体和底座，底座呈“凹”字型，底座水平放置，主体支撑在底座上并悬于底座的凹槽内；
主体的模腔是一个圆柱形腔体，主体外壁对称设置两个支撑块，主体通过两个支撑块悬于底座的凹槽内且模腔的轴线水平，模腔向外凸出形成用于容纳过盈液体的矩形槽，矩形槽位于主体的顶部，定义两个支撑块处于主体的左右两侧；在主体上开设注入口和排气孔，注入口处于主体的底部，并连通模腔；排气孔处于主体的顶部，排气孔贯通矩形槽并连通模腔；
模腔的开口端向外延伸设置上盖安装腔，上盖边沿外凸设置卡合矩形槽的凸块，在上盖的外端面设置脱模把手；
模具采用聚四氟乙烯制成材料制成。
本发明技术方案中，模具的选择，是由于柔性脚垫的平整度是影响黏附材料性能的关键因素，因此要保证柔性层厚度和形状的一致，并且上下表面尽可能平整，于是选取聚四氟乙烯制成材料加工制作出模具，因为该材料具有良好的高温稳定性，表面可以加工至较高的平整度，而且与PDMS材料不易发生粘连。
本发明模具中，上盖外端面设置脱模把手，便于脱模时打开上盖。主体的模腔尺寸依据设计需要，可以调整。但是在同一尺寸下，五种不同的重量比混合得到的聚二甲基硅氧烷PDMS材料，在本模具中制备得到的可调柔性脚垫的刚度也是五种。
对本发明技术方案的优选，粘合剂联结的仿生干黏附材料层与可调柔性脚垫放入烘箱内，烘箱内温度保持60℃，以60℃的温度加热2 h；粘合剂的组分为聚甲基氢硅氧烷、聚甲基乙烯基硅氧烷和二氧化硅，聚甲基氢硅氧烷、聚甲基乙烯基硅氧烷和二氧化硅按重量比为1:10:1.6混合形成粘合剂；
室温固化硅橡胶粘合的可调柔性脚垫与脚掌，放在室温下静置24h直至粘合牢固。
对本发明技术方案的优选，脚掌的脚掌面为圆面。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
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。
附图说明
图1是本发明脚掌的结构示意图。
图2是本发明脚掌的爆炸视图。
图3是小腿在脚掌内的运动路径示意图。
图4是模具的爆炸视图。
图5是可调柔性脚垫的制备流程图。
图6是脚掌黏附初始接触阶段的示意图。
图7是脚掌支撑阶段的示意图。
图8是脚掌脱附阶段的示意图。
图9是脚掌黏脱附轨迹起止线的数学模型图。
图10是脚掌个方向黏脱附轨迹的数学模型图。
图11是五种测试对象，有效黏附面积的测试结果图。
图12是五种测试对象，支撑阶段黏附力的测试结果图。
图13是五种测试对象，脱附力的测试结果图。
图14是测试对象，剥离黏附表面时，各个轴向上的受力情况。
图15是五种测试对象，脱附时，z轴方向的力的情况。
图16是五种测试对象，脱附时，x轴和y轴方向的合力的情况。
图17是五种测试对象，在两种脱附轨迹下的脱附力比较。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图1-图17和具体实施方式做进一步的描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本实施例提出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1、中间层的可调柔性脚垫2和底层的仿生干黏附材料层3，可调柔性脚垫2粘合在刚性脚掌1的下表面上，仿生干黏附材料层3粘合在可调柔性脚垫2的下表面上。
本实施例的仿生干黏附脚掌，可配合用于爬壁机器人；当用于爬壁机器人时，本实施例的仿生干黏附脚掌连接在爬壁机器人的单腿上。
如图1和2所示，刚性脚掌1包括一个小腿1-1、一个向心关节轴承1-2和一个脚掌1-3，脚掌1-3为圆柱体，脚掌1-3的脚掌面为圆面。脚掌1-3轴线处设置轴承孔，向心关节轴承1-2装入脚掌1-3的轴承孔内，小腿1-1为多层圆柱体，小腿1-1的末端轴插入向心关节轴承1-2内。
当用于爬壁机器人时，本实施例的仿生干黏附脚掌内的小腿1-1上端连接在爬壁机器人的单腿上。
如图2和3所示，向心关节轴承1-2采用市场上已有的标准零件，向心关节轴承选用IKO向心关节轴承PB5，IKO向心关节轴承PB5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。本实施例中，IKO向心关节轴承PB5的选用与小腿的配合使用，使得小腿的活动角度а为±30°，在脚掌面在黏-脱附时具有合适刚度，使脚掌在与不同倾斜程度的黏附表面相接触时，脚掌会由一个活动关节变成一个固定关节。
如图2所示，本实施例中，小腿末端为圆柱轴，小腿末端端面向内开设螺纹孔，小腿的末端轴插入IKO向心关节轴承PB5的内圈，并通过螺栓将小腿与IKO向心关节轴承PB5固定，螺栓旋入螺纹孔并且螺栓头端面顶住IKO向心关节轴承PB5端面。小腿和IKO向心关节轴承PB5一起插入到脚掌的轴承孔内，当小腿末端的外圆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。
如图2所示，可调柔性脚垫2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2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3的形变程度；可调柔性脚垫2的厚度为5-10mm，可调柔性脚垫2采用室温固化硅橡胶粘合在脚掌1-3的下表面上。
本实施例中的可调柔性脚垫2，通过自身的刚度，使得自身在外力作用下（这里的外力是指机器人上的单腿作用力）发现形变，而使得仿生干黏附材料层3的黏附力降低，实现脚掌脱附动作。
本实施例中，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。
定义聚甲基氢硅氧烷PMHS为X组分，聚甲基乙烯基硅氧烷PMVS为Y组分，X组分和Y组分的重量比是：1:5、1:10、1:15、1:20 和1:30，重量比对应的聚二甲基硅氧烷PDMS材料的杨氏模量分别为 1.59MPa、 2.05MPa、1.25MPa、 0.35MPa 和 0.14Mpa。
本实施例中提出的五种组分的重量比，是记载的“朗缪尔2005，21，10487-10491，文章名称《氢硅烷从控制层向扩散制备过程中富含乙烯基硅烷的流动膜微流控芯片》作者：郭东杰，肖守军，刘洪波，赵捷，夏冰，王静，贾培，潘怡，顾中泽和游小增，”文章中提出，因此，根据聚甲基氢硅氧烷（PMHS）和聚甲基乙烯基硅氧烷（PMVS）的重量比为已知技术。
如图5所示，本实施例提出可调柔性脚垫2的制备方法包括如下步骤：
步骤1）模具的制备；
步骤2）液体材料的合成：将X组分和Y组分安装重量比倒入一个塑料容器里混合并搅拌15分钟，搅拌完成后混合物置于真空室内抽真空，并静置30-45min，直至没有明显气泡从混合物中冒出；
步骤3）混合物注模：将步骤2中的混合物倒入针筒中，利用针筒由模具底部注入模腔内；
步骤4）注模完成后，将步骤3中的模具整体置于真空室内，抽真空，并静置30-45min；
步骤5）成型：将步骤4中的模具整体放入烘箱内，烘箱内温度保持60℃，以60℃的温度加热2 h；
步骤6）冷却脱模：从烘箱内取出模具冷却5-10min后，进行脱模，获得半成品可调柔性脚垫2；
步骤7）半成品可调柔性脚垫2进行切割、打磨处理，获得可调柔性脚垫2。
如图4所示，可调柔性脚垫2的制备方法中，步骤1中模具包括上盖a-1、主体a-2和底座a-3，底座a-3呈“凹”字型，底座a-3水平放置，主体a-2支撑在底座a-3上并悬于底座a-3的凹槽内。
如图4所示，主体a-2的模腔是一个圆柱形腔体，主体a-2外壁对称设置两个支撑块，主体a-2通过两个支撑块悬于底座a-3的凹槽内且模腔的轴线水平，模腔向外凸出形成用于容纳过盈液体的矩形槽，矩形槽位于主体a-2的顶部，定义两个支撑块处于主体a-2的左右两侧；两个支撑块用于将主体悬挂在底座a-3上，起到固定和卡位作用。在主体a-2上开设注入口和排气孔，注入口处于主体a-2的底部，并连通模腔；排气孔处于主体a-2的顶部，排气孔贯通矩形槽并连通模腔。模腔的开口端向外延伸设置上盖a-1安装腔，上盖a-1边沿外凸设置卡合矩形槽的凸块，在上盖a-1的外端面设置脱模把手；脱模把手便于脱模时打开上盖a-1。
如图4所示，模具采用聚四氟乙烯制成材料制成。由于可调柔性脚垫2的平整度是影响黏附材料性能的关键因素，因此要保证柔性层厚度和形状的一致，并且上下表面尽可能平整，于是选取聚四氟乙烯制成材料加工制作出模具，因为该材料具有良好的高温稳定性，表面可以加工至较高的平整度，而且与PDMS材料不易发生粘连。
可调柔性脚垫2的制备方法中，步骤2，将X组分和Y组分安装重量比，这里重量比的选择可依据前面提及的X组分和Y组分的重量比是：1:5、1:10、1:15、1:20 和1:30，进行选择。在搅拌的过程种会有大量的空气进入混合物，这将影响PDMS柔性层的力学特性。所以搅拌完的混合物需要放在真空室中抽真空，以此来去除因搅拌而产生的空气。混合物置于真空室内抽真空，这是已知技术，在真空室内用泵进行抽真空。一次抽真空完成后，静置30-45min；多静置过程有气泡冒出，需再次内用泵进行抽真空，并静置；重复此步骤，直至没有明显气泡从混合物中冒出。
需要说明的是，可调柔性脚垫2的制备方法中，液体材料的合成部分，根据X组分和Y组分的重量比是：1:5、1:10、1:15、1:20 和1:30，对应的杨氏模量为 1.59MPa, 2.05MPa,1.25MPa, 0.35MPa 和 0.14MPa。使用聚四氟乙烯加工成的磨具来确保柔性层具有相同的厚度、平整度和形状（厚度为5mm， 形状为半径为20mm 的圆面）。因为柔性层具有相同的厚度，所以根据杨氏模量大小，柔性层的刚度由大到小分别：2.05Mpa、1.59MPa、1.25MPa、0.35MPa和0.14MPa。
可调柔性脚垫2的制备方法中，步骤3，把混合物倒进针筒中，通过针筒把混合物从模具底部的注入口注射进模具中，注射时产生的气泡将从模具顶部的排气孔中排除。当混合物液体漫过模具顶层的排气孔时，注射停止，立刻将模具的底部用生料带封起来。然后把模具放在真空室中重复上述的除气泡过程。
可调柔性脚垫2的制备方法中，步骤5，对模具中的混合物进行热处理，使PDMS柔性层固化。模具的摆放需要保证排气孔朝上，以便让加热产生的气泡排出模具。混合物放置在烘箱中以60℃的温度加热2 h。
可调柔性脚垫2的制备方法中，步骤6，冷却完成后，手握住上盖a-1的外端面设置脱模把手，拔出上盖a-1，手拿取出位于模腔内成型的PDMS柔性层。由于聚四氟乙烯制成材料加工制作出模具，与PDMS材料不易发生粘连，因此可以用手直接拿取。同时由于聚四氟乙烯制成材料具有良好的高温稳定性，模腔内成型的PDMS柔性层表面可以加工至较高的平整度。
可调柔性脚垫2的制备方法中，步骤7，切割掉PDMS柔性层上的位于矩形槽内的凸出部分，并打磨光滑，获得可调柔性脚垫2。
如图2所示，本实施例中可调柔性脚垫2采用室温固化硅橡胶粘合在脚掌1-3的下表面上。室温固化硅橡胶粘合的可调柔性脚垫2与脚掌1-3，放在室温下静置24h直至粘合牢固。
如图2所示，仿生干黏附材料层3采用仿生干黏附材料制成，仿生干黏附材料层3的厚度为0.5-2mm；仿生干黏附材料层3与可调柔性脚垫2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。粘合剂的组分为聚甲基氢硅氧烷、聚甲基乙烯基硅氧烷和二氧化硅，聚甲基氢硅氧烷、聚甲基乙烯基硅氧烷和二氧化硅按重量比为1:10:1.6混合形成粘合剂。
本实施例中仿生干黏附材料为已开发出来的仿壁虎刚毛结构的干黏附材料。
粘合剂联结的仿生干黏附材料层3与可调柔性脚垫2放入烘箱内，烘箱内温度保持60℃，以60℃的温度加热2 h。
本实施例中脚掌的黏-脱附策略：
设计的脚掌黏-脱附动作状态如图6、7和8所示，目的是利用腿部结构、脚掌结构和脚掌材料来达到最大的有效黏附面积，并且在脱附过程需要较小的脱附力。脚掌的黏-脱附动作过程为三个阶段，分别为黏附初始接触阶段、支撑阶段和脱附阶段。
当机器人的脚掌接近黏附表面时，机器人的小腿会移动至脚跟端方向的极限位置，与前进方向的表面成120度角。这可以使脚掌以一个硬基底的形式接触表面，不会与接触表面发生相对位移。当脚掌接触到黏附表面时，脚掌会以脚跟点为支撑点，慢慢地把脚掌面积的剩余部分放到黏附表面上。在运动过程中，保持脚掌踝关节位置不变的情况下，转动小臂和小腿带动机身前进。当小臂或者小腿的圆柱移动到脚趾前端的极限位置时（与前进方向的表面成60度角），脚掌同样变成一个硬基底，脱附行为就可以开始。硬基底的脚掌可以给足端的黏附材料施加一个非法相的脱附力，从而获得一个较小的脱附力。
黏-脱附的具体实施方式：
脚掌结构在黏-脱附阶段进行运动规划，再对脚掌结构进行数学模型的抽象，并对腕关节的轨迹进行设计。从脚掌上抽象出底面（脚掌面）的半径为r的圆面，和在圆盘面中心高度为h的腕关节。图9中选取了沿y轴正向方进行黏-脱附运动的示意图，实线表示黏附发生时小腿的姿态，虚线表示脱附发生时的小腿姿态。图10表示脚掌踝关节沿各个方向的黏-脱附曲线，图中粗线标出图9的小腿姿态进行脱附时的黏-脱附曲线。当黏附开始时，小臂处于左侧的极限位置，此时脚掌腕关节的活动度被锁死，脚掌变为一个刚性结构，踝关节沿着以小腿在脚掌底面的投影线与圆面的交点为支撑点，支撑点与腕关节的连线为半径的劣弧（图9中的弧线）逐渐落下，脚掌也随之接近并接触黏附表面发生黏附作用。当壁虎机器人前向移动时，脚掌踝关节的位置不发生变化，小腿从实线位置移动到虚线位置。当小腿到达虚线位置时，踝关节将再一次被锁死，脱附行为发生，腕关节将沿着与黏附方式相同但方向相反的轨迹线（图9中的弧线）进行脱附。
脚掌腕关节的黏-脱附轨迹曲线如公式(3.1)所示，脚踝离底面圆盘的高度为
,底面圆盘的半径为
，黏附发生时，小腿在底面的投影与y轴正方向所称夹角为
。
对本实施例仿生干黏附脚掌的黏-脱附性能进行相关测试，包括有限黏附面积测试、单脚黏附力测试和脱附力测试。
本实施例中的仿生干黏附脚掌的测试对象，为前面提到的根据X组分和Y组分的重量比是：1:5、1:10、1:15、1:20 和1:30，制备得到的五种可调柔性脚垫2，由于五种不同的组分重量比得到五种不同刚度的可调柔性脚垫2，五种可调柔性脚垫2的刚度由大到小分别：2.05Mpa、1.59MPa、1.25MPa、0.35MPa和0.14MPa。
定义刚度2.05Mpa的为A测试对象，刚度1.59MPa的为B测试对象，刚度1.25MPa的为C测试对象，刚度0.35MPa的为D测试对象，刚度0.14MPa的为E测试对象。
对五种测试对象都进行有限黏附面积测试。本实施例中提及的有限黏附面积测试为本技术领域的已知测试方式，具体的测试过程本实施例不做详细说明。
如图11所示，图中显示了五种测试对象的有效黏附面积占脚掌黏附材料面积的比值，在这些脚掌中，脚掌A具有最大的弹性模量，拥有最高的有效黏附面积，达到脚掌黏附材料面积的 99.56±0.27%。其余脚掌的黏附面积虽有不同，但大致都在脚掌黏附材料面积的70% ∼ 80%。
对五种测试对象都进行单脚黏附力测试。本实施例中提及的单脚黏附力测试为本技术领域的已知测试方式，具体的测试过程本实施例不做详细说明。
单脚黏附力测试，用来确定不同刚度脚掌能提供的最大载荷能力。当安装有本实施例的仿生干黏附脚掌的机器人处于支撑阶段时，每个脚掌的黏附能力至关重要，它能支撑起机器人的重量并提供机器人在运动过程中所需要的黏附力。带有机器人单腿的脚掌将被黏附放置在90度的竖直测力平台面上进行测试。在实验中，每次实验单个脚掌被赋予8N的预压力。然后一个沿y方向的力F将被施加在腿的末端，通过在单腿底部的钩子上不断增加重量来增大y方向上的力F。最大的支撑力为脚掌能保持黏附状态时，腿部所能承受的砝码总重量。
如图12所示，图中显示了五种测试对象的脚的支撑力。脚掌A能提供最大的支撑力在19.03 ± 2.76 N 。脚掌B、C和D能提供的支撑力大致一样，大约在11 N ~ 12 N。脚掌E所能提供的支持力最小大约在7.60 ± 1.64 N。在PDMS柔性层形状厚度相同的前提下，弹性模量越大意味着在柔性层上施加相同的力，柔性层所产生的形变越小。所以在相同的Y方向的力下，脚掌A（2.05 MPa）的形变最小，而脚掌E（0.14 MPa）的形变最大。当形变在脚掌的某一区域达到一个的极限值时，黏附材料将会被剥离黏附表面。在这之后的极短时间内黏附失效。
对五种测试对象都进行脱附力测试。本实施例中提及的脱附力测试为本技术领域的已知测试方式，具体的测试过程本实施例不做详细说明。
在进行测试时，选择将脱附轨迹施加到右后腿，机器人放置在水平的测力平台上进行测试。当机器人小腿运动到脱附时的极限位置时，脱附力将会是沿x、y和z的合力，并且合力在脱附过程中随着脱附角度而变化。脚掌在脱附时给予脱附表面的作用力由上文提到的三维力测试平台测得，计算得到的合力值显示在图13中。从图13中可以明显地看出随着杨氏模量地减小，脱附力呈下降趋势从7.02±0.214 N下降至3.34±0.30 N。这种变化趋势同样是因为柔性层不同的弹性模量导致足底不同形变程度而产生的，并且在脱附策略的影响下这种变形程度得到了进一步地放大。在拉力的作用下，边缘处的柔性层将产生相对于整个脚掌最大的形变，在拉力不断增大的过程中，最大形变位置优先将黏附材料剥离黏附表面。因此脚掌E (0.14 MPa) 拥有最小的刚度会以最小的脱附力来达到这一极限形变位置。柔性层的刚度越大，就需要越大黏附力来使脚掌发生脱附。
图14显示了当脚掌剥离黏附表面时，各个轴向上的受力情况。可以看出z轴方向上的脱附力占主导，x和y轴方向的脱附力虽然较小，但改变了脱附力的施加方向，对减小脱附力十分重要。
在分析出合力数据后，对z轴方向脱附力与x轴和y轴方向脱附力的合力进行分析比较。可以看出在脱附时z轴方向的力如图15所示，始终为主导力并且与合力的变化趋势一致。脚掌A（2.05 MPa）在z轴方向的脱附力最大随着脚掌刚度的减小z轴方向的脱附力不断变小至脚掌E(0.14 MPa)最小。x轴和y轴方向的合力大小如图16所示，基本维持不变。
为了进一步说明规划的仿生脱附轨迹能够有效减小脱附力，通过在右后腿施加直接上拉的脱附轨迹来和规划的仿生脱附轨迹进行比较。首先右后腿执行相同的黏附轨迹，在脱附阶段，机器人单腿的脱附轨迹为直接将脚掌向上拉起，脚掌的脱附轨迹遵循节前面所规划的脱附轨迹。
实验得到的力数据如图17所示。垂直拉起的黏脱附轨迹的测试组展现出的脱附力和脚掌PDMS层的刚度无关，都在15N左右，间接显示了黏附轨迹使得每一个脚掌都获得较大的黏附面积从而产生较大的脱附力。而使用仿生脱附轨迹，脚掌的最大脱附力只有对照组的一半，最小的脱附力只有对照组的四分之一。分析得出垂直于黏附表面拉起的脱附方式，使PDMS柔性层只存在垂直于脚掌平面的整体形变量，这样脱附过程中足底的黏附材料将一起作用于黏附表面，从而产生较大的合力。设计的仿生脱附轨迹，可以使PDMS柔性层产生局部的形变，足底的黏附材料将在部分区域首先受到拉力发生脱附，从而可以获得相对较小的脱附力。
本实施例，对本发明的仿生干黏附脚掌的黏-脱附性能进行相关测试，包括有限黏附面积测试、单脚黏附力测试和脱附力测试，仿生干黏附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。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (6)
1.一种具有刚柔结合结构的仿生干黏附脚掌，其特征在于，包括上层的刚性脚掌（1）、中间层的可调柔性脚垫（2）和底层的仿生干黏附材料层（3），可调柔性脚垫（2）粘合在刚性脚掌（1）的下表面上，仿生干黏附材料层（3）粘合在可调柔性脚垫（2）的下表面上；
刚性脚掌（1）包括一个小腿（1-1）、一个向心关节轴承（1-2）和一个脚掌（1-3），脚掌（1-3）为圆柱体，脚掌（1-3）轴线处设置轴承孔，向心关节轴承（1-2）装入脚掌（1-3）的轴承孔内，小腿（1-1）为多层圆柱体，小腿（1-1）的末端轴插入向心关节轴承（1-2）内；
可调柔性脚垫（2）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（2）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（3）的形变程度；可调柔性脚垫（2）的厚度为5-10mm，可调柔性脚垫（2）采用室温固化硅橡胶粘合在脚掌（1-3）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（3）采用仿生干黏附材料制成，仿生干黏附材料层（3）的厚度为0.5-2mm；仿生干黏附材料层（3）与可调柔性脚垫（2）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。
2.根据权利要求1所述的具有刚柔结合结构的仿生干黏附脚掌，其特征在于，定义聚甲基氢硅氧烷（PMHS）为X组分，聚甲基乙烯基硅氧烷（PMVS）为Y组分，X组分和Y组分的重量比是：1:5、1:10、1:15、1:20 和1:30，重量比对应的聚二甲基硅氧烷PDMS材料的杨氏模量分别为 1.59MPa、 2.05MPa、1.25MPa、 0.35MPa 和 0.14Mpa。
3.根据权利要求2所述的具有刚柔结合结构的仿生干黏附脚掌，其特征在于，可调柔性脚垫（2）的制备方法包括如下步骤：
步骤1）模具的制备；
步骤2）液体材料的合成：将X组分和Y组分安装重量比倒入一个塑料容器里混合并搅拌15分钟，搅拌完成后混合物置于真空室内抽真空，并静置30-45min，直至没有明显气泡从混合物中冒出；
步骤3）混合物注模：将步骤2中的混合物倒入针筒中，利用针筒由模具底部注入模腔内；
步骤4）注模完成后，将步骤3中的模具整体置于真空室内，抽真空，并静置30-45min；
步骤5）成型：将步骤4中的模具整体放入烘箱内，烘箱内温度保持60℃，以60℃的温度加热2 h；
步骤6）冷却脱模：从烘箱内取出模具冷却5-10min后，进行脱模，获得半成品可调柔性脚垫（2）；
步骤7）半成品可调柔性脚垫（2）进行切割、打磨处理，获得可调柔性脚垫（2）。
4.根据权利要求3所述的具有刚柔结合结构的仿生干黏附脚掌，其特征在于，步骤1中模具包括上盖（a-1）、主体（a-2）和底座（a-3），底座（a-3）呈“凹”字型，底座（a-3）水平放置，主体（a-2）支撑在底座（a-3）上并悬于底座（a-3）的凹槽内；
主体（a-2）的模腔是一个圆柱形腔体，主体（a-2）外壁对称设置两个支撑块，主体（a-2）通过两个支撑块悬于底座（a-3）的凹槽内且模腔的轴线水平，模腔向外凸出形成用于容纳过盈液体的矩形槽，矩形槽位于主体（a-2）的顶部，定义两个支撑块处于主体（a-2）的左右两侧；在主体（a-2）上开设注入口和排气孔，注入口处于主体（a-2）的底部，并连通模腔；排气孔处于主体（a-2）的顶部，排气孔贯通矩形槽并连通模腔；
模腔的开口端向外延伸设置上盖（a-1）安装腔，上盖（a-1）边沿外凸设置卡合矩形槽的凸块，在上盖（a-1）的外端面设置脱模把手；
模具采用聚四氟乙烯制成材料制成。
5.根据权利要求1所述的具有刚柔结合结构的仿生干黏附脚掌，其特征在于，粘合剂联结的仿生干黏附材料层（3）与可调柔性脚垫（2）放入烘箱内，烘箱内温度保持60℃，以60℃的温度加热2 h；粘合剂的组分为聚甲基氢硅氧烷、聚甲基乙烯基硅氧烷和二氧化硅，聚甲基氢硅氧烷、聚甲基乙烯基硅氧烷和二氧化硅按重量比为1:10:1.6混合形成粘合剂；
室温固化硅橡胶粘合的可调柔性脚垫（2）与脚掌（1-3），放在室温下静置24h直至粘合牢固。
6.根据权利要求1所述的具有刚柔结合结构的仿生干黏附脚掌，其特征在于，脚掌（1-3）的脚掌面为圆面。
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