一种摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属涉及仿生学、摩擦学和机械动力学领域，具体为一种可用于机器人驱动技术上的一种摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构及制备方法。
【背景技术】
[0002]蛇是广泛生存于各种环境中的古老生物，四肢退化，无脚，依靠脊柱两侧的肌肉组有节律地收缩和舒张使蛇体弯曲，产生波浪式运动。陆生和树栖的蛇，表面披着细小的鳞片，其腹面有一列特别大、呈覆瓦状排列的鳞片(腹鳞)能在肌肉作用下做前后运动，是陆生和树栖种类蛇爬行的主要工具。蛇的身体细长，周身有鳞片覆盖，在狭小空间内有很好的通过能力，具有着这种运动能力的机器人在灾难搜救，狭小空间侦查等领域均具有明确的需求。
【发明内容】
[0003]本发明的技术目的是提供一种新型的摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构及制备方法，可用于机器人等设备的驱动部件上。
[0004]为实现上述技术目的，本发明提供的技术方案为:
一种摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构，其特征在于，包括底部的柔性胶层和从胶层上斜伸出的多个鳞片，相邻鳞片之间留有一定距离，且朝同一方向倾斜。
[0005]作为优选，相邻鳞片互相平行且间隔相等。
[0006]进一步的，所述仿蛇腹鳞结构包括多层依次叠加的基体和将叠加后基体固定为一整体的柔性胶层，所述基体包括片状的主体和从主体上延伸出的向上倾斜的鳞片，上层基体的主体部分均设有容下层基体鳞片通过的切口，基体叠加后，所述柔性胶层包覆住各层基体的主体部分和各鳞片的根部，以固定鳞片的倾斜角度或定位鳞片间距。
[0007]一种摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构的制备方法，可用于上述仿蛇腹鳞结构的制备，其特征在于，包括以下步骤:
一)鳞片设计；
准备若干块片状基体，设计每块基体的单元裁切形状，并将单元裁切形状按一定间距在基体上排成阵列，所述单元裁切形状呈槽型，由一条曲线裁切线或多条顺次连接但不闭合的裁切线合围构成；
二)裁切；
按设计对每块基体进行裁切，完成后，每个裁切位置形成一可抬起的鳞片以及和鳞片形状对应的切口；
三)弯折；
将基体上的鳞片沿其与基体主体的连接线弯折，使鳞片向上抬起，与基体主体呈一定倾斜角度；
四)置加; 将完成裁切和弯折的基体按设计次序上下叠置，构成一多层基体组合；
所述多层基体组合中，下层基体上的鳞片穿过上层基体对应的切口，最终从最上层基体主体的表面伸出，且下层基体切口位置与上层基体对应的切口错开一定尺寸，使叠加好的多层基体组合上，每个鳞片与其相邻的鳞片之间均留有一定距离；
五)烧注；
将多层基体组合底部浸胶，使胶液包覆住所有基体的主体部分，并浸没鳞片根部至一定高度，待胶液固化后即形成了将鳞片根部倾斜角度定位的底部胶层，底部胶层和位于胶层之上的鳞片群构成了所述仿蛇腹鳞结构。
[0008]在上述技术方案的基础上，进一步改进的方案还包括:
所诉单元裁切形状采用四边形，如常规的矩形等。
[0009]所述步骤四)中，在浸胶前或胶体凝固前，在多层基体组合表面鳞片的某一高度位置，通过间隔组件将鳞片限位，使鳞片的倾斜角度固定。所述间隔组件可采用格栅板，所述格栅板本体上开有一列以上平行的限位槽，使用时将鳞片依次插入限位槽，使鳞片受到限位槽的约束。
[0010]所述步骤四)中，可先在浸胶槽内注入一定高度的胶液做底，胶凝一段时间后，再将所述多层基体组合放在浸胶槽内胶液的表面，再注入没过基体组合底部的胶液，等胶液完全固化。
[0011]所述多层基体组合上，位于同一切口内的鳞片中(包括与该切口同时形成的鳞片)，下层基体鳞片自其弯折线到与弯折线相对的切边的距离大于上层基体鳞片自其弯折线到与弯折线相对切边的距离。
[0012]作为优选，所述基体采用塑料材质，尤其是与蛇鳞片摩擦特性相近的塑料材料。所述胶液优选采用高分子聚合物柔性胶体，如硅橡胶等。
[0013]本发明的有益效果:
本发明仿蛇腹鳞结构设计科学合理，具有摩擦各向异性特点，用于仿生机器蛇等设备的驱动部件，能够有效提高其越障能力及其驱动效率。本发明仿蛇腹鳞结构制备方法，设计巧妙，易于实施，操作方便且制造成本低。
【附图说明】
[0014]图1为一片裁切弯折后的基体的立体结构示意图；
图2为一打印了裁切线的四片基体的平面结构示意图；
图3为一多层基体组合中上下四片基体的侧视结构示意图；
图4为鳞片宽度调整前后的对比示意图；
图5为格棚板的结构意图；
图6为利用格栅板定位鳞片倾斜角度的操作示意图；
图7为浸胶步骤的操作示意图。
【具体实施方式】
[0015]为了阐明本发明的技术方案和技术效果，下面结合附图与实施例对本发明做进一步的说明。
[0016]一种摩擦各向异性的仿蛇腹鳞结构，包括多层依次叠加的基体和将叠加后基体固定为一整体的柔性胶层。
[0017]所述基体包括片状的主体和从主体上延伸出的向上倾斜的鳞片，上层基体的主体部分均设有容下层基体鳞片通过的切口，下层基体的鳞片通过对应的切口穿过位于其上的所有上层基体，从最上层基体的上表面伸出。所述柔性胶层包覆住叠加后各层基体的主体部分和各鳞片的根部，以固定鳞片的倾斜角度和间距。
[0018]最终成型的仿蛇腹鳞结构中，鳞片从柔性胶层上斜伸出，相邻鳞片之间留有一定距离，且朝同一方向倾斜，鳞片之间应尽量控制其等距间隔且平行。
[0019]一种用于上述仿蛇腹鳞结构的制备方法，包括以下步骤:
一)鳞片设计；
根据功能器件或仿蛇机器人的要求对鳞片形状以及附着鳞片的“皮肤”进行设计。鳞片设计决定了鳞片的结构和形状，鳞片设计包括自身形状设计以及所附着的“皮肤”的设计，“皮肤”层(即下文中的基体主体)可以为平面形状或者是曲面结构。另外，鳞片的形状也不相同，可为矩形或弧形等。以下，本发明以矩形鳞片为例进行说明。
[0020]如图2所示，准备四块尺寸相同的薄片状基体1，作为“皮肤”层，并对各基体进行叠加位置的排序。之后，根据基体在叠加组合中的位置，设计每块基体的单元裁切形状，并排成阵列在基体上打印出来。所述单元裁切形状呈槽型，由三条顺次连接但不闭合的裁切线合围构成。
[0021]二)裁切；
按设计的裁切线对每块基体I进行裁切，裁切后，基体I上每个裁切位置形成一矩形切口 1-1及一可抬起的矩形鳞片1-2。
[0022]三)弯折；
将基体I上的鳞片1-2沿其与基体主体1-3的连接线弯折，使鳞片1-2向上抬起，与基体主体1-3呈一定倾斜角度,如图1、图3所示。
[0023]四)叠加；
将完