一种液压驱动柔性仿壁虎脚趾的制备方法与流程

本发明属于仿壁虎机器人技术领域，特别涉及一种利用聚二甲基硅氧烷（pdms）制备可内收、外翻、黏附的液压驱动式仿壁虎柔性脚趾的方法。

背景技术：

仿壁虎机器人在大厦外壁清洗、太空舱外维修等领域具有广泛的应用潜力，离不开使其行动自如的脚趾。传统的仿壁虎机器人的脚趾大多采用刚性连接的机械驱动(参见中国发明专利申请号为cn200610150939.1)，结构复杂，且与接触面之间多为刚性接触，不利于仿壁虎机器人在倾斜或弯曲表面的行走与攀爬。

壁虎的爪子非常柔软，脚趾由排状皮瓣构成，既可以内收又可以外翻，并且在每个皮瓣的末端具有微纳米级的刚毛阵列结构。壁虎脚趾内收外翻的精巧运动控制与微纳米刚毛阵列所产生的干黏附力的结合，使得壁虎能够在地面、陡壁、天花板等任意倾角和材质的表面上自由灵活地运动。因此，模仿壁虎脚趾的内收外翻的运动形式，并结合具有干黏附性的仿生微纳阵列结构，设计与制作一种面向仿壁虎机器人的黏附行走、攀爬、适用性强的柔性脚趾。

pdms(polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)作为一种柔性、疏水的透明弹性体是制作仿壁虎脚趾的合适材料，通过调整配制工艺得到低硬度pdms，即可实现脚趾在低压力下的大角度内收、外翻行为。为便于仿壁虎脚趾的黏附与脱附，需要一定的末端力。galloway等设计制备出一种纤维增强型气体驱动器，可获得较大的末端力(gallowaykc,polygerinosp,walshcj,etal.mechanicallyprogrammablebendradiusforfiber-reinforcedsoftactuators.internationalconferenceonadvancedrobotics.ieee,2014:1-6.)，但气体压缩性大，相同体积产生的压力远不如液体。此外，为使仿壁虎机器人在倾斜甚至倒悬的表面上爬行，将在仿壁虎脚趾底面添加仿刚毛阵列干黏附材料，从而获得足够的脚趾黏附力(carboneg,pierroe,gorbsn.originofthesuperioradhesiveperformanceofmushroom-shapedmicrostructuredsurfaces.softmatter,2011,7(12):5545-5552.)。

技术实现要素：

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种液压驱动柔性仿壁虎脚趾的制备方法，以实现壁虎脚趾在液压驱动下内收、外翻、黏附的运动行为，为仿壁虎机器人的研制提供关键的技术支持，实现仿壁虎机器人在弯曲、垂直、倒悬等复杂平面上的行走与攀爬。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种液压驱动柔性仿壁虎脚趾的制备方法，包括步骤如下：

（1）模具的设计与制备：制备腔体主动层和被动层的模具，主动层的内截面为半圆环形且内表面有腔体凹槽和缠线纹路对应的凸起结构，被动层模具为矩形；

（2）腔体主动层的制作：配制低硬度的液体硅橡胶，将其抽真空后到入腔体主动层模具，利用真空浇注法制作主动层；

（3）腔体被动层的制作：于矩形模具中平铺一层液体硅橡胶，浸入一层非弹性聚酯单丝网；放上主动层，周围再刷上液体硅橡胶，得到第一个腔体；重复上述步骤（1）-（2）制作第二个主动层，于相同的矩形模具中平铺一层液体硅橡胶，放上主动层，周围再刷上液体硅橡胶，得到第二个腔体；

（4）腔体与导液管的连接：将两个腔体的被动层用液体硅橡胶粘一起，使两个腔体共用一个被动层，组成完整脚趾；在每个腔体上穿一个小孔，插入橡胶管以通入驱动液体；

（5）添加仿生干黏附材料：在脚趾底侧浇注以凹槽相隔且互相平行的凸起平面，用液体硅橡胶将仿刚毛阵列材料贴在凸起平面上。

进一步地，所述步骤（1）中采用3d打印设备制备出腔体主动层和被动层的模具。

进一步地，所述步骤（1）中模具的长宽比约为7：1。

进一步地，所述步骤（2）中将预聚体与固化剂按18:1配制低硬度的液体硅橡胶。

进一步地，所述步骤（2）具体包括：采用反向交叉螺旋法给主动层缠线，以防止主动层的鼓起变形。

本发明的有益效果：

（1）本发明采用pdms制备的仿壁虎脚趾，刚度低柔性大，可液压驱动，成本低且易于控制；

（2）本发明通过交叉绑线技术获得较大的脚趾末端力和弯曲角度，限制了脚趾的膨胀变形；

（3）本发明在被动层添加非弹性纱网来约束轴向拉伸，即可控制腔体的单向弯曲，避免了多方向的形变；

（4）本发明通过液压驱动两个腔体使脚趾双向弯曲，便可实现可控的内收外翻行为，驱动系统简单；

（5）本发明结合仿刚毛阵列材料，并模仿壁虎脚趾皮瓣条状结构，使脚趾既有较大的黏附力又有敏捷的脱附能力。

附图说明

图1a为主动层模具示意图；

图1b为被动层模具示意图；

图1c为底侧凸起平面模具示意图；

图2为仿壁虎柔性脚趾整体结构示意图；

图3为脚趾在不同液压下内收和外翻过程的弯曲角度；

图4为脚趾在不同液压下内收和外翻过程的末端输出力；

图中：a1主动层外表面模具，a2为主动层内表面模具；1’为凹槽对应的凸起结构，2’为缠线纹路对应的凸起结构，3’为底侧凹槽对应的凸起结构；1为主动层，11为凹槽，12为细线，13为底侧凹槽，2为被动层，21为非弹性聚酯单丝网，3为凸起平面，4为仿刚毛黏附材料，5为橡胶管。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

本发明的一种液压驱动柔性仿壁虎脚趾的制备方法，包括步骤如下：

（1）模具的设计与打印

用3d打印设备（ender-3s）打印出两套相同的主动层和被动层模具，以及一个凸起平面模具。如图1a至图1c所示，主动层模具长7cm宽1cm，截面为半圆环形（壁厚2mm），表面沿轴向设有腔体凹槽对应的凸起结构1’（长6mm宽1mm高0.5mm）和腔体缠线纹路对应的凸起结构2’；被动层和凸起平面模具为长9cm宽2cm深5mm的矩形，凸起平面模具内侧设有底侧凹槽对应的凸起结构3’，其长6mm宽1mm高1mm。

（2）制作两个相同主动层1

（21）配制硅橡胶：预聚体（pmhs184,dowcorning）与固化剂（pmhs186,dowcorning）按配比18:1混合搅拌至均匀，利用机械泵抽真空5-7次，直至气泡完全消失；

（22）浇注：用台钳固定住腔体模具，注入硅橡胶，60℃下固化1.5h后，拆掉模具，得到外表面具有凹槽11和缠线纹路的腔体主动层；

（23）螺旋绑线：为了防止主动层的膨胀变形，采用反向交叉螺旋缠线法，用0.2mm的细线12沿着模具表面的纹路以45°角度给主动层绑线。

（3）制作被动层2

（31）制作两个被动层：矩形模具中平铺一层1mm厚的液体硅橡胶，其中一个轻轻铺上单层非弹性聚酯单丝网21（140目/英尺，丝径64μm），静置1min使其浸入液体硅橡胶，另一个液体硅橡胶不用铺，均放入烘箱60℃固化10min；

（32）连接主动层成腔体：轻轻放上主动层，用液体硅橡胶密封连接处，再刷上薄薄的液体硅橡胶固定缠线，整体放入烘箱60℃固化45min，剪去多余的被动层后得到两个腔体。

（4）整体脚趾的连接与固化

（41）连接导液管：在每个腔体上穿一个小孔，分别插入一根粗2mm的橡胶管5用以通液体，其间隙用液体硅橡胶密封；

（42）整体脚趾的固化：将两个驱动腔体的被动层外表面刷一层液体硅橡胶，使二者粘在一起，最后放入烘箱中60℃下固化45min。

（5）添加仿生干黏附材料

（51）浇注凸起平面：采用真空浇注法，在脚趾底面浇注一层平行条状的凸起平面3，每个凸起平面长6mm宽1mm高0.5mm，凸起间具有深1mm的凹槽13；

（52）添加干黏附材料：用液体硅橡胶将仿刚毛阵列黏附材料贴于凸起平面，固化后减掉多余材料，得到一个完整的仿壁虎脚趾，如图2。

液压驱动弯曲性能测试

对本发明方法制作的仿壁虎脚趾通入液体水进行液压驱动性能测试，采用量角器测量脚趾在不同液压下内收和外翻过程的弯曲角度，结果如图3；采用二维力传感器（d201001aao，神源生）测量脚趾在不同液压下内收和外翻过程的末端输出力，传感器接触位置为距脚趾末端1mm处，测量结果如图4；采用亚克力板（pmma）作为接触面材料，采用六维力传感器（l33，神源生）测试脚趾黏附接触面时的黏附性能，结果显示在10kpa液压驱动下，脚趾黏附接触面时可产生7.63n的切向黏附力和5.37n的法向黏附力，脱附力最小仅需0.57n。因此，本发明的仿壁虎脚趾在较低的液压驱动下能够产生较大的弯曲变形和末端输出力，并具有良好的黏附性能和敏捷的脱附能力。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。