一种面向全向运动球形机器人的复合球壳及其制备方法与流程

本发明涉及高分子材料技术领域，具体而言，涉及一种面向球形机器人的功能性球形空心壳体结构。

背景技术：

球形机器人将运动执行机构、传感器、控制器、能源装置安装在一球形壳体内的系统，是特殊环境下进行探索的仪器搭载平台，具有较好的环境适应能力和不易倾覆的特性，适合在特种环境，如对管道沟渠的勘测、液体及腐蚀环境作业、作为军事侦察战斗平台。由于这类机器人具有良好的动态和静态平衡性，同时具有很好的密封性，可以行驶在无人、沙尘、潮湿、腐蚀性的恶劣环境中，并具有水陆两栖功能。可应用于行星探测、环境监测、国防装备、娱乐等领域。球形机器人由于其外形和运动方式的特殊性，球形外壳为其内部安装的仪器设备提供充足的运动空间并提供良好的保护屏障。在进行球壳设计的时候，作为球形机器人与外界环境接触的唯一介质，球壳必须具备高强度；为了不对球形机器人的运动产生不确定性，球壳必须具备高硬度且不易变形；为了不影响内外设备的电磁波信号传输，减小电磁屏蔽，球壳一般采用非金属材料。

球形机器人的可靠性很大程度上取决于外壳体材料的选择。如果选择的材料性能较差会影响球形机器人的可靠性、减少其使用寿命甚至于在极端工况下解体破坏；而选用过高性能的钛合金材料制备球壳则会大大增加球形机器人的制造成本。本专利采用复合结构构造球形机器人外壳，充分利用多种材料的优异性能辅助实现球形机器人的高性能化。其中刚性内壳材料采用单向纤维叠层增强材料。单向纤维布是指在一个方向具有大量的纤维丝，在另一个方向只有少量细纤维丝，纤维增强球壳内层成型工艺是使用单向纤维布浸渍树脂后层压固化成型，所成型的纤维增强球壳密度低，同体积的情况下要比金属结构的材料重量轻四分之三，强度却能高出四倍左右，重量轻、强度高是纤维增强球壳的显著优势，另外化学性质稳定，耐高温，耐腐蚀，生物相容性好，耐磨损等让纤维增强材料有着广阔的应用方向。纤维增强材料承载能力强，弯曲刚度大，用做球形机器人外壳是因为其高比强度优势。该材料高韧性的特点可保证球形机器人在使用过程中能够采用抛投方式，越过人员无法通行的障碍物进行作业。柔性外壳材料采用共聚物弹性体，其分子微结构为软硬嵌段间隔排列构造，用活性更大的氨基聚醚和二胺扩链剂与端异氰酸酯预聚体反应，形成的共聚物硬嵌段强度更大，而软嵌段与聚氨酯相似，通过氧化石墨烯的改性后，该材料具有优越的柔韧性、稳定性、耐磨性和耐腐蚀性，并对基体具有很好的附着力。由于其优异的物理化学性能和快速固化能力，可极大扩展球形机器人的应用领域。

技术实现要素：

(1)球形机器人的复合球壳具有较高的比强度(屈服极限与密度之比)和比刚度(弹性模量和密度比)。球形机器人的运动执行机构、传感器、控制器、能源装置等均集成于球壳内部，球壳具有足够的强度是保证球形机器人基本功能实现的前提，本专利所述刚性基层采用纤维增强材料，具备较大的承载能力和韧性，在外力作用下不易折断破裂；复合球壳的刚性壳层内壁附着蜂窝式加劲肋，可有效提高壳体的整体刚度，保证其内部运动执行机构对球形机器人的动力学精准控制和运动整体稳定性。

(2)所述球壳柔性外涂覆层由共聚物弹性体材料构成，球壳外涂覆层在不同介质中具有良好的耐酸碱腐蚀性能、耐热性能、抗老化性能及耐磨性，在严苛环境条件下具有较长的使用寿命；同时，通过机器喷涂或人工手涂所形成的共聚物柔性罩壳具备可快速修复性能，共聚物硬化时间小于10s。所述共聚物弹性体滚动摩阻系数高，可实现球形机器人高速运行和转弯过程中的灵敏性，实现精准控制。外涂覆层的分子结构为软硬分子链交替排列，在机器人高空投放过程中能够有效抵御低速冲击，保护内部设备和运动机构的安全运行；在爆炸等强动载荷作用下，该复合球壳能有效耗散冲击能量；在崎岖路线高速运动过程中，外涂覆层弹性体具有良好的减振功能，可保证内部电子设备的稳定运行。

(3)该复合球壳主要由纤维、环氧树脂及共聚物构成，相比贵金属合金材质球壳，具有较高的经济性，在保证球形机器人操控性和功能性的前提下，可实现大批量生产并显著降低其成本。球形机器人一般采用锂电池实现能量自供给，球壳采用复合结构，既保证了球壳的功能，又在不增加球壳厚度和密度的前提下最大程度发挥了球壳各层材料的力学性能，实现了轻质和功能化的统一。

附图说明

图1为蜂窝式加劲肋结构示意图。

具体实施方式

本发明的纤维增强基体层和共聚物柔性涂覆层之间存在界面过渡区，本发明采用树脂和固化剂的组合改善基体层的表面结构，增加基体表层的表面极性，并在涂覆层共聚物材料中添加助剂，提高了纤维增强基体和外涂覆层之间的粘结力。

实施例1

一种用于全向运动球形机器人的复合球壳及其制备方法，其特征在于：

(1)将8份的氢化松香树脂、50份环氧树脂和2份二乙烯三胺、2份双酮丙烯酸酰胺加入38℃的反应釜中，在搅拌速度为200r/min的条件下反应1h，得到预固化液态树脂。取5层玻璃纤维布作为增强体，相邻玻璃纤维布的纤维丝异向铺叠放置，使相邻玻璃纤维布的纤维丝间的夹角为36°。将预固化液态树脂混合物用手均匀涂抹于玻璃纤维布上，使其浸润均匀后，放入真空袋进行抽真空(0.1mpa)使液态树脂布满整个纤维布层，去除真空袋后将纤维增强树脂预固体放置于内凹半球形钢模内部用手压实形成刚性基体壳胚。继续加入厚度为3mm的液态树脂，使用预制有蜂窝槽的外凸半球形钢模在预固体上方施加压力并加温至130℃，保持8min。蜂窝式加劲肋由热固型树脂经过预制蜂窝槽的钢模加压，与刚性基体壳一体化热压固化成型，形成球形机器人的内壳体半球结构。

(2)将45份异氰酸酯、47份聚酯多元醇、5份氧化石墨烯浆料反应得到的半预聚物a组分与21份扩链剂、27份聚醚多元醇、42份端氨基聚醚、6份氧化石墨烯、1份纳米氧化锌、2份石墨、和7份乙醇组成的b组分分别加入到高压喷涂设备中实施高温高压对撞式冲击混合，将抽料泵分别插入装有a、b料筒，借助15mpa高压将物料推入喷枪混合室混合均匀后在刚性基体壳表面覆盖喷涂2次，每次喷涂厚度为0.5mm，每次喷涂间隔10s以上。

实施例2

一种用于全向运动球形机器人的复合球壳及其制备方法，其特征在于：

(1)将6份的氢化松香树脂、40份环氧树脂和1份二乙烯三胺、1份双酮丙烯酸酰胺加入38℃的反应釜中，在搅拌速度为230r/min的条件下反应1.5h，得到预固化液态树脂。取2层玄武岩纤维布作为增强体，相邻玄武岩纤维布的纤维丝异向铺叠放置，使相邻玄武岩纤维布的纤维丝间的夹角为90°。将预固化液态树脂混合物用手均匀涂抹于玻璃纤维布上，使其浸润均匀后，放入真空袋进行抽真空(0.1mpa)使液态树脂布满整个纤维布层，去除真空袋后将纤维增强树脂预固体放置于内凹半球形钢模内部用手压实形成刚性基体壳胚。继续加入厚度为1mm的液态树脂，使用预制有蜂窝槽的外凸半球形钢模在预固体上方施加压力并加温至130℃，保持8min。蜂窝式加劲肋由热固型树脂经过预制蜂窝槽的钢模加压，与刚性基体壳一体化热压固化成型，形成球形机器人的内壳体结构。

(2)将51份异氰酸酯、55份聚酯多元醇、3份氧化石墨烯浆料反应得到的半预聚物a组分与24份扩链剂、22份聚醚多元醇、42份端氨基聚醚、5份氧化石墨烯、1份纳米二氧化钛、2份硅烷偶联剂、和11份苯甲醇组成的b组分分别加入到高压喷涂设备中实施高温高压对撞式冲击混合，将抽料泵分别插入装有a、b料筒，借助15mpa高压将物料推入喷枪混合室混合均匀后在刚性基体壳表面覆盖喷涂2次，每次喷涂厚度为0.5mm，每次喷涂间隔10s以上。

实施例3

一种用于全向运动球形机器人的复合球壳及其制备方法，其特征在于：

(1)将6份的氢化松香树脂、62份环氧树脂和3份二乙烯三胺、3份双酮丙烯酸酰胺加入38℃的反应釜中，在搅拌速度为150r/min的条件下反应1.1h，得到预固化液态树脂。取3层碳纤维布作为增强体，相邻碳纤维布的纤维丝异向铺叠放置，使相邻碳纤维布的纤维丝间的夹角为60°。将预固化液态树脂混合物用手均匀涂抹于玻璃纤维布上，使其浸润均匀后，放入真空袋进行抽真空(0.1mpa)使液态树脂布满整个纤维布层，去除真空袋后将纤维增强树脂预固体放置于内凹半球形钢模内部用手压实形成刚性基体壳胚。继续加入厚度为2mm的液态树脂，使用预制有蜂窝槽的外凸半球形钢模在预固体上方施加压力并加温至130℃，保持8min。蜂窝式加劲肋由热固型树脂经过预制蜂窝槽的钢模加压，与刚性基体壳一体化热压固化成型，形成球形机器人的内壳体结构。

(2)将52份异氰酸酯、45份聚酯多元醇、7份氧化石墨烯浆料反应得到的半预聚物a组分与30份扩链剂、16份聚醚多元醇、45份端氨基聚醚、4份氧化石墨烯、1份纳米氧化锌、2份纳米二氧化钛、和9份乙二醇甲醚组成的b组分分别加入到高压喷涂设备中实施高温高压对撞式冲击混合，将抽料泵分别插入装有a、b料筒，借助15mpa高压将物料推入喷枪混合室混合均匀后在刚性基体壳表面覆盖喷涂2次，每次喷涂厚度为0.5mm，每次喷涂间隔10s以上。