一种爬壁末端装置及包括该爬壁末端装置的爬壁机器人

摘要

本发明公开一种爬壁末端装置，涉及潮湿环境下或水下爬壁作业技术领域，包括吸附空腔体和环形凸缘，吸附空腔体周向的边沿向外延伸形成环形凸缘，环形凸缘用于接触壁面的表面上对称设置有鳍部，鳍部包括多个鳍条和多个薄膜层，薄膜层将相邻两个鳍条连为一体，鳍条与壁面相接触的表面上还设置有具有一致性取向的方向性织构，且同一个环形凸缘上的不同鳍条上的方向性织构能够产生各向异性摩擦，本发明还公开了一种爬壁机器人，包括伸缩驱动装置和多个爬壁末端装置，爬壁末端装置固定于伸缩驱动装置伸缩方向的不同位置上，伸缩驱动装置可带动爬壁末端装置在水下或者潮湿环境下平稳快速的运动，装置整体结构简单，成本低，且适用范围广。

说明书

技术领域

本发明涉及潮湿环境下或水下爬壁作业技术领域，特别是涉及一种爬壁末端装置及包括该爬壁末端装置的爬壁机器人。

背景技术

目前已知的水下吸附原理大致可以分为以下3类：机械互锁、真空吸附和黏附蛋白吸附，但机械互锁依靠机械结构卡紧需要固定的装置来完成吸附过程，对吸附装置的强度有着较高的要求，且结构复杂，真空吸附通过形成压力差完成吸附过程，要求有高的密封性和真空度，对吸附的表面也有很多限制，大都只能吸附在较为光滑的表面，且需要有一套负压产生装置配置，制造成本和运输成本高，黏附蛋白吸附则是依赖于分子之间的作用力，对黏附蛋白的组分有严格要求，生产成本高，机械互锁、真空吸附和黏附蛋白吸附三种吸附方式均存在着或多或少的缺点，而随着科技的发展，人们对水下吸附装置的要求也越来越来高，因此，提供一种结构简单，成本低，且适用范围广的爬壁末端装置是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种爬壁末端装置，以解决上述现有技术存在的问题，使爬壁末端装置结构简单，成本低，且适用范围广。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种一种爬壁末端装置，包括吸附空腔体和环形凸缘，吸附空腔体周向的边沿向外延伸形成环形凸缘，环形凸缘用于接触壁面的表面上对称设置有鳍部，鳍部包括多个鳍条和多个薄膜层，薄膜层将相邻两个鳍条连为一体，鳍条与壁面相接触的表面上还设置有方向性织构，方向性织构具有一致性取向，方向性织构的一致性取向使得爬壁末端装置相对于壁面在前进方向所受的摩擦力小于在后退方向所受的摩擦力，且同一个环形凸缘上的不同鳍条上的方向性织构能够产生各向异性摩擦。

可选地，鳍部为扇形结构，且环形凸缘用于接触壁面的表面上对称设置有一对鳍部。

可选地，吸附空腔体为硬质材料吸附空腔体，环形凸缘为柔性材料环形凸缘，环形凸缘的厚度小于吸附空腔体的厚度，且环形凸缘的厚度由内至外递减。

可选地，方向性织构为柱状结构，且方向性织构的外端形成弯折部，单个鳍条上的方向性织构弯折部的弯折方向相同，且方向性织构为微米织构、纳米织构或微纳米复合织构中的一种。

本发明还提供了一种爬壁机器人，包括伸缩驱动装置和多个如权利要求1-4任一项的爬壁末端装置，爬壁末端装置固定于伸缩驱动装置伸缩方向的不同位置上。

可选地，伸缩驱动装置包括控制系统和伸缩驱动体，控制系统用于控制伸缩驱动体的运动。

可选地，伸缩驱动体为柱状体，伸缩驱动体的两端各设置有至少一个爬壁末端装置，位于同一端的爬壁末端装置沿伸缩驱动体的周向布置，且伸缩驱动体采用电致伸缩材料制成，伸缩驱动体的外表面设置有螺旋槽。

可选地，控制系统设置于伸缩驱动体的一端。

可选地，控制系统包括电源和控制器，电源与控制器电连接，控制器与伸缩驱动体电连接用于控制伸缩驱动体运动。

可选地，电源为锂电池。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的一种爬壁末端装置，包括吸附空腔体和环形凸缘，环形凸缘用于接触壁面的表面上对称设置有鳍部，鳍部包括鳍条，鳍条与壁面相接触的表面上设置有方向性织构，方向性织构具有一致性取向，方向性织构的一致性取向使得爬壁末端装置相对于壁面在前进方向所受的摩擦力小于在后退方向所受的摩擦力，且同一个环形凸缘上的不同鳍条上的方向性织构能够产生各向异性摩擦，爬壁末端装置能够防爬岩鳅的水下各向异性的强摩擦和可逆吸附，能够在潮湿环境中或水下实现吸附和脱附，达到爬壁目的，装置整体结构简单，体积小，且适用范围广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中一种爬壁末端装置的结构示意图；

图2为图1中一种爬壁末端装置的A-A剖视图；

图3为本发明中一种爬壁末端装置鳍部的结构示意图；

图4为图3中一种爬壁末端装置鳍部的B-B剖视图；

图5为本发明中一种爬壁机器人的结构示意图；

图6为本发明中一种爬壁机器人伸长状态的结构示意图；

图7为本发明中一种爬壁机器人缩短状态的结构示意图；

图中：1-吸附空腔体、2-环形凸缘、3-鳍条、4-薄膜层、5-方向性织构、6-爬壁末端装置、7-伸缩驱动体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种爬壁末端装置，以解决现有技术存在的问题，使爬壁末端装置结构简单，成本低，且适用范围广。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种爬壁末端装置6，如图1-4所示，包括吸附空腔体1和环形凸缘2，吸附空腔体1周向的边沿向外延伸形成环形凸缘2，吸附空腔体1为硬质材料吸附空腔体1，可以为塑料材料吸附空腔体或者金属材料吸附空腔体，环形凸缘2为柔性材料环形凸缘，可以为硅胶环形凸缘或者橡胶环形凸缘，且环形凸缘2的厚度小于吸附空腔体1的厚度，环形凸缘2的厚度由内至外递减。另外，环形凸缘2用于接触壁面的表面上对称设置有一对鳍部，鳍部为扇形结构，鳍部包括14个鳍条3和15个薄膜层4，薄膜层4将相邻两个鳍条3连为一体，鳍条3与壁面相接触的表面上还设置有方向性织构5，方向性织构5具有一致性取向，优选地，方向性织构5为柱状结构，且方向性织构5的外端形成弯折部，单个鳍条上的方向性织构5弯折部的弯折方向相同，且方向性织构5为微米织构、纳米织构或微纳米复合织构中的一种，方向性织构5具有一致性取向使得爬壁末端装置6相对于壁面在前进方向所受的摩擦力小于在后退方向所受的摩擦力，且同一个环形凸缘2上的不同鳍条3上的方向性织构5能够产生各向异性摩擦，各向异性是指物体的全部或部分物理、化学等性质随方向的不同而各自表现出一定的差异的特性，本发明中同一个环形凸缘2上的不同鳍条3上的方向性织构5能够产生各向异性摩擦指的是在同一个环形凸缘2上的不同鳍条3上的方向性织构5的作用下，爬壁末端装置6相对于壁面在前进方向所受的摩擦力总小于在后退方向所受的摩擦力，本发明提供的爬壁末端装置6能够仿爬岩鳅的水下各向异性的强摩擦和可逆吸附，能够在潮湿环境中或水下实现吸附和脱附，达到爬壁目的，且装置整体结构简单，体积小，且适用范围广。

本发明还提供了一种爬壁机器人，如图5所示，包括伸缩驱动装置和多个爬壁末端装置6，伸缩驱动装置包括控制系统和伸缩驱动体7，伸缩驱动体7为柱状体，伸缩驱动体7采用电致伸缩材料制成，伸缩驱动体7的外表面设置有螺旋槽，爬壁末端装置6设置于伸缩驱动体7的两端，且位于同一端的爬壁末端装置6沿伸缩驱动体7的周向均匀布置，控制系统包括锂电池和控制器，锂电池与控制器电连接，控制器与伸缩驱动体7电连接用于控制伸缩驱动体7的运动，通过控制器可控制伸缩驱动体7的伸长和缩短，同时配合爬壁末端装置6，可使爬壁机器人在潮湿环境中或水下轻松完成攀爬动作，爬壁平稳，且爬壁速度快。

为了防止控制系统随伸缩驱动体7的伸缩而伸缩，控制系统设置于伸缩驱动体7的一端。

在具体的工作工程中爬壁机器人攀爬动作包括以下步骤：

步骤一，初始状态，伸缩驱动体7为缩短状态，两个爬壁模块均人为贴附在潮湿竖直基底表面。

步骤二，伸缩驱动体7受激伸长，如图6所示，伸缩驱动体7前端爬壁末端装置6相对于壁面有前进的趋势，与伸缩驱动体7缩短状态相比，壁面作用于伸缩驱动体7前端的爬壁末端装置6的摩擦力变小，使得伸缩驱动体7前端爬壁末端装置6相邻两鳍条3之间角度变小薄膜层4收缩，吸附空腔体1内挤入流体使吸附空腔体1内负压降低，伸缩驱动体7前端爬壁末端装置6与壁面脱附；伸缩驱动体7后端爬壁末端装置6相对于壁面有后退的趋势，与伸缩驱动体7缩短状态相比，伸缩驱动体7后端的爬壁末端装置6受力变大，使得相邻两鳍条3之间角度变大薄膜层4展开排除吸附空腔体1内部流体使吸附空腔体1内负压增大，伸缩驱动体7后端爬壁末端装置6与壁面吸附，随着伸缩驱动体7的伸长，伸缩驱动体7前端的爬壁末端装置6在基底上的滑移距离远大于伸缩驱动体7后端的爬壁末端装置6在基底上的滑移距离。

步骤三，伸缩驱动体7受激缩短，如图7所示，伸缩驱动体7前端爬壁末端装置6相对于壁面有后退的趋势，与伸缩驱动体7伸长状态相比，伸缩驱动体7前端的爬壁末端装置6受力变大，使得相邻两鳍条3之间角度变大薄膜层4展开排除吸附空腔体1内部流体使吸附空腔体1内负压增大，伸缩驱动体7前端爬壁末端装置6与壁面吸附；伸缩驱动体7后端爬壁末端装置6相对于壁面有前进的趋势，与伸缩驱动体7缩短状态相比，壁面作用于伸缩驱动体7后端的爬壁末端装置6的摩擦力变小，使得伸缩驱动体7前端爬壁末端装置6相邻两鳍条3之间角度变小薄膜层4收缩，吸附空腔体1内挤入流体使吸附空腔体1内负压降低，伸缩驱动体7后端爬壁末端装置6与壁面脱附，随着伸缩驱动体7的缩短，伸缩驱动体7后端的爬壁末端装置6在基底上的滑移距离远大于伸缩驱动体7前端的爬壁末端装置6在基底上的滑移距离。

步骤四，步骤二至步骤三为一个爬壁位移动作，重复步骤二至步骤三即可使爬壁机器人在潮湿环境中或水下轻松滑动至指定位置。

需要说明的是，伸缩驱动体7的材料并不仅限于电致伸缩材料，也可以是其他材料，比如磁致伸缩材料，方向性织构5的形状也不仅限于柱状结构以及在方向性织构5的外端形成弯折部，任何能够使方向性织构5具有一致性取向使得爬壁末端装置6相对于壁面在前进方向所受的摩擦力小于在后退方向所受的摩擦力的结构均可，比如方向性织构5的横截面为三角形结构，且爬壁机器人上可集成摄像头、传感器、机械手等结构，爬壁机器人功能多样，适用范围广。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。