三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人论文和设计-袁曦明

全文摘要

本实用新型公开了一种三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人，包括：三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足、激光热电转换器、多功能尾巴、躯体、头部；三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足包括：三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌、三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾；三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌包括：三维多孔石墨烯复合吸盘、足关节驱动器；三维多孔石墨烯复合吸盘主要包括：三维多孔石墨烯、碳纳米管薄膜、碳纳米管阵列、真空腔。本实用新型能够实现克服传统爬壁机器人存在的吸附抓住壁表面不牢靠以及主动脱附离开壁表面不快速的问题，使其在粗糙壁面或壁面微缝隙条件下的爬壁能力得到有效提高。

主设计要求

1.一种三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人，其特征在于，包括：三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足、激光热电转换器、大腿、多功能尾巴、躯体、脖子、头部、智能控制器；所述三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足包括：三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌、三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾；所述三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌包括：三维多孔石墨烯复合吸盘；所述三维多孔石墨烯复合吸盘包括：三维多孔石墨烯、纳微纤维材料阵列、真空腔；所述纳微纤维材料阵列连接在三维多孔石墨烯的下方；所述真空腔连接在三维多孔石墨烯的上端；所述智能控制器控制三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人进行爬壁；所述真空腔中的空气被抽走后，所述三维多孔石墨烯在外部压力作用下压在壁面上，使三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌和三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾协同配合实现抓壁；所述纳微纤维材料阵列具有粘力，能够产生协同抓壁效应；所述多功能尾巴、大腿、脖子均与躯体连接，所述头部连接在脖子的上方，所述三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足与大腿连接；所述智能控制器装配在躯体中；所述激光热电转换器包括激光接收器、激光光热修复器、激光光热温差发电器；所述激光接收器和激光光热温差发电器装配在躯体中，所述激光光热修复器装配在多功能尾巴中；所述激光接收器分别与激光光热修复器和激光光热温差发电器连接；所述激光接收器接收激光并将激光分别传输给激光光热修复器和激光光热温差发电器，所述激光光热修复器利用激光实现修复混凝土裂缝或进行船舶除锈；所述激光光热温差发电器利用激光产生电能给三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人供电。

设计方案

2.根据权利要求1所述的三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人，其特征在于，所述大腿、三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足和三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾的数量不小于三个；所述三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足还包括足关节驱动器和足趾关节驱动器；所述三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌通过足关节驱动器与大腿的一端连接；所述三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾通过足趾关节驱动器与三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌连接；所述大腿上装配腿关节驱动器；所述大腿的另一端通过腿关节驱动器与躯体连接；所述脖子上装配脖关节驱动器和颈关节驱动器，所述脖子的一端通过脖关节驱动器与头部连接；所述脖子的另一端通过颈关节驱动器与躯体连接；所述多功能尾巴上装配脊椎关节驱动器；所述多功能尾巴通过脊椎关节驱动器与躯体连接。

3.根据权利要求2所述的三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人，其特征在于，所述三维多孔石墨烯复合吸盘还包括纳微米薄膜、中空活塞式密封块、中空活塞杆、带孔螺栓、弹簧、下端盖、上端盖、短连接管、波纹形导管、长连接管；所述三维多孔石墨烯的下端连接纳微米薄膜；所述纳微米薄膜的下端连接纳微纤维材料阵列；所述三维多孔石墨烯的上端或真空腔旁外侧装配有压力传感器；所述真空腔的上端与中空活塞式密封块相连接；所述中空活塞式密封块的外侧为下端盖；所述活塞式密封块中部有通气孔，其上端与中空活塞杆的一端相连接；所述中空活塞杆的外侧装配有弹簧；所述中空活塞杆的另一端与带孔螺栓的一端相连接；所述带孔螺栓的另一端与短连接管的一端相连接；所述短连接管的另一端与波纹形导管的一端相连接；所述波纹形导管的外侧为上端盖；所述波纹形导管的另一端与长连接管的一端相连接；所述长连接管的另一端与足趾关节驱动器相连接。

4.根据权利要求1所述的三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人，其特征在于，所述三维多孔石墨烯包括：三维多孔石墨烯海绵、三维多孔石墨烯泡沫、三维多孔石墨烯气凝胶、三维多孔石墨烯水凝胶、三维多孔石墨烯复合材料、三维多孔氧化石墨烯材料或三维多孔氧化石墨烯复合材料；所述三维多孔石墨烯复合材料包括：三维多孔石墨烯海绵复合材料、三维多孔石墨烯气凝胶复合材料、三维多孔石墨烯泡沫复合材料或三维多孔石墨烯水凝胶复合材料。

5.根据权利要求1所述的三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人，其特征在于，所述激光光热温差发电器包括：相变储热器、热温差发电器；所述相变储热器由相变储热材料与导热材料构成；所述激光接收器将激光辐照光热能量传输给相变储热器；所述相变储热器与热温差发电器的热端相连接；所述热温差发电器的热端与冷端产生温差进而产生发电效应。

6.根据权利要求1所述的三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人，其特征在于，所述激光光热修复器包括：光导纤维束、激光光热修复工作头；所述光导纤维束与激光光热修复工作头装配在多功能尾巴中，所述光导纤维束的一端与激光接收器相连接，另一端与激光光热修复工作头相连接；所述激光接收器通过光导纤维束将激光传输给激光光热修复工作头；所述激光光热修复工作头的工作过程包括：在智能控制器的指令下，所述激光光热修复工作头插入壁面混凝土裂缝中，对预先埋入壁面混凝土的纳微胶囊进行激光加热，由于纳微胶囊中装填有修复剂，在激光光热作用下纳微胶囊温度升高，纳微胶囊受热外壳破裂后释放出修复剂对混凝土壁面裂缝进行修复；在智能控制器的指令下，所述激光光热修复工作头插入混凝土裂缝中，对预先埋入壁面混凝土的形状记忆合金进行激光加热，形状记忆合金的温度快速升高，形状记忆合金发生记忆性的热变形，对壁面混凝土裂缝进行修复；在智能控制器的指令下，所述激光光热修复工作头将激光用于大型船舶除锈工作。

7.根据权利要求3所述的三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人，其特征在于，所述躯体中还装配有真空泵及机构、蓄电池；所述真空泵及机构分别与三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌、三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾相连接；所述蓄电池与激光光热温差发电器连接；所述蓄电池用来储存激光光热温差发电器产生的电能；所述头部装配有传感器、定位器、通讯装置；所述通讯装置包括：数据信息接收与发射器；所述智能控制器分别与三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌、三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾、激光热电转换器、传感器、定位器、通讯装置、真空泵及机构和蓄电池相连接；所述多功能尾巴的中部装配有尾巴中部关节驱动器；所述多功能尾巴的数量不小于一个。

8.根据权利要求7所述的三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人，其特征在于，所述腿关节驱动器、足趾关节驱动器、足关节驱动器、脖关节驱动器、颈关节驱动器、尾巴中部关节驱动器、脊椎关节驱动器选用电机及机械构件驱动器、液压及构件驱动器、气动装置及构件驱动器、功能材料驱动器、电磁力及器件驱动器、静电力及器件驱动器、磁悬浮力及构件驱动器中的任一种。

9.根据权利要求1所述的三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人，其特征在于，所述纳微纤维材料阵列包括：碳纳米管阵列、硅橡胶纳微纤维材料阵列、聚亚胺脂纳微纤维材料阵列、聚酯树脂纳微纤维材料阵列、聚酰亚胺纳微纤维材料阵列、人造橡胶纳微纤维材料阵列、环氧树脂纳微纤维材料阵列、聚二甲基硅氧烷纳微纤维材料阵列、聚氨酯与对苯二甲酸乙酯纳微纤维材料阵列、聚甲基丙稀酸甲脂纳微纤维材料阵列、聚二甲基硅烷纳微纤维材料阵列；所述碳纳米管阵列采用化学气相沉积法制成，包括：热化学沉积法、离子体增强化学沉积法、浮动催化化学气相沉积法。

10.根据权利要求7所述的三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人，其特征在于，所述纳微米薄膜包括：碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜、纳微米无机薄膜、纳微米有机薄膜、纳微米复合材料薄膜；所述传感器包括：压力传感器、温度传感器、角度传感器、湿度传感器、风力传感器。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于爬壁面机器人、人工智能及壁面修复技术领域，更具体地涉及一种三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人。

背景技术

随着经济的快速发展，高层建筑也越来越多，爬壁机器人对于高层建筑的应用主要有以下几方面：壁面检测、壁面清洁、壁面维护、壁面喷涂、瓷砖安装、设备安装和壁面修复等。爬壁机器人可以代替人工作业，能够在桥墩壁面、船体壁面、建筑壁面、管道壁面以及大型烟囱壁面爬行检测是否有损伤等情况。爬壁机器人相对于人工作业有以下优点：(1)采用的是真空吸附的方式，可以适应不同斜度的壁面；(2)灵活性较高可以横着走可以竖着走；(3)可以不受高度的限制，能够进行高空作业。高层建筑的作业对于人工来说存在一定难度和危险性，爬壁机器人可以代替人工操作，这样能够节约人工成本，可以保障工人的安全。采用壁面机器人开展对壁面的维护将逐渐代替人从事危险的高空作业，这将是一个发展趋势。爬壁机器人也可用于地震救灾和消防救援等场景。比如说，人员受困于高层建筑可以使用爬壁机器人进行传递救急物资。当然爬壁机器人还有很多其他方面的应用，比如装上激光用于大型船舶除锈，或者是换上其他装置，用于船舶的喷漆等。在交通运输行业，爬壁机器人可以对桥梁进行检测和维护；在抗震救灾中，爬壁机器人可以翻越危险的壁面进行信号勘测；爬壁机器人在核工业也有着十分广泛的应用，爬壁机器人主要是用于检测容器是否存在破损。爬壁机器人作为机器人种类一个重要的分支，能够代替人工执行壁面清洁、壁面维修、壁面检测等工作。因此爬壁机器人具有良好的经济效益和广泛的应用前景。

但是，国内外对于爬壁机器人的研究还存在一个技术瓶颈的问题，就是机器人在吸附壁面上的吸附方式问题。爬壁机器人常见的吸附方式有：真空吸附、磁力吸附、刚毛吸附。真空吸附主要是利用大气压差的原理把机器人的腿吸附在墙壁上，这是目前爬壁机器人主要运用的吸附方法。磁力吸附主要依赖导磁面，局限性比较大。仿生学是爬壁机器人的一个新方向，刚毛吸附是仿生学的应用。刚毛吸附的原理是分子之间的范德华力，目前这种方法也只能适合小型爬壁机器人。

因此爬壁机器人及技术还没有达到人们期盼的水准，离人们的实际需求还有一段距离，主要体现在：爬壁机器人在稳定吸附抓壁与主动脱附壁面方面还存在技术缺陷。当前，如何进一步解决并克服爬壁机器人在稳定吸附抓壁与主动脱附壁面方面还存在的技术缺陷，如何对爬壁机器人在工作期间快速进行补充电能，如何使爬壁机器人具有爬壁、检测、维护、修复等多种功能，这些问题有待解决。

发明内容

针对当前爬壁机器人领域技术发展存在的系列问题，本实用新型提供一种三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人，以达到优化提高爬壁机器人的各项性能指标。

本实用新型提供的一种三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人的实现具体技术方案包括：三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足、激光热电转换器、大腿、多功能尾巴、躯体、脖子、头部、智能控制器；所述三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足包括：三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌、三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾；所述三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌包括：三维多孔石墨烯复合吸盘；所述三维多孔石墨烯复合吸盘装配在三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌的中部；所述三维多孔石墨烯复合吸盘包括：三维多孔石墨烯、纳微纤维材料阵列、真空腔；所述纳微纤维材料阵列连接在三维多孔石墨烯的下方；所述真空腔连接在三维多孔石墨烯的上端；所述智能控制器控制三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人进行爬壁；所述真空腔中的空气被抽走后，所述三维多孔石墨烯在外部压力作用下压在壁面上，使三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌和三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾协同配合实现抓壁；所述纳微纤维材料阵列具有粘力，能够产生协同抓壁效应；所述多功能尾巴、大腿、脖子均与躯体连接，所述头部连接在脖子的上方，所述三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足与大腿连接；所述智能控制器装配在躯体中；所述激光热电转换器包括激光接收器、激光光热修复器、激光光热温差发电器；所述激光接收器和激光光热温差发电器装配在躯体中，所述激光光热修复器装配在多功能尾巴中；所述激光接收器分别与激光光热修复器和激光光热温差发电器连接；所述激光接收器接收激光并将激光分别传输给激光光热修复器和激光光热温差发电器，所述激光光热修复器利用激光实现修复混凝土裂缝或进行船舶除锈；所述激光光热温差发电器利用激光产生电能给三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人供电。

进一步地，所述大腿、三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足和三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾的数量不小于三个。

进一步地，所述三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足还包括足关节驱动器和足趾关节驱动器；所述三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌通过足关节驱动器与大腿的一端连接；所述三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾通过足趾关节驱动器与三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌连接；所述大腿上装配腿关节驱动器；所述大腿的另一端通过腿关节驱动器与躯体连接；所述脖子上装配脖关节驱动器和颈关节驱动器，所述脖子的一端通过脖关节驱动器与头部连接；所述脖子的另一端通过颈关节驱动器与躯体连接；所述多功能尾巴上装配脊椎关节驱动器；所述多功能尾巴通过脊椎关节驱动器与躯体连接。

进一步地，所述三维多孔石墨烯复合吸盘还包括纳微米薄膜、中空活塞式密封块、中空活塞杆、带孔螺栓、弹簧、下端盖、上端盖、短连接管、波纹形导管、长连接管；所述三维多孔石墨烯的下端连接纳微米薄膜；所述纳微米薄膜的下端连接纳微纤维材料阵列；所述三维多孔石墨烯具有多空结构并有一定弹性；所述纳微米薄膜既能够加强三维多孔石墨烯对气体的密封性，又能够便于在其表面组装具有巨大表面积的纳微纤维材料阵列；所述三维多孔石墨烯的上端与真空腔相连接；所述三维多孔石墨烯的上端或真空腔旁外侧装配有压力传感器；所述真空腔的上端与中空活塞式密封块相连接；所述中空活塞式密封块的外侧为下端盖；所述活塞式密封块中部有通气孔，其上端与中空活塞杆的一端相连接；所述中空活塞杆外侧装配有弹簧；所述中空活塞杆的另一端与带孔螺栓的一端相连接；所述带孔螺栓的另一端与短连接管的一端相连接；所述短连接管的另一端与波纹形导管的一端相连接；所述波纹形导管的外侧为上端盖；所述波纹形导管的另一端与长连接管的一端相连接；所述长连接管的另一端与足趾关节驱动器相连接。

进一步地，所述三维多孔石墨烯包括：三维多孔石墨烯海绵、三维多孔石墨烯泡沫、三维多孔石墨烯气凝胶、三维多孔石墨烯水凝胶、三维多孔石墨烯复合材料、三维多孔氧化石墨烯材料或三维多孔氧化石墨烯复合材料；所述三维多孔石墨烯复合材料包括：三维多孔石墨烯海绵复合材料、三维多孔石墨烯气凝胶复合材料、三维多孔石墨烯泡沫复合材料或三维多孔石墨烯水凝胶复合材料。

进一步地，所述躯体中还装配有真空泵及机构、蓄电池；所述真空泵及机构通过连接管道分别与三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌、三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾相连接；所述蓄电池与激光光热温差发电器连接；所述蓄电池用来储存激光光热温差发电器产生的电能。

进一步地，所述激光光热温差发电器包括：相变储热器、热温差发电器；所述相变储热器由相变储热材料与导热材料构成；所述激光接收器将激光辐照光热能量传输给相变储热器；所述相变储热器与热温差发电器的热端相连接；由于热温差发电器的热端与冷端温差产生发电效应，并将发电电能传输给蓄电池。

进一步地，所述激光光热修复器包括：光导纤维束、激光光热修复工作头；所述光导纤维束与激光光热修复工作头装配在多功能尾巴中，所述光导纤维束的一端与激光接收器相连接，另一端与激光光热修复工作头相连接；所述激光接收器通过光导纤维束将激光传输给激光光热修复工作头；所述激光光热修复工作头的工作过程包括：(1)在智能控制器的指令下，所述激光光热修复工作头插入壁面混凝土裂缝中，对预先埋入壁面混凝土的纳微胶囊进行激光加热，由于纳微胶囊中装填有修复剂，在激光光热作用下纳微胶囊温度升高，纳微胶囊受热外壳破裂后释放出修复剂对混凝土壁面裂缝产生修复效果；(2)在智能控制器的指令下，所述激光光热修复工作头可以插入混凝土裂缝中，对预先埋入壁面混凝土的形状记忆合金进行激光加热，形状记忆合金的温度快速升高，形状记忆合金发生记忆性的热变形，产生修复壁面混凝土裂缝的效果；(3)在智能控制器的指令下，所述激光光热修复工作头可以将激光用于大型船舶除锈工作。

进一步地，所述头部装配有传感器、定位器、通讯装置；所述通讯装置包括：数据信息接收与发射器；所述智能控制器分别与三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌、三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾、激光光热电转换器、传感器、定位器、通讯装置、真空泵及机构和蓄电池相连接；所述多功能尾巴中部装配有尾巴中部关节驱动器；所述多功能尾巴不光具有使三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人在壁面爬行时的平衡功能，还能够根据检测维护修复壁面工作的功能需要及修复程序或进度来进行更换使用，即通过多功能尾巴的接口，更换或选择具有不同功能的尾巴，因此多功能尾巴的数量为一个、两个、三个或多个。

进一步地，所述腿关节驱动器、足趾关节驱动器、足关节驱动器、脖关节驱动器、颈关节驱动器、尾巴中部关节驱动器、脊椎关节驱动器选用电机及机械构件驱动器、液压及构件驱动器、气动装置及构件驱动器、功能材料驱动器、电磁力及器件驱动器、静电力及器件驱动器、磁悬浮力及构件驱动器中的任一种。

进一步地，所述纳微纤维材料阵列包括：碳纳米管阵列、硅橡胶纳微纤维材料阵列、聚亚胺脂纳微纤维材料阵列、聚酯树脂纳微纤维材料阵列、聚酰亚胺纳微纤维材料阵列、人造橡胶纳微纤维材料阵列、环氧树脂纳微纤维材料阵列、聚二甲基硅氧烷纳微纤维材料阵列、聚氨酯与对苯二甲酸乙酯纳微纤维材料阵列、聚甲基丙稀酸甲脂纳微纤维材料阵列、聚二甲基硅烷纳微纤维材料阵列；所述碳纳米管阵列采用化学气相沉积法(CVD)制成，包括：热化学沉积法(TCVD)、离子体增强化学沉积法(PECVD)、浮动催化化学气相沉积法(FCCVD)。

进一步地，所述纳微米薄膜包括：碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜、纳微米无机薄膜、纳微米有机薄膜、纳微米复合材料薄膜；所述传感器包括：压力传感器、温度传感器、角度传感器、湿度传感器、风力传感器。

本实用新型三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人的工作过程如下：

智能控制器指令三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人开始准备工作，真空泵及机构开始运作。智能控制器指令三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人开始爬壁，腿关节驱动器、足趾关节驱动器、足关节驱动器、脖关节驱动器、颈关节驱动器、尾巴中部关节驱动器、脊椎关节驱动器等关节驱动器与真空泵及机构开始协同工作，真空泵及机构通过长连接管中的可控阀，进入波纹形导管、短连接管、带孔螺栓、中空活塞式密封块、中空活塞杆将真空腔的空气抽走，真空腔形成负压；由于负压作用，足内圈的三维多孔石墨烯中部产生向上隆起的凹形，带动足外圈的两边向下压紧并向中间收缩；由于负压作用，足外圈的三维多孔石墨烯在外部压力作用下开始向下压缩压紧，并凸起压在壁面形成一定压力及附着力，促使三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌和三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾协同配合实现抓壁状态；在三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌和三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾中装配的压力传感器或角度传感器，将三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌和三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾各部位的抓壁角度或抓壁压力数据信息传输给智能控制器；智能控制器通过运算处理，发出调整三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌和三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾各部位抓壁角度或抓壁压力指令，促使提高抓壁附着力；在足关节驱动器、足趾关节驱动器、波纹形导管、弹簧的协同作用下，能够使三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足能够牢牢地抓住具有不同性能的壁面。在足外圈的三维多孔石墨烯表面的纳微纤维材料阵列由于表面积巨大，能够与壁面或粗糙壁面或壁面微缝隙紧密接触，由于纳微纤维材料阵列具有一定的粘力作用力，能够产生协同抓壁效应，产生叠加并提高抓住壁面的作用力。

在智能控制器的调控下，由于采用真空泵及机构与三维多孔石墨烯表面的纳微纤维材料阵列相结合，以及与足关节驱动器、关节驱动器、波纹形导管和弹簧相结合，使得三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人能够实现克服传统爬壁机器人存在的吸附抓住壁表面不牢靠以及主动脱附离开壁表面不快速的问题，使其在粗糙壁面或壁面微缝隙条件下的爬壁能力得到有效提高。

三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人采用的激光热电转换器包括：激光接收器、激光光热修复器和激光光热温差发电器；由于激光接收器分别与激光光热修复器和激光光热温差发电器相连接；所述激光接收器将激光辐照光热能量传输给激光光热温差发电器中的相变储热器；相变储热器与热温差发电器的热端相连接；由于热温差发电器的热端与冷端温差产生发电效应，并将发电电能传输给蓄电池。因此，能够实现三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人在爬壁工作期间进行无需电缆的电能实时补充。

激光光热修复器将激光接收器与光导纤维束和激光光热修复工作头相结合，即将光导纤维束与激光光热修复工作头装配在多功能尾巴中，光导纤维束的一端与激光接收器相连接，另一端与激光光热修复工作头相连接，并具有多功能修复作用：(1)在智能控制器的指令下，激光光热修复工作头插入壁面混凝土裂缝中，对预先埋入壁面混凝土的纳微胶囊进行激光加热，由于纳微胶囊中装填有修复剂，在激光光热作用下纳微胶囊温度升高，纳微胶囊受热外壳破裂后释放出修复剂对混凝土壁面裂缝产生修复效果；(2)在智能控制器的指令下，激光光热修复工作头可以插入混凝土裂缝中，对预先埋入壁面混凝土的形状记忆合金进行激光加热，形状记忆合金的温度快速升高，形状记忆合金发生记忆性的热变形，产生修复壁面混凝土裂缝的效果；(3)在智能控制器的指令下，激光光热修复工作头可以开展将激光用于大型船舶除锈工作。由于三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人具有多功能尾巴，能够根据检测、维护和修复壁面工作的功能需要及修复程序或进度来进行更换使用，即通过多功能尾巴的接口，更换或选择具有不同功能的尾巴，能够实现爬行、检测、维护和修复壁面的多功能目标。

本实用新型的三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人具有以下有益效果：

(1)本实用新型三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人，在三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌和三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾中，采用了三维多孔石墨烯复合吸盘，包括主要采用：三维多孔石墨烯、纳微米薄膜、纳微纤维材料阵列、真空腔和压力传感器，并与关节驱动器相结合结构；利用三维多孔石墨烯和纳微米管薄膜组合结构，由于三维多孔石墨烯具有多空结构并有一定弹性，而纳微米薄膜既能够加强三维多孔石墨烯对气体的密封性，又能够便于在其表面稳定组装具有巨大表面积的纳微纤维材料阵列，即能够针对不同状态壁面时仍然具有对真空腔实施较好的封闭，确保在抓壁过程中处于稳定的负压状态，具有一定的弹性及收缩紧压性能，也具有巨大表面积产生的抓壁粘性，因此提高了抓壁整体性能；在智能控制器的指令下，采用压力传感器、角度传感器和关节驱动器相结合，能够根据不同性能壁面来调整三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌和三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾的抓壁角度或抓壁力度，使抓壁处于最佳动作姿态；由于采用的纳微纤维材料阵列具有巨大的表面积，也能够协同三维多孔石墨烯、纳微米薄膜和真空腔，实现克服传统爬壁机器人存在的吸附抓住壁表面不牢靠以及主动脱附离开壁表面不快速的问题，使其在粗糙壁面或壁面微缝隙条件下的爬壁能力得到有效提高。

(2)本实用新型三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人，采用的激光光热修复器包括：光导纤维束、激光光热修复工作头；所述光导纤维束与激光光热修复工作头装配在多功能尾巴中。激光光热修复工作头具有多功能修复作用：a、对预先埋入混凝土壁面的纳微胶囊进行激光加热，纳微胶囊受热外壳破裂后释放出修复剂对混凝土壁面裂缝产生修复效果；b、对预先埋入混凝土壁面的形状记忆合金进行激光加热，形状记忆合金发生记忆性的热变形，产生修复壁面混凝土裂缝的效果；c、开展将激光用于大型船舶除锈工作。采用多功能尾巴能够根据检测、维护和修复壁面工作的功能需要及修复程序或进度来进行更换使用，即通过多功能尾巴的接口，更换或选择具有不同功能的尾巴，能够实现爬行、检测、维护和修复壁面的多功能目标。

(3)本实用新型三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人，采用激光光热温差发电器；激光接收器将激光辐照光热能量传输给激光光热温差发电器中的相变储热器；相变储热器与热温差发电器的热端相连接；由于热温差发电器的热端与冷端温差产生发电效应，并将发电电能传输给蓄电池。因此，能够实现三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人在爬壁工作期间进行无需电缆的电能实时补充。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型一种三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人的结构示意图；

图2是本实用新型一种三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾的结构示意图。

图中，1-三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人；2-三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾；3-三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足；4- 激光热电转换器；5-多功能尾巴；6-躯体；7-头部；8-三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌；9-三维多孔石墨烯复合吸盘；10-足关节驱动器；11-三维多孔石墨烯；12-碳纳米管薄膜；13-碳纳米管阵列；14-真空腔；15-中空活塞式密封块；16-中空活塞杆；17-带孔螺栓；18-弹簧；19-下端盖；20-上端盖；21- 短连接管；22-波纹形导管；23-长连接管；24-压力传感器；25-足趾关节驱动器；26-大腿；27-腿关节驱动器；28-真空泵及机构；29-蓄电池；30-智能控制器；31-激光光热修复工作头；32-角度传感器；33-定位器；34-通讯装置；35- 风力传感器；36-脖关节驱动器；37-脖子；38-颈关节驱动器；39-尾巴中部关节驱动器；40-脊椎关节驱动器。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

实施例：

本实用新型实施例的三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人1的结构示意图见图1；三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾2的结构示意图见图2。

本实用新型实施例的三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人1(见图1)，包括：四个三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足3、激光热电转换器4、四条大腿26、激光热电转换器4、一个多功能尾巴5、躯体6、脖子37、头部7、智能控制器30；大腿26上装配腿关节驱动器27，三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足3包括：三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌8、 5个三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾2(见图2)、五个足趾关节驱动器25、四个足关节驱动器10；三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌8(见图1) 包括三维多孔石墨烯复合吸盘9和角度传感器32；三维多孔石墨烯复合吸盘9 装配在足掌8中部；角度传感器32装配在足掌8中；五个三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾2分别通过足趾关节驱动器25与三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌8相连接；三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌8通过足关节驱动器10与大腿26的一端相连接；大腿26的另一端通过腿关节驱动器27 与躯体6相连接。

三维多孔石墨烯复合吸盘9(见图2)，包括：三维多孔石墨烯11、碳纳米管薄膜12、碳纳米管阵列13、真空腔14、中空活塞式密封块15、中空活塞杆16、带孔螺栓17、弹簧18、下端盖19、上端盖20、短连接管21、波纹形导管22、长连接管23；三维多孔石墨烯11的下端连接碳纳米管薄膜12；碳纳米管薄膜12的下端连接碳纳米管阵列13；三维多孔石墨烯11的上端与真空腔14相连接；三维多孔石墨烯11的上端或真空腔14旁外侧装配有压力传感器24；真空腔14的上端与中空活塞式密封块15相连接；中空活塞式密封块15外面为下端盖19；活塞式密封块15中部有通气孔，其上端与中空活塞杆16的一端相连接；中空活塞杆16外侧装配有弹簧18；中空活塞杆16的另一端与带孔螺栓17的一端相连接；带孔螺栓17的另一端与短连接管21的一端相连接；短连接管21的另一端与波纹形导管22的一端相连接；波纹形导管22的外侧为上端盖21；波纹形导管22的另一端与长连接管23的一端相连接；长连接管23的另一端与足趾关节驱动器25相连接。

本实施例的三维多孔石墨烯11采用三维多孔石墨烯海绵。

头部7装配有风力传感器35、定位器33、通讯装置34；通讯装置34包括数据信息接收与发射器；定位器33选用北斗定位器或GPS定位器。

脖子37上装配脖关节驱动器36和颈关节驱动器38，脖子37的一端通过脖关节驱动器36与头部7相连接；脖子37的另一端通过颈关节驱动器38与躯体6相连接。

多功能尾巴5上装配有脊椎关节驱动器40，多功能尾巴5的中部装配有尾巴中部关节驱动器39；多功能尾巴5通过脊椎关节驱动器40与躯体6相连接；多功能尾巴5不光具有使三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人1在壁面爬行时的平衡功能，还能够根据检测维护修复壁面工作的功能需要及修复程序或进度来进行更换使用，即通过多功能尾巴的接口，更换或选择具有不同功能的尾巴。

激光热电转换器4包括：激光接收器、激光光热修复器和激光光热温差发电器；激光接收器和激光光热温差发电器装配在躯体6中，激光接收器分别与激光光热修复器和激光光热温差发电器相连接；激光光热温差发电器包括：相变储热器、热温差发电器；相变储热器主要由相变储热材料与导热材料构成。

激光光热修复器包括：光导纤维束、激光光热修复工作头31；光导纤维束与激光光热修复工作头31装配在多功能尾巴5中，光导纤维束的一端与激光接收器相连接，另一端与激光光热修复工作头31相连接；激光接收器通过光导纤维束将激光传输给激光光热修复工作头31。

躯体6中装配有真空泵及机构28、蓄电池29；真空泵及机构28通过连接管道分别与三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌8、三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾2相连接；蓄电池29与激光光热温差发电器连接；蓄电池29 用来储存激光光热温差发电器产生的电能；智能控制器30分别与三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌8、三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾2、激光热电转换器4、压力传感器24、角度传感器32、风力传感器35、定位器33、通讯装置34、真空泵及机构28和蓄电池29相连接。

腿关节驱动器27、足趾关节驱动器25、足关节驱动器10、脖关节驱动器 36、颈关节驱动器38、尾巴中部关节驱动器39、脊椎关节驱动器40等关节驱动器均采用电机及机械构件驱动器。

本实用新型实施例三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人的工作过程如下：

智能控制器30指令三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人 1开始准备工作，腿关节驱动器27、足趾关节驱动器25、足关节驱动器10、脖关节驱动器36、颈关节驱动器38、尾巴中部关节驱动器39、脊椎关节驱动器40等关节驱动器开始分别驱动三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足3开始准备沿壁面爬行；真空泵及机构28开始运作。智能控制器30指令三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人1开始爬壁，真空泵及机构28通过长连接管23中的可控阀进入波纹形导管22、短连接管21、带孔螺栓17、中空活塞式密封块15、中空活塞杆16将真空腔14的空气抽走，真空腔14形成负压；由于负压作用，足内圈的三维多孔石墨烯海绵中部产生向上隆起的凹形，带动足外圈的三维多孔石墨烯海绵向下压紧并向中间收缩；由于负压作用，足外圈的三维多孔石墨烯海绵在外部压力作用下开始向下压缩压紧，并凸起压在壁面产生一定压力及附着力，促使三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌8 和三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾2协同配合实现抓壁状态；在三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌8和三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾2 中装配的压力传感器24或角度传感器32，将三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌8和三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾2各部位的抓壁角度或抓壁压力数据信息传输给智能控制器30；智能控制器30通过运算处理，发出调整三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足掌8和三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足趾2各部位抓壁角度或抓壁压力指令，使抓壁附着力处于最佳状态；在足关节驱动器10、足趾关节驱动器25、波纹形导管22、弹簧18的协同作用下，能够使三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足3能够牢牢地抓住具有不同性能的壁面。由于充分利用了三维多孔石墨烯11、碳纳米管薄膜12与碳纳米管阵列13的组合结构，三维多孔石墨烯11具有多空结构并有一定弹性，而碳纳米管薄膜12既能够加强三维多孔石墨烯11对气体的密封性，又能够便于在其表面组装具有巨大表面积的碳纳米管阵列13，即能够针对不同状态壁面时仍然具有对真空腔14实施较好的封闭，确保在抓壁过程中处于稳定的负压状态，具有一定的弹性及收缩紧压性能，也具有巨大表面积产生的抓壁粘性，因此提高了抓壁整体性能及效果；在足外圈的三维多孔石墨烯11表面与碳纳米管薄膜12下面的碳纳米管阵列13由于表面积巨大，能够与壁面或粗糙壁面或壁面微缝隙紧密接触，由于碳纳米管阵列13具有粘力作用，能够产生协同抓壁效应，产生叠加抓住壁面的作用力。

在智能控制器30的调控下，由于采用真空泵及机构28与三维多孔石墨烯 11与碳纳米管薄膜12下面的碳纳米管阵列13相结合，还与腿关节驱动器27、足趾关节驱动器25、足关节驱动器10、脖关节驱动器36、颈关节驱动器38、尾巴中部关节驱动器39、脊椎关节驱动器40、波纹形导管22和弹簧18相结合，三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人1能够实现克服传统爬壁机器人存在的吸附抓住壁表面不牢靠以及主动脱附离开壁表面不快速的问题，使其在粗糙壁面或壁面微缝隙条件下的爬壁能力得到有效提高。

三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人1采用的激光热电转换器4包括：激光接收器、激光光热修复器和激光光热温差发电器；由于激光接收器分别与激光光热修复器和激光光热温差发电器相连接；激光接收器将激光辐照光热能量传输给激光光热温差发电器中的相变储热器；相变储热器与热温差发电器的热端相连接；由于热温差发电器的热端与冷端温差产生发电效应，并将发电电能传输给蓄电池29。因此，能够实现三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人1在爬壁工作期间进行无需电缆的电能实时补充。

激光光热修复器将激光接收器与光导纤维束和激光光热修复工作头相结合方式，即将光导纤维束与激光光热修复工作头31装配在多功能尾巴5中，光导纤维束的一端与激光接收器相连接，另一端与激光光热修复工作头31相连接，并具有多功能修复作用：(1)在智能控制器30的指令下，激光光热修复工作头31插入壁面混凝土裂缝中，对预先埋入壁面混凝土的纳微胶囊进行激光加热；由于纳微胶囊中装填有修复剂，在激光光热作用下纳微胶囊温度升高，纳微胶囊受热外壳破裂后释放出修复剂对混凝土壁面裂缝产生修复效果；(2)在智能控制器30的指令下，激光光热修复工作头31可以插入混凝土裂缝中，对预先埋入壁面混凝土的形状记忆合金进行激光加热，形状记忆合金的温度快速升高，形状记忆合金发生记忆性的热变形，产生修复壁面混凝土裂缝的效果；(3)在智能控制器30的指令下，激光光热修复工作头31可以开展将激光用于大型船舶除锈工作。由于三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人1具有多功能尾巴5，能够根据检测、维护和修复壁面工作的功能需要及修复程序或进度来进行更换使用，即通过多功能尾巴5的接口，更换或选择具有不同功能的尾巴，能够实现爬行、检测、维护和修复壁面的多功能目标。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

设计图

三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人论文和设计

三维多孔石墨烯复合吸盘式仿壁虎足型多功能机器人论文和设计-袁曦明

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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