CN101353064B - 地壁过渡仿壁虎机器人 - Google Patents

Abstract

一种地壁过渡仿壁虎机器人，采用四足爬行方式，由机械部分和电路部分组成，机械部分由身体和四只腿构成，分前后两部分，完全对称，具有互换性，两部分之间通过移动副连接；各关节处采用舵机驱动；脚掌处设计成阻尼关节，使脚掌关节在悬空时有固定位置，吸附时可以根据壁面情况调整角度，以适应不同的壁面条件；机器人采用过渡行走方式实现地壁过渡，可通过机身俯仰动作和改变单足立足点位置这两个基本动作的组合实现；机器人的运动控制采用主从式控制结构，上位机完成机器人的步态规划相关的算法运算，并且以一定频率向下位机发送命令，下位机接受上位机的命令，做出相应的响应，完成对驱动器的控制信息输出，同时向上位机反馈相关的机器人运行状态信息，上位机和下位机之间用232串口进行通信。

Description

地壁过渡仿壁虎机器人

技术领域

本发明涉及一种微小型机器人—地壁过渡仿壁虎机器人，主要应用于反恐，救援，首脑保卫，特种侦查等公共和国家安全等领域。

背景技术

像壁虎一样能够在竖直壁面和天花板上爬行的仿壁虎爬行机器人是目前世界上仿生机器人界比较前沿的热点问题之一。

随着爬壁机器人在民用、军事、航天等方面应用范围的不断拓宽，在性能上对其提出更高的期望—自动实现相交面(如地一壁，壁一壁，壁一顶等)间的过渡行走。为了实现这个要求，近年来出现两种能够实现地一壁过渡行走的爬壁机器人试验样机，机构型式分别为变形框架式和多节车轮式。但是，这两种型式由于不具备独立驱动的足机构，壁面形状的适应性不足，机动性和非规则障碍的跨越能力较差，为了克服这些缺点，可以认为多足爬壁机构将是一种较好的选择。

在仿壁虎机器人能够实现地面稳定爬行的基础上，进行地面到墙面过渡方式的规划，可以扩展仿壁虎机器人的运动范围和运动的多样性，为更广泛的将仿壁虎机器人应用于实践提供可能。

第一代仿壁虎机器人，专利申请号为200610114771.9，采用足式爬行，通过合理的步态规划能够实现转弯动作，但它只限于在地面上爬行，无法实现地面到墙面的过渡动作。

本发明的仿壁虎机器人在能够实现地面稳定爬行的基础上，进行地面到墙面过渡方式的规划，可以扩展仿壁虎机器人的运动范围和运动的多样性。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种地壁过渡仿壁虎机器人，该机器人能够在爬壁过程中能够实现地面到墙面的过渡爬行，机器人爬行过程中产生吸附力的脚掌不与壁面发生相对移动。

本发明的技术解决方案：地壁过渡仿壁虎机器人，采用四足爬行方式，由机械部分和控制部分组成，所述的机械部分分为前工作部分和后工作部分，且两部分结构完全对称，具有互换性，所述前工作部分或后工作部分分别由机器人身体、两个脚掌和两条腿构成，每条腿由三个可控自由度的大腿关节、小腿关节和腿根关节组成，每个大腿关节的两端、小腿关节的一端和腿根关节的一端之间均通过舵机铰接连接在一起，各关节处均采用舵机驱动，每个小腿关节的另一端与脚掌连接，每个腿根关节的另一端与机械人身体连接；所述的控制部分包括：上位机、单片机、数字开关控制电路、舵机、电源和位于两个脚掌上的吸盘，其特征在于：所述的机械部分的前后两部分通过移动副连接在一起；所述的两个脚掌采用阻尼关节结构，使脚掌悬空时有固定位置，吸附时能够自由调整角度，以适应不同的壁面条件；控制部分采用主从式控制结构，上位机完成机器人的步态规划相关的算法运算，并且以一定频率向下位机发送控制命令，单片机根据上位机的命令输出PWM波形控制舵机转角大小，完成对舵机的控制信息输出，同时根据安装在脚掌处的传感器输出的信号向上位机反馈相关的机器人运行状态信息，再由单片机实现对舵机的运动控制，从而实现地壁过渡需要的步态规划，达到使机械部分完成地壁过渡，所述的地壁过渡即两只前腿爬上墙壁，然后两只后腿交替行走使身体逐渐贴近墙壁，最后两只后腿贴上墙面，完成地壁过渡。

所述的地壁过渡的实现由两种运动组成：三足吸附状态下单足改变落脚点位置和对角线上两足吸附状态下身体的俯仰运动，即两吸附足位置不变，利用抬腿关节运动实现身体俯仰角的增加。

所述的脚掌处的阻尼关节中，将球关节轴承通过紧定螺钉安装在套内，套与小腿连接，心轴过盈安装在轴承内，脚掌吸附材料与心轴连接，在球关节轴承内加入摩擦粉，增加摩擦系数，使脚掌在悬空时其自重无法克服摩擦力，这样脚掌与壁面在接触吸附的过程中可根据壁面情况自由调整球形关节角度，但悬空时则由于自重无法克服轴承内摩擦力而固定在一定角度实现了阻尼关节的功能。

所述的移动副由8mm厚的不锈钢板作为直线导轨在铝套中滑动实现，钢板和铝套之间加入2mm厚的铜片作为摩擦材料，从而减少摩擦力，不锈钢板一端通过紧定螺钉固接于机器人前半身，铝套通过紧定螺钉固定在机器人的在后半身支座。

所述的上位机和单片机机之间采用232串口进行通信，上位机采用Labview完成上位机控制***程序设计，实现机器人控制信号的输出，命令更新的时间间隔为0.1s，用定时循环实现命令更新的定时。

本发明与第一代仿壁虎机器人技术相比的优点在于：

(1)本发明仿壁虎机器人通过两种运动——三足吸附状态下单足改变落脚点位置和对角线上两足吸附状态下身体俯仰角的增加能够实现地面到墙面的过渡爬行，第一代机器人只能实现地面的直线爬行和转弯。

(2)脚掌采用阻尼关节结构，抬脚时可锁定位置，接触地面时可自由调节关节位置，使脚掌活动更自由化，机器人可以有丰富的姿态适应复杂的地形环境。

(3)采用移动副连接协调机器人在地壁过渡时身体的长度变化，避免机构过约束，从而避免吸附足与附着面之间产生较大的切向内应力，破坏脚掌材料及机器人身体稳定性。

(4)脚掌上安装传感器，利用反馈信号通过上位机控制驱动关节舵机暂停及转动，使脚掌可充分吸附在附着面上，从而很好的维持机构的稳定性。

(5)上位机用Labview完成上位机控制***程序设计，实现机器人控制信号的输出，命令更新的时间间隔为0.1s，用定时循环实现命令更新的定时，通过下位机程序设计，实现对舵机的运动控制，从而控制机械部分按照所规划的步态完成地壁过渡。

附图说明

图1为本发明机器人的机械部分的主视结构示意图；

图2为本发明机器人身体移动副结构示意图；

图3为本发明的脚掌采用阻尼关节结构示意图；

图4为本发明机器人的身体姿态图；

图5为本发明机器人过渡过程中的数学模型；

图6为本发明机器人的对角线步态；

图7本发明机器人的身体姿态图；

图8本发明机器人的身体姿态图；

图9本发明机器人的身体姿态图；

图10本发明的地壁过渡步骤流程图；

图11本发明的电路部分；

图12本发明的上位机控制程序界面；

图13本发明的下位机程序总体流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明仿壁虎机器人采用四足爬行方式，它由机械部分和电路部分组成。机械部分分为前工作部分和后工作部分，两部分结构完全对称，具有互换性。前工作部分和后工作部分分别由机器人身体9、四条腿1、2、3、4及四个脚掌构成，四个脚掌采用阻尼关节结构，使脚掌悬空时有固定位置，吸附时能够自由调整角度，以适应不同的壁面条件；每条腿由三个可控自由度的大腿关节6、小腿关节7和腿根关节5组成，每个大腿关节6的两端、小腿关节7的一端和腿根关节5的一端之间均通过舵机10铰接连接在一起，各关节处均采用舵机10驱动，每个小腿关节7的另一端与脚掌连接，每个腿根关节5的另一端与机械人身体9连接。本发明中每条腿上共3个舵机，4条腿共12个舵机。前工作部分和后工作部分通过移动副8连接在一起。

如图2所示，移动副8由厚度为8mm的不锈钢板14作为直线导轨在铝套12中滑动实现，铝套内左右壁及上壁加入2mm厚的铜片11，使不锈钢板14在铝套12内运动时与铜片11接触，从而减少摩擦。在铝套上壁及左右壁打孔，装入紧固螺钉13，这样可以调整铜片11与不锈钢板14之间的压力大小，从而控制滑动时摩擦力大小。不锈钢板14一端通过紧定螺钉13固接于机器人前半身，铝套通过紧定螺钉13固接于机器人后半身。

如图3所示，脚掌处采用阻尼关节由球形关节轴承16通过紧定螺钉17安装在套19内，套19与小腿连接，心轴15过盈安装在轴承16内，脚掌吸附材料与心轴15连接。在球形关节轴承内加入摩擦粉，增加摩擦系数，使脚掌在悬空时其自重无法克服摩擦力。这样，脚掌与壁面在接触吸附的过程中可根据壁面情况自由调整球形关节角度，但悬空时则由于自重无法克服轴承内摩擦力而固定在一定角度，实现了阻尼关节的功能。

过渡原理：

机器人的过渡爬行由两种运动组成——三足吸附状态下单足改变落脚点位置和对角线上两足吸附状态下身体俯仰角的增加。三足吸附状态下，自由足属于开式运动链末端，在没有约束的条件下，自由度为6，因此可根据实际所受约束情况及步态规划要求合理调整其落脚点位置。

如图4所示，对角线上两足吸附状态下调整身体俯仰角，即对角线上的前足吸附在墙壁上，后足吸附在地面上，锁定前腿的抬腿关节，以后腿的抬腿关节为驱动，调整身体姿态，使身体逐渐直立。此时自由足所在的两条腿上所有关节及吸附足上的转腿关节不动作，驱动数为1，由自由度计算公式得机构的自由度也为1，与驱动数相同。

这种运动能够实现身体俯仰角的增加，使身体逐渐直立，但要求后腿与身体平面保持一定夹角，这就需要在身体俯仰角增加后不断改变后足的立足点位置。为了增加机器人的稳定性，单足改变立足点位置时其余三足均采取吸附状态。由此可推出，交替循环上述两种运动，即可实现机器人身体的逐渐直立。

地壁过渡过程中，身体质心的轨迹应呈单调上升趋势，而尽量避免上下波动，以使能量消耗较小。对需多次调整身体姿态才能实现直立的情况，在规划当前调整过程时，应考虑下次沿有利身体直立方向进行调整的可能性。

姿态分析：

如图5所示，以腿2，4分别吸附在墙壁和地面为例，建立数学模型分析过渡过程中的身体姿态变化。

x方向平行地面，并与墙面垂直，即仿壁虎机器人在地面上的爬行方向，y方向垂直地面，并与墙面平行，即机器人在墙壁上的爬行方向，θ₁为身体相对地面的倾斜角，即身体的俯仰角，θ₂为后腿抬腿关节相对身体平面转过的角度，其大小根据步态规划设定。l₁是对角线上前腿伸长后的长度，l₃是对角线上后腿伸长后的长度，l₂是身体长度。

该模型的身体中心的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=E\′+\left(l_2\cos {\mathrm{\θ}}_1\right)/2\\ y_0=H^{\′}+\left(l_2\sin {\mathrm{\θ}}_1\right)/2\end{array}\right.---\left(1\right)$

从公式(1)可以看出，在θ₁增大的过程中，x₀’减小，y₀’增大，身体中心轨迹单调上升。

$\left\{\begin{array}{c}E=l_1\cos ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)+(l_2+l_3)\cos {\mathrm{\θ}}_1\\ H=l_1\sin ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)+(l_2+l_3)\sin {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right.---\left(2\right)$

从公式(2)可以看出，在θ₁增大的过程中，E减小，H增大，后腿足端沿-x方向(靠近壁面)移动，而前腿足端沿+y向移动，有利于下一次的身体直立调整。

步态规划：

仿壁虎机器人的地壁过渡主要分为三个过程：

(a)两只前腿爬上墙壁，开始过渡爬行；

(b)两只后腿向墙壁方向交替行走，身体逐渐直立；

(c)后腿爬上墙壁，完成地壁过渡。

a.只前腿爬上墙壁，开始过渡爬行。

如图6所示，仿壁虎机器人在地面爬行时采用简单的对角线步态，机器人的爬行过程可以概括为腿抬起——腿摆动——脚落下的运动序列，其中以黑点表示脚掌处于吸附状态，空白点表示脚掌处于悬空状态。

设定抬腿角度为90°，摆腿角度为45°。

一个运动周期完成，机器人在x方向的直线位移为S₁，

S₁/2＝lsin(θ/2)(3)

l为机器人大腿长度，θ为大腿关节的摆腿角度。

以图6中步骤1为例，当身体前端与墙壁的距离E’<S₁/2，在进行步骤2时，腿2在x方向没有足够的活动空间，抬起并伸长后不能再落到地面上，而是会与墙壁接触并吸附，如图7所示。

按照图6中对角线步态立足点的改变顺序，撤销1，3足的吸附力，2，4足成为吸附足。

如图8所示，将其他运动关节锁定，以腿4的抬腿关节舵机为驱动，就能够实现身体俯仰角的增加，同时为了避免身体直立过程中后悬空腿3运动受到地面干涉，可通过摆腿关节运动，将其大腿与小腿重合在抬腿关节处，从而将其近似看作一个点。此时，身体与四条腿处在同一个平面内，结合上文的分析，机器人在这个平面内采用对角线步态爬行与在地面上采用对角线步态爬行原理是一样的。参照图6中的步骤4，腿1抬起90°并伸长，腿2，4的摆腿关节运动，将身体沿x’方向拉进S₁/2，如图6中步骤5。同样，腿1落下时会吸附到墙壁，立足点与地面的距离H₁大于腿2的立足点与地面的距离H₂，为身体的直立调整提供条件，如图9所示。

将处于收缩状态的腿3伸长至与腿4同样长度，刚好吸附地面。

此时，两条前腿都位于墙壁上，准备过程完成，开始进行地壁过渡。

b.只后腿向墙壁方向交替行走，身体逐渐直立。

参照图9，撤销2，4的吸附力，1，3足成为吸附足，为避免干涉，先将腿3缩回，以腿3的抬腿关节为驱动，将身体与腿拉至同一平面内，腿2抬起后伸长落下，与墙壁吸附，由于其伸长长度与腿1相同，因此立足点距地面距离相同，即y方向位置相同。此时腿1，2，3为支撑腿，腿4悬空。

腿4向墙壁行走：

(1)将腿4相对身体平面顺时针转动角度θ₂，伸长后与地面吸附，伸长长度由身体姿态及后腿抬腿关节与地面距离决定。

(2)撤销1，3吸附力，2，4成为支撑腿。为避免干涉，先将腿3缩回。

(3)以腿4抬腿关节为驱动，调整身体姿态。使腿1，2，4成为支撑腿，腿3悬空。

腿3与腿4采取同样的方式行走：

(1)将腿3相对身体平面顺时针转动角度θ₂，伸长后与地面吸附。

(2)撤销2，4吸附力，1，3成为支撑腿。为避免干涉，先将腿4缩回。

(3)以腿4抬腿关节为驱动，调整身体姿态，使腿1，2，3成为支撑腿，腿4悬空。

两条后腿如此交替行走，身体逐渐直立。

c.腿爬上墙壁，完成地壁过渡。

如图5所示，后悬空腿3每一次以抬腿关节为基点跨步，在x方向上产生的位移

S₂＝H′ctg(π-θ₁-θ₂)+H′ctgθ₁        (4)

且

H′＝l₃sin(π-θ₁-θ₂)            (5)

可得

S₂＝l₃cos(π-θ₁-θ₂)+l₃sin(π-θ₁-θ₂)ctgθ₁   (6)

当抬腿关节与墙壁距离E’<S₂时，后腿3伸长后将落到墙壁上并吸附。撤销2，4吸附力，1，3成为支撑腿，然后以腿3抬腿关节舵机为驱动，调整身体姿态，为避免干涉，先将腿4缩回。

因为三只腿都已经落在了墙壁上，这次调整姿态后身体与四条腿均与壁面平行，至此完成地壁过渡，机器人在壁面上继续采用对角线步态爬行。

整体流程图如图10所示。

如图11所示为本发明的电路部分，包括：单片机25、数字开关控制电路24、舵机10、安装在脚掌上的传感器20、位于脚掌上的吸盘21、电源22和上位机23，上位机23通过UART或RS232接口与单片机25连接，电源22分别为单片机电路25、吸盘22上电磁铁和12个舵机10提供电源，上位机23发出控制指令，单片机25通过串口接收该控制指令后，其12路I/O口1输出12个PWM波形控制12个舵机10的转角大小，达到控制机器人的步态，同时单片机25的4路I/O作为脚掌吸附力控制端口输出控制数字开关电路24的通断达到控制机器人脚掌7上吸盘22的吸附与释放。

机器人的运动控制采用主从式控制结构，上位机完成机器人的步态规划相关的算法运算，并且以一定频率向下位机发送命令，下位机接受上位机的命令，做出相应的响应，完成对驱动器的控制信息输出，同时向上位机反馈相关的机器人运行状态信息，上位机和下位机之间用232串口进行通信。

如图12所示为机器人上位机控制界面，上位机用Labview完成上位机控制***程序设计，实现机器人控制信号的输出，命令更新的时间间隔为0.1s，用定时循环实现命令更新的定时，LFF、LFC、LFT、LFP分别表示机器人的左前腿足部关节、左前腿小腿关节、左前腿大腿关节、左前腿脚掌部分的控制，其它的依次类推，滚动条为角度位置控制，按钮为吸附与否的控制，显示控件显示当前的角度值。

如图13所示为下位机程序设计总体流程图，下位机程序设计能够实现为对上位机控制命令的接收及有效性检验，舵机的运动控制和运动过程中的下位机信号反馈。

Claims (5)

1.地壁过渡仿壁虎机器人，采用四足爬行方式，由机械部分和控制部分组成，所述的机械部分分为前工作部分和后工作部分，且两部分结构完全对称，具有互换性，所述前工作部分或后工作部分分别由机器人身体、两个脚掌和两条腿构成，每条腿由三个可控自由度的大腿关节、小腿关节和腿根关节组成，每个大腿关节的两端、小腿关节的一端和腿根关节的一端之间均通过舵机铰接连接在一起，各关节处均采用舵机驱动，每个小腿关节的另一端与脚掌连接，每个腿根关节的另一端与机械人身体连接；所述的控制部分包括：上位机、单片机、数字开关控制电路、舵机、电源和位于脚掌上的吸盘，其特征在于：所述的机械部分的前后两部分通过移动副连接在一起；所述的脚掌采用阻尼关节结构，使脚掌悬空时有固定位置，吸附时能够自由调整角度，以适应不同的壁面条件；控制部分采用主从式控制结构，上位机完成机器人的步态规划相关的算法运算，并且以一定频率向下位机发送控制命令，单片机根据上位机的命令输出PWM波形控制舵机转角大小，完成对舵机的控制信息输出，同时根据安装在脚掌处的传感器输出的信号向上位机反馈相关的机器人运行状态信息，再由单片机实现对舵机的运动控制，从而实现地壁过渡需要的步态规划，达到使机械部分完成地壁过渡，所述的地壁过渡即先通过一些辅助动作，使壁虎的两只前腿爬上墙壁，然后在对角线两足吸附的状态下，以后腿的腿根关节为驱动，不断调整身体姿态实现身体的逐渐直立，最后两只后腿也爬上墙壁的过程。

2.根据权利要求1所述的地壁过渡仿壁虎机器人，其特征在于：所述的地壁过渡的实现由两种运动组成：三足吸附状态下单足改变落脚点位置和对角线上两足吸附状态下身体的俯仰运动，即两吸附足位置不变，通过控制腿根关节运动实现身体俯仰角的增加。

3.根据权利要求1所述的地壁过渡仿壁虎机器人，其特征在于：所述的脚掌处的阻尼关节，将球关节轴承通过紧定螺钉安装在套内，套与小腿连接，心轴过盈安装在轴承内，脚掌吸附材料与心轴连接，在球关节轴承内加入摩擦粉，增加摩擦系数，使脚掌在悬空时其自重无法克服摩擦力而固定在一定角度，在与壁面在接触吸附的过程中则可根据壁面情况由所受压力自由调整关节角度，从而实现了阻尼关节的功能。

4.根据权利要求1所述的地壁过渡仿壁虎机器人，其特征在于：所述的移动副由8mm厚的不锈钢板作为直线导轨在铝套中滑动实现，钢板和铝套之间加入2mm厚的铜片作为摩擦材料，从而减少摩擦力，不锈钢板一端通过紧定螺钉固接于机器人前工作部分，铝套通过紧定螺钉固定在机器人的在后工作部分支座。

5.根据权利要求1所述的地壁过渡仿壁虎机器人，其特征在于：所述的上位机和单片机之间采用232串口进行通信，上位机采用Labview完成上位机控制***程序设计，实现机器人控制信号的输出，命令更新的时间间隔为0.1s，用定时循环实现命令更新的定时。

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