CN103847823A - 履带式仿生爬壁机器人脚掌结构及其运动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种履带式仿生爬壁机器人脚掌结构，包括机身框架、滚动轮、张紧机构、粘附履带，滚动轮通过滚动轮轴安装于机身框架两端，张紧机构包括张紧轮架、张紧弹簧、微型力传感器、张紧轮、套筒，套筒设于机身框架上表面，套筒上表面设有微型力传感器，张紧轮架包括轴伸和安装端，轴伸下端穿过微型力传感器和套筒，轴伸上套设有张紧弹簧，张紧弹簧设于微型力传感器和安装端之间，张紧轮通过张紧轮轴安装于安装端上，张紧轮和滚动轮通过粘附履带连接，还包括一设于机身框架上的驱动机构。本发明通过机器人机体输出一定切向位移和位姿角度，实现脚掌粘附、脱附和按压，帮助机器人在壁面上行走和停留。

Description

履带式仿生爬壁机器人脚掌结构及其运动方法

技术领域

本发明涉及仿生机器人领域，具体涉及一种履带式仿生爬壁机器人脚掌结构及其运动方法，主要应用于爬壁机器人中以实现不同倾角壁面的粘附、行走、停留以及越障功能。

背景技术

三维空间表面爬行机器人一直是机器人领域研究热点。利用爬壁机器人可以代替人类在陡峭的壁面上执行任务，例如摩天大楼外墙清洗、油气罐检修、核设施维护等。研究发现大壁虎脚趾表面生长有数百万根的微米级刚毛，每根刚毛顶端又有数千根纳米级绒毛。这些刚毛阵列与壁面间的范德华力(即分子间力)为大壁虎在壁面上粘附行走提供了支持。研究人员采用MEMS(微机电***)技术、NEMS(纳机电***)技术等，以PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PU(聚氨脂)等高聚物或者硅片等为基底，在表面加工出仿大壁虎脚趾表面微纳刚毛阵列，并将其装备在机器人上，使其获得三维空间表面爬行能力，有利于提高爬壁机器人爬壁能力，降低能耗、噪音等不利因素。在研究过程中还发现，某些高聚物，如硅胶等，其表面虽然未经过加工，但也具有一定粘附性，故经常被国内外的研究者用于测试机构的可行性。以上表面加工或者未加工过的粘附材料在使用前须要施加一定的法向压力以提高粘附强度，故又称“压力敏感粘附材料”(PressureSensitive Material)。

国内南京航空航天大学发明了一种机器人仿壁虎粘附脚趾，并提供了运动方法。该仿壁虎脚趾可适用于在光滑表面粘附的仿壁虎爬行机器人脚掌设计和运动实现中，能完全模拟大壁虎脚趾粘附阵列单方向较大的粘附力和反方向较小脱附力的各向异性力学特征。然而，该种脚趾刚度主要由弹簧和柔性材料决定，针对不同场合的自适应调整能力不强。美国斯坦福大学研制出四足爬壁机器人Stickybot，Stickybot每个足上有四片脚趾，通过内嵌钢丝实现脚趾翻起。可以在90°壁面上稳定粘附行走。然而，其结构较为复杂，并且运动范围有限。美国***梅隆大学研制出的Geckobot爬壁机器人、Four-bar爬壁机器人、Waalbot系列爬壁机器人等采用盘状脚掌作为粘附行走部件，通过直线运动或转动进行剥离或粘附动作。该类型脚掌材料力学性能固定，无法在壁面角度变化或外加载荷变化时进行自适应性调节以保持最佳粘附状态，避免粘附失效。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种履带式仿生爬壁机器人脚掌结构及其运动方法。该脚掌结构可以帮助仿生爬壁机器人在三维空间光滑表面粘附、行走。通过机器人机体输出旋转运动和切向运动可以实现在任意角度壁面停留，适应不同外加载荷和不同角度壁面。通过张紧机构可以进行粘附履带内部张力调整，调整剥离角度，适应外加载荷、壁面角度和壁面曲率变化。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种履带式仿生爬壁机器人脚掌结构，包括机身框架、滚动轮、张紧机构、粘附履带，所述滚动轮通过滚动轮轴安装于所述机身框架两端，所述张紧机构包括张紧轮架、张紧弹簧、微型力传感器、张紧轮、套筒，所述套筒设于所述机身框架上表面，所述套筒上表面设有所述微型力传感器，所述张紧轮架包括轴伸和安装端，所述轴伸下端穿过所述微型力传感器和套筒，所述轴伸上套设有张紧弹簧，所述张紧弹簧设于所述微型力传感器和安装端之间，所述张紧轮通过张紧轮轴安装于所述安装端上，所述张紧轮和滚动轮通过粘附履带连接，还包括一设于机身框架上的驱动机构。

所述套筒为固定于所述机身框架上表面的固定套筒。

所述套筒为设于所述机身框架上表面的升降套筒，所述升降套筒外侧面设有齿条，所述机身框架上设有一连接有张紧电机的驱动齿轮，所述驱动齿轮啮合所述升降套筒的齿条并驱动所述升降套筒升降。

所述驱动机构包括设于所述机身框架侧面的滑动槽，所述滑动槽内设有侧向滑动件，所述侧向滑动件两侧通过侧向弹簧安装于所述滑动槽内。

所述粘附履带由柔软橡胶平带外侧固定一层粘附材料制成。

一种履带式仿生爬壁机器人脚掌结构的运动方法，

(1)机器人机体通过控制侧向滑动件，向脚掌输出x-y平面内旋转和平移的运动指令，通过旋转运动，使脚掌两个滚动轮连线与壁面间呈一定位姿角度；

(2)处于悬空相的脚掌，机器人机体通过控制侧向滑动件，使脚掌前进方向的前滚动轮碰触壁面，随后将脚掌向前方平推，使前滚动轮向前滚动，并配合一定的位姿角度变化，在此过程中完成粘附履带与壁面的接触、粘附。在实现完全粘附之后，即进入支撑相；

(3)处于支撑相的脚掌，机器人机体通过控制侧向滑动件，使前进方向的后脚掌抬起、脱附；另外，当处于大倾角壁面或顶部壁面时，机器人机体通过侧向滑动件控制脚掌处于一定的位姿角度，并输出平行于壁面的往复运动；剥离端粘附履带以一定剥离角剥离时，剥离粘附力使非剥离端粘附履带进入非剥离端轮下缘时受到按压；然后，非剥离端变剥离端并提供预压力；往复运动前进；

(4)当遇到障碍时，可以采用抬起脚掌使粘附履带脱离附着面的方法，越过障碍或避开障碍。

(三)有益效果

本发明相比较于现有技术，具有如下有益效果：

(1)相对于传统爬壁机器人脚掌，将粘附履带结构作为粘附脚掌，仅需很小的法向按压力，即可通过输入切向位移实现粘附。

(2)单个粘附机构具有自我提供预压力作用。特别是在天花板等大倾角壁面，可以通过长时间对脚掌输出切向往复运动，实现机器人原地停留。而传统足式爬壁机器人，其悬空相的足在转化为支撑相时，需要依靠处于支撑相的足，通过机体提供预压力，容易粘附失效。

(3)张紧机构微型力传感器可以感受弹簧力大小，继而通过换算得出带张力大小，并实时反馈。

(4)侧向滑动件连接机体与脚掌，配合侧向弹簧，可以解决对角步态下爬壁机器人内部冗余力问题。

本方案的一种改进形式，张紧电机输出轴上固定驱动齿轮，与升降套筒上齿条啮合。张紧轮架与升降套筒之间有一直线运动副。升降套筒上端固定微型力传感器。微型力传感器与张紧轮架间安装张紧弹簧，可以传递力和位移。

在运动过程中，张紧电机转动，带动升降套筒上下运动，通过张紧弹簧传递力与运动，主动调整粘附履带内部张紧力，继而主动适应不同外加载荷、不同角度壁面或具有一定曲率壁面。通过机器人机体输出一定切向位移和位姿角度，实现脚掌粘附、脱附和按压，帮助机器人在壁面上行走和停留。通过张紧机构进行被动或主动调节，可以增加仿生爬壁机器人对外加载荷、多种角度壁面及一定曲率壁面的适应性。

附图说明

图1a为本发明的实施例一的结构示意图；

图1b为图1a的主视图；

图2a为本发明的实施例二的结构示意图；

图2b为图2a的主视图；

图2c为图2a的左视图；

图3a为本发明实施例二的履带式仿生爬壁机器人脚掌结构在平面上行进时，由悬空相落下并与壁面接触时的示意图；

图3b为图3a中与壁面完全接触、粘附时形成支撑相的示意图；

图3c为图3b中由支撑相变为悬空相时的示意图；

图4a为本发明实施例二的履带式仿生爬壁机器人脚掌结构停留在大角度倾角或者天花板表面时向右运动的示意图；

图4b为图4a中向左运动的示意图；

图5为本发明实施例二的履带式仿生爬壁机器人脚掌结构越过障碍的小意图；

图6为本发明实施例二的履带式仿生爬壁机器人脚掌结构在一定曲率表面行进运动时的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

如图1a和图1b所示的，一种履带式仿生爬壁机器人脚掌结构，包括机身框架1、滚动轮4、张紧机构、粘附履带10，所述滚动轮4通过滚动轮轴3安装于所述机身框架1两端，所述张紧机构包括张紧轮架5、张紧弹簧8、微型力传感器9、张紧轮7、套筒13，所述套筒1设于所述机身框架1上表面，所述套筒13上表面设有所述微型力传感器9，所述张紧轮架5包括轴伸52和安装端51，所述轴伸52下端穿过所述微型力传感器9和套筒13，所述轴伸52上套设有张紧弹簧8，所述张紧弹簧8设于所述微型力传感器9和安装端51之间，所述张紧轮7通过张紧轮轴6安装于所述安装端51上，所述张紧轮7和滚动轮4通过粘附履带10连接，还包括一设于机身框架1上的驱动机构。所述驱动机构由机器人机体带动，从而使脚掌结构运动。

所述套筒13为固定于所述机身框架1上表面的固定套筒。

所述驱动机构包括设于所述机身框架1侧面的滑动槽12，所述滑动槽12内设有侧向滑动件2，所述侧向滑动件2两侧通过侧向弹簧13安装于所述滑动槽12内。

所述粘附履带10由柔软橡胶平带外侧固定一层粘附材料制成。

实施例二

如图2a、图2b和图2c所示的，所述套筒13为设于所述机身框架1上表面的升降套筒，所述升降套筒外侧面设有齿条，所述机身框架1上设有一连接有张紧电机15的驱动齿轮14，所述驱动齿轮14啮合所述升降套筒的齿条并驱动所述升降套筒升降。

如图3a、图3b、图3c所示为防生爬壁机器人脚掌结构第二个实施例在平坦表面行进的运动方法。如图3a所示，机器人机体通过控制侧向活动件2，向脚掌输出x-y平面内旋转和平移的运动指令。通过旋转运动，使脚掌的两个滚动轮连线与壁面间呈一定位姿角度α。处于悬空相的脚掌，机器人机体通过控制侧向滑动件2，使脚掌右边滚动轮4下缘粘附材料碰触壁面，随后将脚掌向右方平推，使右边滚动轮4向右滚动。同时按一定规律改变α，保证右边滚动轮4下缘粘附材料受到按压。如图3b所示，最终实现粘附履带完全与壁面接触、粘附。如图3c所示，处于支撑相的脚掌，通过机器人机体输入x-y平面内旋转和平移运动，与壁面脱附。

图4a和图4b所示为仿生爬壁机器人脚掌结构第二个实施例辅助机器人机体在大倾角壁面或者天花板上停留时运动。机器人机体给予粘附机构一定位姿角度α，并输出平行于壁面的往复运动(x轴方向)。剥离端粘附履带以一定剥离角θ剥离时，产生的剥离粘附力Fpeeling使粘附履带10进入非剥离端滚动轮4下缘时受到按压力Fpreload，即为粘附履带10外侧面粘附材料提供了预压力，保证其具有一定的粘附力，进而为脚掌及机器人机体源源不断地提供粘附力。通过改变位姿角度α，往复运动速度、频率等，可以改变粘附履带粘附长度a和剥离角θ，从而适应不同的外加负载和壁面倾斜角度。通过张紧电机10输出转动，可以提升或降低升降套筒，继而通过张紧弹簧8传递力和位移到张紧轮架5，起到主动张紧或放松粘附履带10的作用，以此主动适应剥离粘附力造成的粘附履带10张力变化，从而适应不同壁面角度和外加负载。图4a为粘附机构平行壁面向右运动，图4b为粘附机构平行壁面向左运动。

图5所示为仿生爬壁机器人脚掌结构第二个实施例越过障碍示意图。机器人机体通过侧向滑动件2抬起粘附机构，直接越过障碍物100。

图6所示为仿生爬壁机器人脚掌结构第二个实施例在具有一定曲率光滑表面行进。通过张紧电机15转动，使张紧轮7下降，放松粘附履带10，使其适应具有一定曲率的光滑表面200，帮助脚掌在该种表面稳定粘附。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种履带式仿生爬壁机器人脚掌结构，其特征在于：包括机身框架、滚动轮、张紧机构、粘附履带，所述滚动轮通过滚动轮轴安装于所述机身框架两端，所述张紧机构包括张紧轮架、张紧弹簧、微型力传感器、张紧轮、套筒，所述套筒设于所述机身框架上表面，所述套筒上表面设有所述微型力传感器，所述张紧轮架包括轴伸和安装端，所述轴伸下端穿过所述微型力传感器和套筒，所述轴伸上套设有张紧弹簧，所述张紧弹簧设于所述微型力传感器和安装端之间，所述张紧轮通过张紧轮轴安装于所述安装端上，所述张紧轮和滚动轮通过粘附履带连接，还包括一设于机身框架上的驱动机构。

2.根据权利要求1所述的履带式仿生爬壁机器人脚掌结构，其特征在于：所述套筒为固定于所述机身框架上表面的固定套筒。

3.根据根据权利要求1所述的履带式仿生爬壁机器人脚掌结构，其特征在于：所述套筒为设于所述机身框架上表面的升降套筒，所述升降套筒外侧面设有齿条，所述机身框架上设有一连接有张紧电机的驱动齿轮，所述驱动齿轮啮合所述升降套筒的齿条并驱动所述升降套筒升降。

4.根据权利要求2或3所述的履带式仿生爬壁机器人脚掌结构，其特征在于：所述驱动机构包括设于所述机身框架侧面的滑动槽，所述滑动槽内设有侧向滑动件，所述侧向滑动件两侧通过侧向弹簧安装于所述滑动槽内。

5.根据权利要求4所述的履带式仿生爬壁机器人脚掌结构，其特征在于：所述粘附履带由柔软橡胶平带外侧固定一层粘附材料制成。

6.根据权利要求4所述的履带式仿生爬壁机器人脚掌结构的运动方法，其特征在于：

(1)机器人机体通过控制侧向滑动件，向脚掌输出x-y平面内旋转和平移的运动指令，通过旋转运动，使脚掌两个滚动轮连线与壁面间呈一定位姿角度；

(2)处于悬空相的脚掌，机器人机体通过控制侧向滑动件，使脚掌前进方向的前滚动轮碰触壁面，随后将脚掌向前方平推，使前滚动轮向前滚动，并配合一定的位姿角度变化，在此过程中完成粘附履带与壁面的接触、粘附。在实现完全粘附之后，即进入支撑相；

(3)处于支撑相的脚掌，机器人机体通过控制侧向滑动件，使前进方向的后脚掌抬起、脱附；另外，当处于大倾角壁面或顶部壁面时，机器人机体通过侧向滑动件控制脚掌处于一定的位姿角度，并输出平行于壁面的往复运动；剥离端粘附履带以一定剥离角剥离时，剥离粘附力使非剥离端粘附履带进入非剥离端轮下缘时受到按压；然后，非剥离端变剥离端并提供下压力；往复运动前进；

(4)当遇到障碍时，可以采用抬起脚掌使粘附履带脱离附着面的方法，越过障碍或避开障碍。

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