CN108001557B - 基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人，包括：身体上底板的中间两侧设置有向下伸出的横梁状结构；身体下底板的中间两侧设置有向上突起的翼状结构；可折叠式足部在平面折叠成盒状结构，且运动关节结构由盒状结构面与面之间的共用棱构成；单电机驱动机构包括单体直流电机和相应连接部件，用于驱动身体上底板与身体下底板发生相对圆周平动，以使机器人实现六足协同步态；足底板由三层板状结构和弹性缓冲结构组成。该机器人可以由两块底板和六条足部组成，且足部可以折叠而成，并通过单电机驱动实现六足协同步态，从而实现节能、减小体积的目的，有效提高爬壁机器人的实用性和适用性。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人。
背景技术
攀爬机器人在攀爬救援、航天器舱外行走等领域有着广泛的应用前景，但是，爬壁机器人的设计和应用方面有很大的缺陷。目前投入应用的爬壁机器人多数采用真空吸附，磁力吸附或者空气反推作用力的思路，能耗非常大，或是应用场合限制很大，例如在太空、非磁性材料表面无法使用。
另外，仿生学的思路具有很大的优越性，节省能耗，减少设计难度。但是，采用仿生方法的爬壁机器人体积都过于庞大，难以满足灵活性的场景需求。小型的爬壁机器人则能够同时满足灵活性和低耗能的需求，在太空、建筑物等多种场景中都得到应用，然而小型机器人加工难度大，制作成本低，有待解决。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人，该机器人可以实现节能、减小体积的目的，有效提高爬壁机器人的实用性和适用性。
为达到上述目的，本发明实施例提出了一种基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人，包括：身体上底板，所述身体上底板的中间两侧设置有向下伸出的横梁状结构；身体下底板，所述身体下底板的中间两侧设置有向上突起的翼状结构；可折叠式足部，所述可折叠式足部在平面折叠成盒状结构，且运动关节结构由所述盒状结构面与面之间的共用棱构成；单电机驱动机构，所述单电机驱动机构包括单体直流电机和相应连接部件，用于驱动所述身体上底板与所述身体下底板发生相对圆周平动，以使机器人实现六足协同步态；足底板结构，所述足底板由三层板状结构和弹性缓冲结构组成。
本发明实施例的基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人，可以由两块底板和六条足部组成，且足部可以折叠而成，并通过单电机驱动实现六足协同步态，从而有效减少零部件数量，有效减小了机器人体积和质量需求，大大降低了小型机器人的加工难度和制造成本，进而实现节能、减小体积的目的，有效提高爬壁机器人的实用性和适用性。
另外，根据本发明上述实施例的基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述横梁状结构与所述翼状结构用于使得所述机器人的身体中间部位的上下相对运动和身体前后反向运动。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述盒状结构的面在围绕所述共用棱进行角度小于180度的转动，且向垂直于侧面的方向投影，以便成为平行四边形连杆机构。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述单体直流电机可以通过非标准件的轴套和细杆连接到所述身体上底板上。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述细杆和所述身体上底板发生相对转动，其中，所述细杆和所述身体上底板的连接方式采用所述细杆和身体空洞间隙配合或者采用微型轴承。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述身体上底板的质心由所述单电机驱动结构驱动作圆周运动，而底板本身不发生转动。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述可折叠式足部包括六条足部，所述六条足部和所述身体下底板间利用小平面粘连，其中，所述小平面为所述盒状结构的外展部分。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述六条足部和所述身体上底板间利用长平面和所述小平面连接。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述足底的第一层板和足部连接，第一层板和第二层板间利用缓冲弹性结构连接，以改变高度差，并且第三层板为粘性材料，以便于附着。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述机器人的尺寸可以限制在100mm见方的空间内。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人的身体上底板的立体示意图；
图3为根据本发明一个实施例的基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人的身体下底板的立体示意图；
图4为根据本发明一个实施例的基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人的一条左侧足部立体示意图；
图5为根据本发明一个实施例的基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人运动时不同角度观察的立体示意图；
图6为根据本发明一个实施例的基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人的足部形状的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人。
图1是本发明实施例的基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人的结构示意图。
如图1所示，该基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人100人包括：身体上底板10、身体下底板20、可折叠式足部30、单电机驱动机构和足底板结构。
其中，身体上底板10的中间两侧设置有向下伸出的横梁状结构11。身体下底板20的中间两侧设置有向上突起的翼状结构21。可折叠式足部30在平面折叠成盒状结构，且运动关节结构由盒状结构面与面之间的共用棱构成。单电机驱动机构包括单体直流电机和相应连接部件，用于驱动身体上底板10与身体下底板20发生相对圆周平动，以使机器人实现六足协同步态。足底板由三层板状结构和弹性缓冲结构组成。本发明实施例的机器人100可以由两块底板和六条足部组成，且足部可以折叠而成，并通过单电机驱动实现六足协同步态，从而实现节能、减小体积的目的，有效提高爬壁机器人的实用性和适用性。
可以理解的是，本发明实施例可以通过单电机圆周运动输入实现仿昆虫六足协同步态，利用简化的机构有效减轻机器人质量，并且本发明实施例的机器人100的制造过程简单，可以实现由二维平面到三维空间的折叠，从而简化驱动模式和制造工艺，有效降低爬壁所需能量，体积足够小因而应用范围广泛，且具有很强的可扩展性。
进一步地，在本发明的一个实施例中，横梁状结构11与翼状结构21用于使得机器人的身体中间部位的上下相对运动和身体前后反向运动。
可以理解的是，如图1所示，本发明实施例的身体上下底板结构中，身体上底板10中间两侧有向下伸出的横梁状结构11，身体下底板20中间两侧有向上突起的翼状结构21，从而可以起到身体中间部位的上下相对运动和身体前后反向的目的，并且两块底板相对运动，可以实现身体其他部件的运动。
具体而言，如图2和图3所示，身体下底板20中间向上突起形成翼状结构21，和身体上底板10向下伸出的横梁类似，均可以起到差动的作用，也就是说，可以使得中间的足部和同一侧前后的足部运动方向完全相反。身体下底板20中间存在一个半开放式容器，为容纳电机的盒子，由杨氏模量较低的材料(如塑料)制作下底板时，可以使得容器有一定的弹性范围，紧紧包裹住电机。身体上底板10中间的开孔可以用作电机连接的接口，并且孔洞应足够光滑，从而可以使得连接轴和身体上底板10之间能够发生转动，确保身体上底板10的平动。
进一步地，在本发明的一个实施例中，盒状结构的面在围绕共用棱进行角度小于180度的转动，且向垂直于侧面的方向投影，以便成为平行四边形连杆机构。
也就是说，本发明实施例的盒状结构的面可以在围绕共用棱进行角度小于180度的转动，向垂直于侧面的方向投影，盒状结构的投影便成为平行四边形连杆机构。
具体地，如图4所示，可折叠式足部30可以轻易展开成为类似长方体的盒子，且在实际制造中，可折叠式足部30可以由较薄但强度较好的材料(如玻璃纤维复合材料)制成，并在需要折叠的棱边处雕刻出沟道，在需要转动的另一侧附着上薄膜(例如PET(polyethylene glycol terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)膜)，因此足部可以在空间中折叠，且沟道成为棱边，并靠薄膜进行连接，从而可以实现足部在三维空间中的变型。另外，足部结构垂直于足部盒状结构的侧面投影，实际可以成为平行四边形连杆机构。
进一步地，在本发明的一个实施例中，可折叠式足部30包括六条足部，六条足部和身体下底板20间利用小平面粘连，其中，小平面为盒状结构的外展部分。
可选地，在本发明的一个实施例中，六条足部和身体上底板10间利用长平面和小平面连接。
可以理解的是，身体上底板10和身体下底板20不直接接触，而是由足部将二者连接，本发明实施例可以利用小平面粘连六条足部和身体下底板20，并利用一个长平面和一个小平面连接六条足部和身体上底板10，其中，小平面起到粘连的作用，小平面为盒状结构的外展部分。
进一步地，在本发明的一个实施例中，单体直流电机通过非标准件的轴套和细杆连接到身体上底板10上。
也就是说，单体直流电机可以为单个小型直流电机，小型直流电机可以通过非标准件的轴套和细杆连接到身体上底板10上。
可选地，在本发明的一个实施例中，细杆和身体上底板10发生相对转动，其中，细杆和身体上底板10的连接方式采用细杆和身体空洞间隙配合或者采用微型轴承。
也就是说，本发明实施例的细杆和身体上底板10会发生相对转动，其连接方式可以采用细杆和身体空洞间隙配合，也可以采用微型轴承。
进一步地，在本发明的一个实施例中，身体上底板10的质心由单电机驱动结构驱动作圆周运动，而底板本身不发生转动。
可以理解的是，如图5所示，在运动过程中，身体上底板10和身体下底板20的主要棱边始终保持平行，只有质心发生相对圆周运动，即身体上底板10相对于身体下底板20进行圆周的平动。
举例而言，如图5所示，假设电机逆时针转动(或者也可顺时针操作，工作方法相同)，第一种情况，由图5中a所示(其中，a为仰向视图)，当身体上底板10的质心运行(其中，图中的小圆圈即为质心)到前半圆周时，由于身体上底板10上体下底板和20的相对运动，足部31、足部33和足部35向前摆动，而足部32、足部34和足部36向后摆动；由图5中b所示，当身体上底板10的质心运行到后半圆周时，两组足部运动方向反转。第二种情况，由图5中c所示(其中，c为后向视图)，当身体上底板10的质心运行到身体下底板20左侧时，足部31、足部33和足部35向下按压，而足部32、足部34和足部36向上抬起，此时的状态在实际运动中即为脱离地面的状态；由图5中d所示，当身体上底板10的质心运行到身体下底板20右侧时，两组足部运动方向反转。综合以上两种情况，当身体上底板10质心运行到身体下底板20的左半圆周时，足部31、足部33和足部35这一组足部接触地面，由于顺时针运动，这三条足部的位置均向后摆动，也就是说，足部31、足部33和足部35在此时的动作为向后方按压，因此地面(墙面)为机器人提供了向前进的摩擦力，而在另一半圆周，则由足部32、足部34和足部36这组足部受地面摩擦力作用。
进一步地，在发明的一个实施例中，足底的第一层板和足部连接，第一层板和第二层板间利用缓冲弹性结构连接，以改变高度差，并且第三层板为粘性材料，以便于附着。
可以理解的是，如图6所示，本发明实施例可以采用弹性材料制作，使得足底在受到压力时可以张开成为平面，扩大第三层粘附材料和爬行表面的接触面积，增大粘附力，并当压力减小时，该结构重新拱起，减小接触面积，使得机器人足部可以迅速脱附。其中，图6中的结构安装在足部的末端，成为足底。
可选地，在发明的一个实施例中，机器人的尺寸可以限制在100mm见方的空间内。其中，关于机器人的具体尺寸，本领域的技术人员可以根据实际需求进行设置，在此不做具体限定。
需要说明的是，本发明实施例的机器人100也可以在设计上进行一定改动，进行一些扩展，例如，针对单自由度仿生爬壁机器人不能转弯的特点，可以利用两侧添加金属记忆合金牵引线的方式诱导机器人转弯，但依然采用单电机六足步态驱动的方式；机器人足底结构具体构造可以发生一定改变，不采用三层结构而采用其他数量、仍可以使足底起到粘附功能的层数；或者不采用粘附材料，而直接使用本发明实施例的驱动结构实现在其他位置如水平面的爬行。本领域的技术人员可以根据具体情况进行改动和扩展，在此不做具体限定。
根据本发明实施例提出的基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人，可以由两块底板和六条足部组成，且足部可以折叠而成，并通过单电机驱动实现六足协同步态，从而有效减少零部件数量，有效减小了机器人体积和质量需求，大大降低了小型机器人的加工难度和制造成本，进而实现节能、减小体积的目的，有效提高爬壁机器人的实用性和适用性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人，其特征在于，包括：
身体上底板，所述身体上底板的中间两侧设置有向下伸出的横梁状结构；
身体下底板，所述身体下底板的中间两侧设置有向上突起的翼状结构；
可折叠式足部，所述可折叠式足部在平面折叠成盒状结构，且运动关节结构由所述盒状结构面与面之间的共用棱构成；
单电机驱动机构，所述单电机驱动机构包括单体直流电机和相应连接部件，用于驱动所述身体上底板与所述身体下底板发生相对圆周平动，以使机器人实现六足协同步态，其中，所述横梁状结构与所述翼状结构用于使得所述机器人的身体中间部位的上下相对运动和身体前后反向运动，进而使得身体中间部位的足部和同一侧前后的足部运动方向完全相反；以及
足底板结构，所述足底板由三层板状结构和弹性缓冲结构组成。
2.根据权利要求1所述的基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人，其特征在于，所述盒状结构的面在围绕所述共用棱进行角度小于180度的转动，且向垂直于侧面的方向投影，以便成为平行四边形连杆机构。
3.根据权利要求1所述的基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人，其特征在于，所述单体直流电机通过非标准件的轴套和细杆连接到所述身体上底板上。
4.根据权利要求3所述的基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人，其特征在于，所述细杆和所述身体上底板发生相对转动，其中，所述细杆和所述身体上底板的连接方式采用所述细杆和身体空洞间隙配合或者采用微型轴承。
5.根据权利要求1所述的基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人，其特征在于，所述身体上底板的质心由所述单电机驱动结构驱动作圆周运动，而底板本身不发生转动。
6.根据权利要求1所述的基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人，其特征在于，所述可折叠式足部包括六条足部，所述六条足部和所述身体下底板间利用小平面粘连，其中，所述小平面为所述盒状结构的外展部分。
7.根据权利要求6所述的基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人，其特征在于，所述六条足部和所述身体上底板间利用长平面和所述小平面连接。
8.根据权利要求1所述的基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人，其特征在于，所述足底的第一层板和足部连接，第一层板和第二层板间利用缓冲弹性结构连接，以改变高度差，并且第三层板为粘性材料，以便于附着。
9.根据权利要求1-8任一项所述的基于昆虫三角步态的仿生爬壁机器人，其特征在于，所述机器人的尺寸限制在100mm见方的空间内。
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