CN108438080A - 一种具有随形能力的柔性附着机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有随形能力的柔性附着机构，包括控制单元、线驱动单元及其辅助结构和附着仿生机构单元，所述控制单元采用单片机以及若干开关，控制线驱动单元及其辅助机构，最终控制附着仿生机构单元实现功能；单片机通过动态扫描开关的状态从而判定机构是否工作，分别控制推拉式电磁铁和连接有槽轮的电机；推拉式电磁铁的分合以及电机的转动，都直接改变与之连接的钢丝绳的状态，带动附着仿生机构单元做相应的运动。本发明具有工作稳定性好，工作附着力大并且能够适应一定地形环境的特点。同时，机构还可以作为一个开放的平台，进行相应的改进，可以增加机器人末端执行器，让其功能更加丰富。

Description

一种具有随形能力的柔性附着机构

技术领域

本发明涉及一种具有随形能力的柔性附着机构，属于机器人领域。

背景技术

机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，被广泛地应用在社会的各个领域。由于传统机器人的工作局限性，各种用途的特种机器人纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。大自然一直是人类发明家和工程师们取之不尽、用之不竭的灵感之源。研究者已经根据象鼻、章鱼触手以及蛇等生物体结构，研制了多种仿生机器人，例如Festo公司的仿象鼻柔性机械臂、OC Robotics 公司的蛇形机器人、Vanderbilt大学的多脊柱蛇形机器人等。目前，基于爪刺的附着机构，如Stanford大学的SpinybotII机器人、BostonDynamics的Rise系列机器人，只能在平面上移动，在复杂表面的随形附着较差。本发明提出的附着仿生机构沿着圆周布置，加上独特的线驱动机构，能够实现抓握动作，大大提升了爪刺的附着概率及整机的随形能力。

发明内容

本发明克服已有技术的不足，提出了一种具有随形能力的柔性附着机构，其具有工作稳定性好，工作附着力大并且能够适应一定地形环境的特点。同时，机构还可以作为一个开放的平台，进行相应的改进，可以增加机器人末端执行器，让其功能更加丰富。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种具有随形能力的柔性附着机构，包括控制单元、线驱动单元及其辅助结构和附着仿生机构单元，所述控制单元采用单片机以及若干开关，控制线驱动单元及其辅助机构，最终控制附着仿生机构单元实现功能；单片机通过动态扫描开关的状态从而判定机构是否工作，分别控制推拉式电磁铁和连接有槽轮的电机；推拉式电磁铁的分合以及电机的转动，都直接改变与之连接的钢丝绳的状态，带动附着仿生机构单元做相应的运动。

所述线驱动单元及其辅助结构包括内提升机构，外提升机构以及提升辅助结构；所述内提升机构包括槽轮、电机、内筒、下接圈、光轴、直线轴承、定位轴承、电机架、轴承板、带孔螺栓、内提升环、第一带孔螺钉、第一弹簧；所述电机固定在电机架上，电机架固定在轴承板上，所述电机的输出轴固定槽轮，槽轮为曳引轮，连接有钢丝绳，钢丝绳的另一端穿过带孔螺栓固定在第一带孔螺钉上，第一带孔螺钉以内提升环圆心为中心，均匀分布固定在内提升环上，每个第一带孔螺钉上都挂着第一弹簧，第一弹簧上连接有从V型槽轴承中绕出的钢丝绳；内提升环上固定有两个直线轴承，两个直线轴承能够分别沿两个光轴滑动，光轴的两端分别和定位轴承配合，一端的定位轴承固定在内筒上，另外一端的定位轴承固定在轴承板上，轴承板通过第一螺栓和内筒连接，下接圈固定在内筒底部；所述外提升机构包括外提升环、第二带孔螺钉、第二弹簧、推拉式电磁铁，所述外提升环和内筒之间有空隙，外提升环上绕其中心均匀分布第二带孔螺钉；推拉式电磁铁通过第二螺栓连接外提升环连接，其上端设有第二弹簧，下端带有螺纹通过螺母连接在内筒上；所述提升辅助结构包括轴套、销轴和V型槽轴承，V型槽轴承通过销轴和连接体连接，在轴承两侧有轴套进行轴向定位，固定在第三带孔螺钉上的钢丝绳绕过V型槽轴承与内提升机构中内提升环上的第一弹簧连接；外提升机构中外提升环上第二带孔螺钉连接有钢丝绳，钢丝绳的另外一端和转轴连接体上第四带孔螺钉以及销轴中间位置连接。

所述附着仿生机构单元包括4个爪刺单元、若干连接件和相应的弹性元件，所述爪刺单元通过三个销轴和爪板相连接，其中爪板前端的第一销轴能在爪刺单元的滑槽中移动；爪板和滑轴通过固定螺钉连接，滑轴上套有第三弹簧，滑轴穿过转轴连接体，和转轴连接体是间隙配合，能在转轴连接体中滑动，第三带孔螺钉连接在滑轴的另外一端；转轴连接体上设有第四带孔螺钉，转轴连接体通过第四销轴和连接件连接，第四销轴与转轴连接体之间为间隙配合，与连接件之间为过盈配合；转轴连接体和连接件之间有扭簧，扭簧的一脚插在转轴连接体上的孔中，另外一脚通过扭簧压板和自攻螺钉固定在连接件上，连接件固定在下接圈上；钢丝绳固连在转轴连接体上的第四带孔螺钉和滑轴上的第三带孔螺钉以及第二销轴中间，以保证附着仿生机构单元的姿态。

所述爪刺单元包括钢钉、带钩弹簧、螺钉以及前构件和后构件，所述的前构件上通过过盈配合，将三个钢钉卡在固定槽中；前构件和后构件上都有耳板，耳板内有螺纹，前构件和后构件之间有一对带钩弹簧，螺钉穿过带钩弹簧的钩子将其固定在耳板上。

本发明一种具有随形能力的柔性附着机构的控制方法如下，其附着过程为：当控制单元中的89C52单片机扫描到开关闭合，则先控制线驱动单元及其辅助机构中的推拉式电磁铁断电，附着仿生机构单元被放下。在设定的时间后，控制电机转动，并在达到设定位置后电机停止转动。此时，钢丝绳带动内提升环上升并最终带动附着仿生机构单元中的滑轴在转轴连接体中滑动。各个爪刺单元独立工作，若已经附着在工作表面则爪刺单元中的带钩弹簧伸长；若未附着，则爪刺单元跟随滑轴运动直至附着。其放松过程为：控制单元扫描到开关断开，则驱动电机反转，内提升环放下，在滑轴上第三弹簧的作用下，附着仿生机构单元恢复到初始位置，爪刺单元的带钩弹簧恢复。经过设定时间后，推拉式电磁铁通电，附着仿生机构单元提升。

本发明与现有技术相比较，具有以下突出实质性特点和显著优点：

1.本发明驱动采用线拉伸驱动，一个原动机就可以控制多个附着仿生机构单元同步运动，质量小、成本低。

2.本发明模拟高攀爬能力生物设计的附着仿生机构单元，具有可靠性高，附着力大，工作稳定的特点。

3.本发明提供一个开放的平台，可以安装多种探测设备，且可以根据具体的工作环境增减附着仿生机构的数量或者改变机构的尺寸，具有高开放性、较高的科研价值。

附图说明

图1是一种具有随形能力的柔性附着机构的总体结构示意图。

图2是线驱动单元及其辅助结构和附着仿生机构单元的结构示意图。

图3是本发明的附着仿生机构单元总体结构示意图。

图4是本发明的爪刺单元结构示意图。

图5是本发明内提升机构和外提升机构的总体结构示意图。

图6是本发明内提升机构内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细说明本发明实施例的具体结构、工作原理及工作过程。

如图1和图2所示，一种具有随形能力的柔性附着机构，包括控制单元Ⅰ、线驱动单元及其辅助结构Ⅱ和附着仿生机构单元Ⅲ，所述控制单元Ⅰ采用单片机以及若干开关，控制线驱动单元及其辅助机构Ⅱ，最终控制附着仿生机构单元Ⅲ实现功能；单片机通过动态扫描开关的状态从而判定机构是否工作，分别控制推拉式电磁铁32和连接有槽轮25的电机28；推拉式电磁铁32的分合以及电机28的转动，都直接改变与之连接的钢丝绳3的状态，带动附着仿生机构单元Ⅲ做相应的运动。

如图5和图6所示，所述线驱动单元及其辅助结构Ⅱ包括内提升机构1，外提升机构2以及提升辅助结构；所述内提升机构1包括槽轮25、电机28、内筒29、下接圈33、光轴35、直线轴承36、定位轴承37、电机架38、轴承板39、带孔螺栓40、内提升环41、第一带孔螺钉42、第一弹簧43；所述电机28固定在电机架38上，电机架38固定在轴承板39上，所述电机28的输出轴固定槽轮25，槽轮25为曳引轮，连接有钢丝绳3，钢丝绳3的另一端穿过带孔螺栓40固定在第一带孔螺钉42上，第一带孔螺钉42以内提升环41圆心为中心，均匀分布固定在内提升环41上，每个第一带孔螺钉42上都挂着第一弹簧43，第一弹簧43上连接有从V型槽轴承13中绕出的钢丝绳3；内提升环41上固定有两个直线轴承36，两个直线轴承36能够分别沿两个光轴35滑动，光轴35的两端分别和定位轴承37配合，一端的定位轴承37固定在内筒29上，另外一端的定位轴承37固定在轴承板39上，轴承板39通过第一螺栓34和内筒29连接，下接圈33固定在内筒29底部；所述外提升机构2包括外提升环26、第二带孔螺钉27、第二弹簧31、推拉式电磁铁32，所述外提升环26和内筒29之间有空隙，外提升环26上绕其中心均匀分布第二带孔螺钉27；推拉式电磁铁32通过第二螺栓30连接外提升环26连接，其上端设有第二弹簧31，下端带有螺纹通过螺母连接在内筒29上；所述提升辅助结构包括轴套14、销轴12和V型槽轴承13，V型槽轴承13通过销轴12和连接体15连接，在轴承13两侧有轴套14进行轴向定位，固定在第三带孔螺钉16-1上的钢丝绳3绕过V型槽轴承13与内提升机构1中内提升环41上的第一弹簧43连接；外提升机构2中外提升环26上第二带孔螺钉27连接有钢丝绳3，钢丝绳3的另外一端和转轴连接体8上第四带孔螺钉16-2以及销轴4-2中间位置连接。

如图3所示，所述附着仿生机构单元Ⅲ包括4个爪刺单元18、若干连接件和相应的弹性元件，所述爪刺单元18通过三个销轴和爪板5相连接，其中爪板5前端的第一销轴4-1能在爪刺单元18的滑槽19-1中移动；爪板5和滑轴17通过固定螺钉6连接，滑轴17上套有第三弹簧7，滑轴17穿过转轴连接体8，和转轴连接体8是间隙配合，能在转轴连接体8中滑动，第三带孔螺钉16-1连接在滑轴17的另外一端；转轴连接体8上设有第四带孔螺钉16-2，转轴连接体8通过第四销轴4-4和连接件15连接，第四销轴4-4与转轴连接体8之间为间隙配合，与连接件15之间为过盈配合；转轴连接体8和连接件15之间有扭簧9，扭簧9的一脚插在转轴连接体8上的孔中，另外一脚通过扭簧压板11和自攻螺钉10固定在连接件15上，连接件15固定在下接圈33上；钢丝绳3固连在转轴连接体8上的第四带孔螺钉16-2和滑轴17上的第三带孔螺钉16-1以及第二销轴4-2中间，以保证附着仿生机构单元Ⅲ的姿态。

如图4所示，所述爪刺单元18包括钢钉21、带钩弹簧22、螺钉24以及前构件20和后构件23，所述的前构件20上通过过盈配合，将三个钢钉21卡在固定槽中；前构件20和后构件23上都有耳板，耳板内有螺纹，前构件20和后构件23之间有一对带钩弹簧22，螺钉24穿过带钩弹簧22的钩子将其固定在耳板上。

本发明装置的工作过程如下：

假设未附着状态为初始状态，则此时推拉式电磁铁32为通电状态，附着仿生机构单元Ⅲ为升起状态，内提升环41位于内筒29下端。推拉式电磁铁32断电，在第二弹簧31和重力的作用下，外提升环26沿着内筒29外壁下降，附着仿生机构单元Ⅲ被放下。经过设定的时间后，电机28开始旋转，通过钢丝绳3将内提升环41拉升至设定的最高位置。此时，通过内提升机构1中的第一弹簧43上的钢丝绳3传动，带动滑轴17移动，滑轴17上第三弹簧7压缩。此时，单个附着仿生机构单元Ⅲ中的爪刺单元18若已经附着在地面上则爪刺单元18中的带钩弹簧22拉伸，若未附着则爪刺单元18被滑轴17带动直至附着到地面。上述过程为附着过程。附着过程结束回到初始状态的放松过程如下：电机28反转到内筒29下端位置，则连接在内提升机构1中的第一弹簧43上的钢丝绳3放松，滑轴17上第三弹簧7恢复，将爪板5向外推，附着的爪刺单元18被放松。在设定的时间后，推拉式电磁铁32通电，附着仿生机构单元Ⅲ升起。

本实施例中，一个附着机构由15个附着仿生机构单元Ⅲ组成，通过改变每个附着仿生机构单元Ⅲ上2条驱动线的状态，实现附着机构与作业面的附着和分离。整个附着机构只有2个驱动器，每个驱动器可以使得15个附着仿生机构单元Ⅲ发生相同的位姿变化。相比传统的附着机构，本发明能够提供更大的附着力，最有更好的地形适应性，具有较高的科研价值。

Claims (4)

1.一种具有随形能力的柔性附着机构，包括控制单元（Ⅰ）、线驱动单元及其辅助结构（Ⅱ）和附着仿生机构单元（Ⅲ），其特征在于：所述控制单元（Ⅰ）采用单片机以及若干开关，控制线驱动单元及其辅助机构（Ⅱ），最终控制附着仿生机构单元（Ⅲ）实现功能；单片机通过动态扫描开关的状态从而判定机构是否工作，分别控制推拉式电磁铁（32）和连接有槽轮（25）的电机（28）；推拉式电磁铁（32）的分合以及电机（28）的转动，都直接改变与之连接的钢丝绳（3）的状态，带动附着仿生机构单元（Ⅲ）做相应的运动。

2.根据权利要求1所述的具有随形能力的柔性附着机构，其特征在于：所述线驱动单元及其辅助结构（Ⅱ）包括内提升机构（1），外提升机构（2）以及提升辅助结构；所述内提升机构（1）包括槽轮（25）、电机（28）、内筒（29）、下接圈（33）、光轴（35）、直线轴承（36）、定位轴承（37）、电机架（38）、轴承板（39）、带孔螺栓（40）、内提升环（41）、第一带孔螺钉（42）、第一弹簧（43）；所述电机（28）固定在电机架（38）上，电机架（38）固定在轴承板（39）上，所述电机（28）的输出轴固定槽轮（25），槽轮（25）为曳引轮，连接有钢丝绳（3），钢丝绳（3）的另一端穿过带孔螺栓（40）固定在第一带孔螺钉（42）上，第一带孔螺钉（42）以内提升环（41）圆心为中心，均匀分布固定在内提升环（41）上，每个第一带孔螺钉（42）上都挂着第一弹簧（43），第一弹簧（43）上连接有从V型槽轴承（13）中绕出的钢丝绳（3）；内提升环（41）上固定有两个直线轴承（36），两个直线轴承（36）能够分别沿两个光轴（35）滑动，光轴（35）的两端分别和定位轴承（37）配合，一端的定位轴承（37）固定在内筒（29）上，另外一端的定位轴承（37）固定在轴承板（39）上，轴承板（39）通过第一螺栓（34）和内筒（29）连接，下接圈（33）固定在内筒（29）底部；所述外提升机构（2）包括外提升环（26）、第二带孔螺钉（27）、第二弹簧（31）、推拉式电磁铁（32），所述外提升环（26）和内筒（29）之间有空隙，外提升环（26）上绕其中心均匀分布第二带孔螺钉（27）；推拉式电磁铁（32）通过第二螺栓（30）连接外提升环（26）连接，其上端设有第二弹簧（31），下端带有螺纹通过螺母连接在内筒（29）上；所述提升辅助结构包括轴套（14）、销轴（12）和V型槽轴承（13），V型槽轴承（13）通过销轴（12）和连接体（15）连接，在轴承（13）两侧有轴套（14）进行轴向定位，固定在第三带孔螺钉（16-1）上的钢丝绳（3）绕过V型槽轴承（13）与内提升机构（1）中内提升环（41）上的第一弹簧（43）连接；外提升机构（2）中外提升环（26）上第二带孔螺钉（27）连接有钢丝绳（3），钢丝绳（3）的另外一端和转轴连接体（8）上第四带孔螺钉（16-2）以及销轴（4-2）中间位置连接。

3.根据权利要求1所述的具有随形能力的柔性附着机构，其特征在于：所述附着仿生机构单元（Ⅲ）包括4个爪刺单元（18）、若干连接件和相应的弹性元件，所述爪刺单元（18）通过三个销轴和爪板（5）相连接，其中爪板（5）前端的第一销轴（4-1）能在爪刺单元（18）的滑槽（19-1）中移动；爪板（5）和滑轴（17）通过固定螺钉（6）连接，滑轴（17）上套有第三弹簧（7），滑轴（17）穿过转轴连接体（8），和转轴连接体（8）是间隙配合，能在转轴连接体（8）中滑动，第三带孔螺钉（16-1）连接在滑轴（17）的另外一端；转轴连接体（8）上设有第四带孔螺钉（16-2），转轴连接体（8）通过第四销轴（4-4）和连接件（15）连接，第四销轴（4-4）与转轴连接体（8）之间为间隙配合，与连接件（15）之间为过盈配合；转轴连接体（8）和连接件（15）之间有扭簧（9），扭簧（9）的一脚插在转轴连接体（8）上的孔中，另外一脚通过扭簧压板（11）和自攻螺钉（10）固定在连接件（15）上，连接件（15）固定在下接圈（33）上；钢丝绳（3）固连在转轴连接体（8）上的第四带孔螺钉（16-2）和滑轴（17）上的第三带孔螺钉（16-1）以及第二销轴（4-2）中间，以保证附着仿生机构单元（Ⅲ）的姿态。

4.根据权利要求3所述的具有随形能力的柔性附着机构，其特征在于：所述爪刺单元（18）包括钢钉（21）、带钩弹簧（22）、螺钉（24）以及前构件（20）和后构件（23），所述的前构件（20）上通过过盈配合，将三个钢钉（21）卡在固定槽中；前构件（20）和后构件（23）上都有耳板，耳板内有螺纹，前构件（20）和后构件（23）之间有一对带钩弹簧（22），螺钉（24）穿过带钩弹簧（22）的钩子将其固定在耳板上。