CN112519904A - 一种仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构 - Google Patents

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刘震宇
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狄杰建
梁旭
苏婷婷
黄灿
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Abstract

本发明公开了一种仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构，包括骨架板、电机组件、转筒、定滑轮组件、导轨组件、推板、连杆、大带轮、小带轮、镂空履带和钩刺单元。相比于现有技术，本发明通过模仿猫科动物脚掌钩刺的伸缩运动原理，设计出基于曲柄滑块方式的尖刺推动运动机构，配合阵列布置在镂空履带上的可伸缩尖刺，再与本体机械连接，以一定角度前行，能够提供更大的攀附力。

Description

一种仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构
技术领域
本发明涉及攀附机构技术领域，特别是涉及一种仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构。
背景技术
表面攀爬机器人***在大型设施表面检测、表面清理、表面涂覆、重大设施的故障诊断、故障预警、状态维护等方面具有重要的应用前景，是代替工作人员在复杂、危险、狭窄、污染等环境中完成作业任务的重要工具。在自然/人工环境中，建筑设施和重大装备的表面材料性质不同、表面形貌各异、环境湿度有别、表面附着物(紧致/松散、粘黏性、湿滑性等)状态纷繁复杂，给攀爬机器人的稳定可靠攀附和移动作业，提出了很大的技术挑战。
针对固体表面攀附移动机器人***，国内外已经开展了较多研究。以往针对平整表面攀爬任务，关于仿壁虎机器人的研究受到关注(如斯坦福大学的“黏虫”Stickybot和南京航空航天大学授权公告号CN105128971A)，但是仿壁虎脚掌需要具备自清洁能力，给仿生机器人设计制造和应用带来一定困难；关于在一般粗糙固体表面的攀爬任务，仿猫科动物脚掌结构的研究较多，但是已有仿生可伸缩机构设计通常采用气动方式，并基于微机械***制造工艺，结构复杂、制造困难，同时这类勾爪式攀附机构通常用于多腿仿生攀爬机器人***，机器人的运动灵活性和攀爬运动效率不高。
发明内容
本发明的目的是提供一种仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构，通过模仿猫科动物脚掌钩刺的伸缩运动原理，改善钩刺式攀附机构的运动效率、提高履带式移动机器人***的攀附力稳定性和带载移动能力。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明公开了一种仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构，包括骨架板、电机组件、转筒、定滑轮组件、导轨组件、推板、连杆、大带轮、小带轮、镂空履带和钩刺单元；
所述电机组件固定安装于所述骨架板上；所述转筒与所述电机组件相连，所述电机组件驱动所述转筒旋转；所述定滑轮组件安装于所述骨架板上，且位于所述导轨组件的两侧，所述导轨组件的上部边缘嵌入所述定滑轮组件的轮槽内，所述定滑轮组件用于使所述导轨组件做直线运动；所述推板安装于所述导轨组件的下部；所述连杆的一端与所述转筒转动连接，所述连杆的另一端与所述推板转动连接；所述大带轮与所述小带轮转动安装于所述骨架板上，所述大带轮位于所述骨架板的攀附侧；所述镂空履带套在所述大带轮、所述小带轮形成的整体结构的外侧；所述钩刺单元位于所述镂空履带的内侧，所述钩刺单元包括推动件、固定件、尖刺、压缩弹簧和空心铆钉，所述固定件固定于所述镂空履带上，所述固定件套设于所述推动件外侧，所述尖刺的一端与所述推动件固定相连，所述尖刺的另一端穿过所述空心铆钉，所述压缩弹簧套设于所述尖刺外侧且两端分别与所述空心铆钉、所述推动件相连；在所述电机组件的驱动下，所述连杆能够推动所述导轨组件向攀附侧运动或远离攀附侧，所述导轨组件能够将所述推动件与所述尖刺向外推出，使所述尖刺伸出所述镂空履带，所述导轨组件收回时，所述尖刺收回所述镂空履带内侧。
优选地，所述钩刺单元还包括微型轴承和固定轴，所述固定轴固定于所述推动件的靠近所述导轨组件的一端，所述微型轴承安装于所述固定轴上，所述微型轴承用于和所述导轨组件滚动接触。
优选地，所述尖刺为短跑鞋钉，所述尖刺与所述推动件螺纹连接。
优选地，所述定滑轮组件呈矩形分布。
优选地，还包括约束板，所述约束板固定于所述导轨组件的上部，所述导轨组件沿直线运动时具有两个极限位置，在两个极限位置均通过所述约束板与所述定滑轮组件的接触对所述导轨组件限位。
优选地，所述小带轮为两个，且转动安装于小轮心轴上，所述小轮心轴固定于所述骨架板上；所述大带轮为两个，且分别安装于大轮转动轴和大轮输入轴上，所述大轮转动轮轴和所述大轮输入轴均转动安装于轴承套上，所述轴承套固定于所述骨架板上。
优选地，所述小轮心轴通过连杆组件与机器人本体相连，所述大轮输入轴通过万向联轴器与所述机器人本体相连。
优选地，还包括法兰连接轴，所述法兰连接轴固定于所述骨架板上，所述法兰连接轴、所述大轮转动轴和所述大轮输入轴的连线为直线，所述法兰连接轴通过连杆组件与所述机器人本体相连。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明通过模仿猫科动物脚掌钩刺的伸缩运动原理，改善钩刺式攀附机构的运动效率、提高履带式移动机器人***的攀附力稳定性和带载移动能力；本发明；本发明的微型轴承用于和导轨凹槽的槽底滚动接触，减小推动件和导轨之间的摩擦力，改善该攀附机构在运动过程中的能效性，保证尖刺沿履带圆周分布的结构稳定性，从而保证该攀附机构的工作可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构外侧的结构示意图；
图2为本实施例仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构内侧的结构示意图；
图3为钩刺单元的结构示意图；
图4为钩刺单元的半剖视图；
图5为本实施例仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构与机器人本体的连接关系示意图；
图6为导轨组件与微型轴承在非接触状态下的位置关系示意图；
附图标记说明：001-仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构；002-万向联轴器；003-连杆组件；004-机器人本体；1-钩刺单元；2-导轨；3-推板；4-连杆；5-定滑轮组件；6-镂空履带；7-骨架板；8-电机组件；9-转筒；10-小带轮；11-大带轮；12-大轮转动轴；13-法兰连接轴；14-小轮心轴；15-大轮输入轴；16-轴承套；17-约束板；101-推动件、102-微型轴承、103-固定轴、104-固定件；105-尖刺；106-压缩弹簧；107-空心铆钉；201-导轨凹槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构，通过模仿猫科动物脚掌钩刺的伸缩运动原理，改善钩刺式攀附机构的运动效率、提高履带式移动机器人***的攀附力稳定性和带载移动能力。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-6所示，本实施例提供一种仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构，包括钩刺单元1、导轨组件2、推板3、连杆4、定滑轮组件5、镂空履带6、骨架板7、电机组件8、转筒9、小带轮10和大带轮11。
其中，电机组件8固定安装于骨架板7上，包括电机和电机固定架，电机安装于电机固定架内，电机固定架固定于骨架板7上。转筒9与电机的输出轴固定相连，电机驱动转筒9旋转。定滑轮组件5安装于骨架板7上，包括定滑轮支架和定滑轮，定滑轮转动安装于定滑轮支架上，定滑轮支架固定于骨架板7上。定滑轮组件5为多个，且位于导轨组件2的两侧。本实施例中，定滑轮组件5为四个且呈矩形分布。导轨组件2的上部边缘嵌入定滑轮的轮槽内，推板3安装于导轨组件2的下部。通过轮槽对导轨组件2进行导向，使导轨组件2做直线运动。连杆4的一端与转筒9转动连接，连杆4的另一端与推板3转动连接。大带轮11与小带轮10转动安装于骨架板7上，大带轮11位于骨架板7的攀附侧，镂空履带6套在大带轮11、小带轮10形成的整体结构的外侧。本实施例中，镂空履带6内侧面的中间部分去齿，形成中间的无齿区和两侧的有齿区，并于无齿区沿长度方向等距冲孔。钩刺单元1位于镂空履带6的内侧，钩刺单元1包括推动件101、固定件104、尖刺105、压缩弹簧106和空心铆钉107。固定件104为圆筒状结构，且一端具有外法兰，该外法兰通过紧固件固定于镂空履带6的无齿区。固定件104套设于推动件101外侧，推动件101能够在固定件104内沿轴向滑动。尖刺105的一端与推动件101螺纹连接，并通过尖刺105上的阶梯结构在轴向与推动件101相互限位，尖刺105的另一端穿过空心铆钉107。压缩弹簧106套设于尖刺105外侧且两端分别与空心铆钉107、推动件101相连，具体为焊接相连。本实施例中，导轨组件2包括导轨和立板，立板与导轨固定相连，立板嵌入定滑轮的轮槽内，推板3安装于导轨上。
本实施例的仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构001在工作时，在电机组件8的驱动下，连杆4能够推动导轨组件2朝向攀附侧或远离攀附侧做直线运动。导轨组件2朝向攀附侧运动时，能够将推动件101与尖刺105向外推出，使尖刺105伸出镂空履带6的冲孔位置。导轨组件2收回时，尖刺105收回镂空履带6内侧。通过控制电机输出轴的旋转方向，对导轨组件2的运动方向进行控制。本实施例通过模仿猫科动物脚掌钩刺的伸缩运动原理，改善钩刺式攀附机构的运动效率、提高履带式移动机器人***的攀附力稳定性和带载移动能力。
为了限制推动件101的旋转，本实施例于推动件101的外壁上设有凸块，于固定件104的边缘设有凹槽，凸块位于凹槽内。通过凸块与凹槽的接触限位，限制推动件101的旋转。
为了便于压缩弹簧106与空心铆钉107的焊接，本实施例将空心铆钉107的焊接端向外卷边，卷边区域将压缩弹簧106的端部包覆在内。
为了减小摩擦，本实施例的钩刺单元1还包括微型轴承102和固定轴103。推动件101的靠近导轨组件2的一端设有两个耳板，两个耳板设有位置正对的通孔，固定轴103穿过两个耳板上的通孔。固定轴103的两端分别与一个螺母螺纹连接，将固定轴103锁紧在耳板上。导轨上设有导轨凹槽201，微型轴承102安装于固定轴103上并位于两个耳板之间，微型轴承102用于和导轨凹槽201的槽底滚动接触，减小推动件101和导轨之间的摩擦力。采用这种结构设计，能改善仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构001在运动过程中的能效性，保证尖刺105沿履带圆周分布的结构稳定性，从而保证仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构001的工作可靠性。
本实施例中，尖刺105为标准型号的短跑鞋钉，其成本较低，便于设计制造，还能保证攀附机构的抓地力，本领域技术人员也可以根据需要选择其它形式的尖刺结构。
为了便于对导轨组件2的运动进行限位，本实施例还包括约束板17，约束板17固定于导轨组件2的上部。导轨组件2沿直线运动时具有两个极限位置，在两个极限位置均通过约束板17与定滑轮组件5的接触对导轨组件2限位。
进一步的，本实施例中小带轮10为两个，且转动安装于小轮心轴14上，小轮心轴14固定于骨架板7上；大带轮11为两个，且分别安装于大轮转动轴12和大轮输入轴15上，大轮转动轮轴和大轮输入轴15均转动安装于轴承套16上，轴承套16固定于骨架板7上。小轮心轴14通过连杆组件003与机器人本体004相连，大轮输入轴15通过万向联轴器002与机器人本体004相连。
如图5所示，两个仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构001可以对称安装在机器人本体004的两侧，动力经过万向联轴器002从机器人本体004传递至大轮输入轴15，带动镂空履带6转动。仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构001与机器人本体004张开一定的角度爬行时，钩刺单元1的尖刺105嵌入被攀附物内，产生沿前进方向的攀附力F1和与前进方向垂直的横向力Ft，在两力的复合下产生稳定的附着力。
为了使仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构001更稳定，本实施例还包括法兰连接轴13，法兰连接轴13固定于骨架板7上。法兰连接轴13、大轮转动轴12和大轮输入轴15的连线为直线，法兰连接轴13通过连杆组件003与机器人本体004相连。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构，其特征在于，包括骨架板、电机组件、转筒、定滑轮组件、导轨组件、推板、连杆、大带轮、小带轮、镂空履带和钩刺单元；
所述电机组件固定安装于所述骨架板上；所述转筒与所述电机组件相连，所述电机组件驱动所述转筒旋转；所述定滑轮组件安装于所述骨架板上，且位于所述导轨组件的两侧，所述导轨组件的上部边缘嵌入所述定滑轮组件的轮槽内，所述定滑轮组件用于使所述导轨组件做直线运动；所述推板安装于所述导轨组件的下部；所述连杆的一端与所述转筒转动连接，所述连杆的另一端与所述推板转动连接；所述大带轮与所述小带轮转动安装于所述骨架板上，所述大带轮位于所述骨架板的攀附侧；所述镂空履带套在所述大带轮、所述小带轮形成的整体结构的外侧；所述钩刺单元位于所述镂空履带的内侧，所述钩刺单元包括推动件、固定件、尖刺、压缩弹簧和空心铆钉，所述固定件固定于所述镂空履带上，所述固定件套设于所述推动件外侧，所述尖刺的一端与所述推动件固定相连，所述尖刺的另一端穿过所述空心铆钉，所述压缩弹簧套设于所述尖刺外侧且两端分别与所述空心铆钉、所述推动件相连；在所述电机组件的驱动下，所述连杆能够推动所述导轨组件向攀附侧运动或远离攀附侧，所述导轨组件能够将所述推动件与所述尖刺向外推出，使所述尖刺伸出所述镂空履带，所述导轨组件收回时，所述尖刺收回所述镂空履带内侧。
2.根据权利要求1所述的仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构，其特征在于，所述钩刺单元还包括微型轴承和固定轴，所述固定轴固定于所述推动件的靠近所述导轨组件的一端，所述微型轴承安装于所述固定轴上，所述微型轴承用于和所述导轨组件滚动接触。
3.根据权利要求1所述的仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构，其特征在于，所述尖刺为短跑鞋钉，所述尖刺与所述推动件螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构，其特征在于，所述定滑轮组件呈矩形分布。
5.根据权利要求1所述的仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构，其特征在于，还包括约束板，所述约束板固定于所述导轨组件的上部，所述导轨组件沿直线运动时具有两个极限位置，在两个极限位置均通过所述约束板与所述定滑轮组件的接触对所述导轨组件限位。
6.根据权利要求1所述的仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构，其特征在于，所述小带轮为两个，且转动安装于小轮心轴上，所述小轮心轴固定于所述骨架板上；所述大带轮为两个，且分别安装于大轮转动轴和大轮输入轴上，所述大轮转动轮轴和所述大轮输入轴均转动安装于轴承套上，所述轴承套固定于所述骨架板上。
7.根据权利要求6所述的仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构，其特征在于，所述小轮心轴通过连杆组件与机器人本体相连，所述大轮输入轴通过万向联轴器与所述机器人本体相连。
8.根据权利要求7所述的仿生可伸缩有源钩刺式履带攀附机构，其特征在于，还包括法兰连接轴，所述法兰连接轴固定于所述骨架板上，所述法兰连接轴、所述大轮转动轴和所述大轮输入轴的连线为直线，所述法兰连接轴通过连杆组件与所述机器人本体相连。
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