仿生履帶式粘附行走機構(gòu)及其運動方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種仿生履帶式粘附行走機構(gòu)及其運動方法，包括機身框架、張緊機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、粘附帶，驅(qū)動機構(gòu)包括驅(qū)動電機、驅(qū)動電機齒輪、主動輪、從動輪，主動輪通過齒輪軸連接于機身框架一端，從動輪通過從動輪軸連接于機身框架另一端，驅(qū)動電機驅(qū)動驅(qū)動電機齒輪，驅(qū)動電機齒輪與齒輪軸相嚙合，張緊機構(gòu)包括張緊輪架、張緊彈簧、微型力傳感器、張緊輪、套筒，張緊輪、主動輪、從動輪通過粘附帶連接，還包括一設(shè)于機身框架上的機構(gòu)連接裝置。本發(fā)明通過機器人機體輸出一定切向位移和位姿角度，實現(xiàn)腳掌粘附、脫附和按壓，幫助機器人在壁面上行走和停留。
【專利說明】仿生履帶式粘附行走機構(gòu)及其運動方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及仿生機器人領(lǐng)域，具體涉及一種仿生履帶式粘附行走機構(gòu)及其運動方法，主要應(yīng)用于爬壁機器人中以實現(xiàn)不同傾角壁面的粘附、行走、停留以及越障功能。
【背景技術(shù)】
[0002]三維空間表面爬行機器人一直是機器人領(lǐng)域研究熱點。利用爬壁機器人可以代替人類在陡峭的壁面上執(zhí)行任務(wù)，例如摩天大樓外墻清洗、油氣罐檢修、核設(shè)施維護等。研究發(fā)現(xiàn)大壁虎腳趾表面生長有數(shù)百萬根的微米級剛毛，每根剛毛頂端又有數(shù)千根納米級絨毛。這些剛毛陣列與壁面間的范德華力(即分子間力)為大壁虎在壁面上粘附行走提供了支持。研究人員采用MEMS (微機電系統(tǒng))技術(shù)、NEMS (納機電系統(tǒng))技術(shù)等，以PDMS (聚二甲基娃氧燒)、PU(聚氣脂)等聞聚物或者娃片等為基底，在表面加工出仿大壁虎腳IE止表面微納剛毛陣列，并將其裝備在機器人上，使其獲得三維空間表面爬行能力，有利于提高爬壁機器人爬壁能力，降低能耗、噪音等不利因素。在研究過程中還發(fā)現(xiàn)，某些高聚物，如硅膠等，其表面雖然未經(jīng)過加工，但也具有一定粘附性，故經(jīng)常被國內(nèi)外的研究者用于測試機構(gòu)的可行性。以上表面加工或者未加工過的粘附材料在使用前須要施加一定的法向壓力以提高粘附強度，故又稱“壓力敏感粘附材料”(Pressure Sensitive Material)。
[0003]國內(nèi)南京航空航天大學(xué)發(fā)明了一種機器人仿壁虎粘附腳趾，并提供了運動方法。該仿壁虎腳趾可適用于在光滑表面粘附的仿壁虎爬行機器人腳掌設(shè)計和運動實現(xiàn)中，能完全模擬大壁虎腳趾粘附陣列單方向較大的粘附力和反方向較小脫附力的各向異性力學(xué)特征。然而，該種腳趾剛度主要由彈簧和柔性材料決定，針對不同場合的自適應(yīng)調(diào)整能力不強。美國斯坦福大學(xué)研制出四足爬壁機器人Stickybot, Stickybot每個足上有四片腳趾，通過內(nèi)嵌鋼絲實現(xiàn)腳趾翻起?？梢栽?0°壁面上穩(wěn)定粘附行走。然而，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且運動范圍有限。美國卡耐基梅隆大學(xué)研制出的Geckobot爬壁機器人、Four-bar爬壁機器人、Waalbot系列爬壁機器人等采用盤狀腳掌作為粘附行走部件，通過直線運動或轉(zhuǎn)動進行剝離或粘附動作。該類型腳掌材料力學(xué)性能固定，無法在壁面角度變化或外加載荷變化時進行自適應(yīng)性調(diào)節(jié)以保持最佳粘附狀態(tài)，避免粘附失效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一 )要解決的技術(shù)問題
[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種仿生履帶式粘附行走機構(gòu)及其運動方法。該腳掌結(jié)構(gòu)可以幫助仿生爬壁機器人在三維空間光滑表面粘附、行走。通過機器人機體輸出旋轉(zhuǎn)運動和切向運動可以實現(xiàn)在任意角度壁面停留，適應(yīng)不同外加載荷和不同角度壁面。通過張緊機構(gòu)可以進行粘附履帶內(nèi)部張力調(diào)整，調(diào)整剝離角度，適應(yīng)外加載荷、壁面角度和壁面曲率變化。
[0006]( 二 )技術(shù)方案
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:[0008]一種仿生履帶式粘附行走機構(gòu)，包括機身框架、張緊機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、粘附帶，所述驅(qū)動機構(gòu)包括驅(qū)動電機、驅(qū)動電機齒輪、主動輪、從動輪，所述主動輪通過齒輪軸連接于所述機身框架一端，所述從動輪通過從動輪軸連接于所述機身框架另一端，所述驅(qū)動電機驅(qū)動所述驅(qū)動電機齒輪，所述驅(qū)動電機齒輪與所述齒輪軸相嚙合，所述張緊機構(gòu)包括張緊輪架、張緊彈簧、微型力傳感器、張緊輪、套筒，所述套筒設(shè)于所述機身框架上表面，所述套筒上表面設(shè)有所述微型力傳感器，所述張緊輪架包括軸伸和安裝端，所述軸伸下端穿過所述微型力傳感器和套筒，所述軸伸上套設(shè)有所述張緊彈簧，所述張緊彈簧設(shè)于所述微型力傳感器和安裝端之間，所述張緊輪通過張緊輪軸安裝于所述安裝端上，所述張緊輪、主動輪、從動輪通過所述粘附帶連接，還包括一設(shè)于機身框架上的機構(gòu)連接裝置。
[0009]其中，所述套筒為固定于所述機身框架上表面的固定套筒。
[0010]其中，所述套筒為設(shè)于所述機身框架上表面的升降套筒，所述升降套筒外側(cè)面設(shè)有齒條，所述機身框架上設(shè)有一連接有張緊電機的驅(qū)動齒輪，所述驅(qū)動齒輪嚙合所述升降套筒的齒條并驅(qū)動所述升降套筒升降。
[0011]其中，所述機構(gòu)連接裝置包括設(shè)于所述機身框架側(cè)面的滑動槽，所述滑動槽內(nèi)設(shè)有側(cè)向滑動件，所述側(cè)向滑動件兩側(cè)通過側(cè)向彈簧安裝于所述滑動槽內(nèi)。
[0012]其中，所述粘附履帶由柔軟橡膠平帶外側(cè)固定一層粘附材料制成。
[0013]該仿生履帶式粘附行走機構(gòu)的運動方法，
[0014](I)機器人機體通過控制側(cè)向滑動件，向所述粘附行走機構(gòu)輸出Χ-y平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)和平移運動，通過旋轉(zhuǎn)運動，使主從動輪連線與壁面間呈一定位姿角度；
[0015](2)處于懸空相的粘附行走機構(gòu)，機器人機體通過控制所述側(cè)向滑動件，使粘附行走機構(gòu)的所述主動輪碰觸壁面，隨后將粘附行走機構(gòu)向前方平推，使主動輪向前滾動，在此過程中完成粘附帶與壁面的接觸、粘附。在實現(xiàn)完全粘附之后，即進入支撐相；
[0016](3)處于支撐相的粘附行走機構(gòu)，機器人機體通過控制側(cè)向滑動件，使粘附行走機構(gòu)抬起、脫附；另外，當(dāng)處于大傾角壁面時，機器人機體給予粘附機構(gòu)一定位姿角度，并輸出平行于壁面的往復(fù)運動。剝離端粘附帶以一定剝離角剝離時，剝離力使非剝離端粘附帶進入非剝離端輪下緣時受到按壓；然后，非剝離端變剝離端并提供下壓力；往復(fù)運動前進；
[0017](4)當(dāng)遇到障礙時，抬起粘附機構(gòu)越過障礙或避開障礙。
[0018](三)有益效果
[0019]本發(fā)明相比較于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下有益效果:
[0020](I)相對于傳統(tǒng)爬壁機器人腳掌，將粘附履帶結(jié)構(gòu)作為粘附腳掌，僅需很小的法向按壓力，即可通過輸入切向位移實現(xiàn)粘附。
[0021](2)單個粘附機構(gòu)具有自我提供預(yù)壓力作用。特別是在天花板等大傾角壁面，可以通過長時間對對角部位粘附機構(gòu)輸出往復(fù)運動,實現(xiàn)機器人原地懸停。而傳統(tǒng)足式爬壁機器人，其懸空相的足在轉(zhuǎn)化為支撐相時，需要依靠處于支撐相的足，通過機體提供預(yù)壓力；
[0022](3)張緊機構(gòu)微型力傳感器可以感受彈簧力大小，繼而通過換算得出帶張力大小，并實時反饋。
[0023](4)側(cè)向滑動件連接機體與腳掌，配合側(cè)向彈簧，可以解決對角步態(tài)下爬壁機器人內(nèi)部冗余力問題。
[0024]本方案的一種改進形式，張緊電機輸出軸上固定驅(qū)動齒輪，與升降套筒上齒條嚙合。張緊輪架與升降套筒之間有一直線運動副。升降套筒上端固定微型力傳感器。微型力傳感器與張緊輪架間安裝張緊彈簧，可以傳遞力和位移。
[0025]在運動過程中，張緊電機轉(zhuǎn)動，帶動升降套筒上下運動，通過張緊彈簧傳遞力與運動，主動調(diào)整粘附履帶內(nèi)部張緊力，繼而主動適應(yīng)不同外加載荷、不同角度壁面或具有一定曲率壁面。通過機器人機體輸出一定切向位移和位姿角度，實現(xiàn)腳掌粘附、脫附和按壓，幫助機器人在壁面上行走和停留。通過張緊機構(gòu)進行被動或主動調(diào)節(jié)，可以增加仿生爬壁機器人對外加載荷、多種角度壁面及一定曲率壁面的適應(yīng)性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1a為本發(fā)明的實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖1b為圖1a的主視圖；
[0028]圖2a為本發(fā)明的實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2b為圖2a的主視圖；
[0030]圖2c為圖2a的左視圖；
[0031]圖3為本發(fā)明實施例二的仿生履帶式粘附行走機構(gòu)在平面上行進的示意圖；
[0032]圖4a為本發(fā)明實施例二的仿生履帶式粘附行走機構(gòu)抬起越障的示意圖；
[0033]圖4b為本發(fā)明實施例二的仿生履帶式粘附行走機構(gòu)抬起越障的示意圖；
[0034]圖5為本發(fā)明實施例二的仿生履帶式粘附行走機構(gòu)在一定曲率表面行進運動時的示意圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0036]實施例一
[0037]如圖1a和圖1b所示的，一種仿生履帶式粘附行走機構(gòu)，包括機身框架1、張緊機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、粘附帶12，所述驅(qū)動機構(gòu)包括驅(qū)動電機3、驅(qū)動電機齒輪4、主動輪6、從動輪13，所述主動輪6通過齒輪軸5連接于所述機身框架I 一端，所述從動輪13通過從動輪軸14連接于所述機身框架I另一端，所述驅(qū)動電機3驅(qū)動所述驅(qū)動電機齒輪4，所述驅(qū)動電機齒輪4與所述齒輪軸5相嚙合，所述張緊機構(gòu)包括張緊輪架7、張緊彈簧10、微型力傳感器
11、張緊輪9、套筒17，所述套筒17設(shè)于所述機身框架I上表面，所述套筒17上表面設(shè)有所述微型力傳感器11，所述張緊輪架7包括軸伸702和安裝端701，所述軸伸702下端穿過所述微型力傳感器11和套筒17，所述軸伸702上套設(shè)有所述張緊彈簧10，所述張緊彈簧10設(shè)于所述微型力傳感器11和安裝端701之間，所述張緊輪9通過張緊輪軸8安裝于所述安裝端701上，所述張緊輪9、主動輪6、從動輪13通過所述粘附帶12連接，還包括一設(shè)于機身框架I上的機構(gòu)連接裝置。
[0038]所述套筒17為固定于所述機身框架I上表面的固定套筒。
[0039]所述機構(gòu)連接裝置包括設(shè)于所述機身框架I側(cè)面的滑動槽16，所述滑動槽16內(nèi)設(shè)有側(cè)向滑動件2，所述側(cè)向滑動件2兩側(cè)通過側(cè)向彈簧15安裝于所述滑動槽16內(nèi)。
[0040]所述粘附履帶12由柔軟橡膠平帶外側(cè)固定一層粘附材料制成。[0041]實施例二
[0042]如圖2a、圖2b和圖2c所示的，所述套筒17為設(shè)于所述機身框架I上表面的升降套筒，所述升降套筒外側(cè)面設(shè)有齒條，所述機身框架I上設(shè)有一連接有張緊電機19的驅(qū)動齒輪18，所述驅(qū)動齒輪18嚙合所述升降套筒的齒條并驅(qū)動所述升降套筒升降。
[0043]圖3所示為粘附行走機構(gòu)第二個實施例在平坦表面行進的示意圖。機器人機體通過控制側(cè)向滑動件2，向粘附行走機構(gòu)輸出x-y平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)和平移運動；機器人機體首先輸出旋轉(zhuǎn)運動，使粘附行走機構(gòu)主從動輪連線與壁面間呈一定角度α (位姿角度)。直流電機3轉(zhuǎn)動，帶動粘附機構(gòu)及機體前進。粘附帶后部以一定剝離角Θ剝離，產(chǎn)生的剝離點粘附力Fpeeling使粘附帶12進入主動輪6下緣時受到按壓力Fpreload,即為粘附帶12外側(cè)面粘附材料提供了預(yù)壓力，保證其具有一定的粘附力，進而為粘附行走機構(gòu)及機器人機體源源不斷地提供粘附力。通過改變直流電機3轉(zhuǎn)動速度速度、位姿角度α，調(diào)節(jié)粘附帶張緊力，可以改變粘附帶粘附部分長度a和剝離角Θ，從而適應(yīng)不同的壁面傾斜角度。通過張緊電機19輸出轉(zhuǎn)動，可以提升或降低升降套筒17，繼而通過張緊彈簧10傳遞力和位移到張緊輪架7，起到主動張緊或放松粘附帶12的作用，以此主動適應(yīng)剝離力造成的粘附帶張力變化。
[0044]圖4a和圖4b所示分別為粘附行走機構(gòu)第二個實施例抬起跨越障礙和直接駛過障礙的示意圖。如圖4a，對于較大的障礙100，機器人機體通過側(cè)向滑動件2抬起粘附機構(gòu)，直接越過障礙。如圖4b，對于較小的障礙150，通過張緊電機19轉(zhuǎn)動，使張緊輪9下降，放松粘附帶12，使其能夠適應(yīng)障礙物形狀，幫助粘附機構(gòu)穩(wěn)定駛過障礙物。
[0045]圖5所示為粘附行走機構(gòu)第二個實施例在具有一定弧度光滑表面行進示意。通過張緊電機19轉(zhuǎn)動，使張緊輪9下降，放松粘附帶12，使其適應(yīng)具有一定弧度光滑表面200，幫助粘附行走機構(gòu)在該種表面穩(wěn)定粘附。
[0046]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種仿生履帶式粘附行走機構(gòu)，其特征在于:包括機身框架、張緊機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、粘附帶，所述驅(qū)動機構(gòu)包括驅(qū)動電機、驅(qū)動電機齒輪、主動輪、從動輪，所述主動輪通過齒輪軸連接于所述機身框架一端，所述從動輪通過從動輪軸連接于所述機身框架另一端，所述驅(qū)動電機驅(qū)動所述驅(qū)動電機齒輪，所述驅(qū)動電機齒輪與所述齒輪軸相嚙合，所述張緊機構(gòu)包括張緊輪架、張緊彈簧、微型力傳感器、張緊輪、套筒，所述套筒設(shè)于所述機身框架上表面，所述套筒上表面設(shè)有所述微型力傳感器，所述張緊輪架包括軸伸和安裝端，所述軸伸下端穿過所述微型力傳感器和套筒，所述軸伸上套設(shè)有所述張緊彈簧，所述張緊彈簧設(shè)于所述微型力傳感器和安裝端之間，所述張緊輪通過張緊輪軸安裝于所述安裝端上，所述張緊輪、主動輪、從動輪通過所述粘附帶連接，還包括一設(shè)于機身框架上的機構(gòu)連接裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生履帶式粘附行走機構(gòu)，其特征在于:所述套筒為固定于所述機身框架上表面的固定套筒。
3.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生履帶式粘附行走機構(gòu)，其特征在于:所述套筒為設(shè)于所述機身框架上表面的升降套筒，所述升降套筒外側(cè)面設(shè)有齒條，所述機身框架上設(shè)有一連接有張緊電機的驅(qū)動齒輪，所述驅(qū)動齒輪嚙合所述升降套筒的齒條并驅(qū)動所述升降套筒升降。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的仿生履帶式粘附行走機構(gòu)，其特征在于:所述機構(gòu)連接裝置包括設(shè)于所述機身框架側(cè)面的滑動槽，所述滑動槽內(nèi)設(shè)有側(cè)向滑動件，所述側(cè)向滑動件兩側(cè)通過側(cè)向彈簧安裝于所述滑動槽內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的仿生履帶式粘附行走機構(gòu)，其特征在于:所述粘附履帶由柔軟橡膠平帶外側(cè)固定一層粘附材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的仿生履帶式粘附行走機構(gòu)的運動方法，其特征在于: (1)機器人機體通過控制側(cè)向滑動件，向所述粘附行走機構(gòu)輸出χ-y平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)和平移運動，通過旋轉(zhuǎn)運動，使主從動輪連線與壁面間呈一定位姿角度； (2)處于懸空相的粘附行走機構(gòu)，機器人機體通過控制所述側(cè)向滑動件，使粘附行走機構(gòu)的所述主動輪碰觸壁面，隨后將粘附行走機構(gòu)向前方平推，使主動輪向前滾動，在此過程中完成粘附帶與壁面的接觸、粘附。在實現(xiàn)完全粘附之后，即進入支撐相； (3)處于支撐相的粘附行走機構(gòu)，機器人機體通過控制側(cè)向滑動件，使粘附行走機構(gòu)抬起、脫附；另外，當(dāng)處于大傾角壁面時，機器人機體給予粘附機構(gòu)一定位姿角度，并輸出平行于壁面的往復(fù)運動。剝離端粘附帶以一定剝離角剝離時，剝離力使非剝離端粘附帶進入非剝離端輪下緣時受到按壓；然后，非剝離端變剝離端并提供下壓力；往復(fù)運動前進； (4)當(dāng)遇到障礙時，抬起粘附機構(gòu)越過障礙或避開障礙。
【文檔編號】B62D57/024GK103847826SQ201310030131
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月28日
【發(fā)明者】吳晅, 劉彥偉, 胡重陽, 孫少明, 梅濤, 謝穎 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院