基于鉤爪附著的仿生四足爬壁機器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及攀爬機器人的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種仿生攀爬機器人。
技術(shù)背景
[0002]目前，建筑物的外壁噴涂，清洗，搶險救援與社會服務(wù)等多個領(lǐng)域有著廣泛的作業(yè)需求。在這些極限環(huán)境下，人工作業(yè)十分危險，急需有攀爬功能的爬壁機器人代替人工進行作業(yè)。
[0003]目前，國內(nèi)外發(fā)明出許多爬壁機器人，比如哈爾濱工程大學(xué)的鉤爪式爬壁機器人；斯坦福大學(xué)的Stickybot。這些機器人都能實現(xiàn)一定的爬行功能，但以下方面也存在一定的不足:
(I)攀爬表面單一，不能隨著粗糙表面的狀況相應(yīng)的改變姿態(tài)以適應(yīng)粗糙表面。
[0004](2)結(jié)構(gòu)與控制相對復(fù)雜，不易于實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]基于上述背景，本發(fā)明提供了一種仿生爬壁機器人的機械機構(gòu)，合理安排腿部結(jié)構(gòu)，并通過機械設(shè)計使其具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力和爬行能力。
[0006]—種基于鉤爪附著的仿生四足爬壁機器人，包括前機體板，后機體板、用于連接前機體板和后機體板的連桿、安裝在后機體板尾部的尾巴、分別安裝于前機體板、后機體板左右兩側(cè)的共四條機械腿；機械腿上安裝有腳掌；其特征在于:
所述腳掌包括腳掌基體；腳掌基體的后端通過阻尼轉(zhuǎn)軸安裝于機械腿上，其中阻尼轉(zhuǎn)軸的軸線與腳掌基體所在平面平行，腳掌所在平面和機械腿所在平面之間的角度可以通過轉(zhuǎn)動阻尼轉(zhuǎn)軸來調(diào)節(jié)；腳掌基體的前端安裝有柔性連接塊，柔性連接塊前端設(shè)有多個突出的柔性矩形條，每個柔性矩形條的末端均安裝有鉤爪。其中當(dāng)腳掌接觸壁面時，阻尼轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動一定角度實現(xiàn)腳掌平面與壁面平行，柔性連接塊前端的柔性矩形條可以根據(jù)壁面的形狀改變彎曲程度，同時也可以在平行壁面的方向產(chǎn)生一定程度的延展。所述的柔性連接塊和阻尼轉(zhuǎn)軸可以使機器人增強對壁面的適應(yīng)性。
[0007]上述的基于鉤爪附著的仿生四足爬壁機器人，其特征在于:所述用于連接前機體板和后機體板的連桿包括柔性連桿和剛性連桿；前機體板與后機體板的上表面通過柔性連桿連接，前機體板與后機體板的下表面通過剛性連桿連接。前機體板和后機體板可以相對于剛性連桿的上下鉸接孔轉(zhuǎn)動。這種連接方式既保證了機器人的身體可以扭動，又能保證前機體板與后機體板在同一平面內(nèi)。柔性連桿提供了機身恢復(fù)到初始狀態(tài)的回復(fù)力。所述結(jié)構(gòu)保證了機器人的爬行的穩(wěn)定性。
[0008]所述的基于鉤爪附著的仿生四足爬壁機器人，其特征在于:所述尾巴與后機體板通過扭簧連接，得尾巴末梢落在腳掌所在的平面內(nèi)。所述結(jié)構(gòu)設(shè)計可以提供機器人豎直面爬行的抗傾翻力，提高其爬行的穩(wěn)定性。
[0009]所述的基于鉤爪附著的仿生四足爬壁機器人，其特征在于:所述機械腿由驅(qū)動腿，隨動腿，腳掌連桿，俯仰關(guān)節(jié)，俯仰舵機和擺腿舵機組成；其中俯仰舵機安置在前機體板或后機體板上，俯仰關(guān)節(jié)一端安裝在俯仰舵機的輸出軸上，另一端與前機體板或后機體板鉸接，擺腿舵機通過預(yù)留出的舵機孔安裝在俯仰關(guān)節(jié)上，隨動腿一端鉸接在俯仰關(guān)節(jié)上，另一端鉸接在腳掌連桿上，驅(qū)動腿一端固定在擺腿舵機的輸出軸上，另一端鉸接在腳掌連桿上。每條腿有兩個自由度，每個自由度有相應(yīng)的舵機控制其運動。俯仰舵機控制腿部的上下運動，擺腿舵機控制腿部的前后擺動。本機器人設(shè)計的四條腿部的結(jié)構(gòu)是一致的，因而整個機身由八個舵機控制其運動。所述腿部結(jié)構(gòu)為平行四邊形結(jié)構(gòu)，簡化普通腿部的三自由度結(jié)構(gòu)為二自由度的腿部結(jié)構(gòu)。減輕了機器人的機體重量，簡化了機器人的步態(tài)控制。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)勢在于:采用平行四邊形腿部結(jié)構(gòu)，減輕了機身重量；腳掌部分使用柔性材料制成，腳掌與腿部使用阻尼轉(zhuǎn)軸連接，可根據(jù)壁面的坡度而改變轉(zhuǎn)軸角度，具有良好的壁面適應(yīng)能力。前、后機體板之間使用柔性連桿和剛性連桿連接，使前、后機體板總是保持在同一平面內(nèi)，同時在垂直身體軸向方向具有自由度。尾部采用扭簧與機體板連接，具有良好的彈性，保證了爬行的穩(wěn)定性。機器人結(jié)構(gòu)簡單，易于組裝，爬行穩(wěn)定性好，易于控制。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的正視圖與側(cè)視圖；
圖3是阻尼轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是機器人的腳掌結(jié)構(gòu)爆炸圖；
圖5是剛性連桿的示意圖；
圖中標號名稱:1.俯仰舵機；2.俯仰關(guān)節(jié)；3.前機體板；4.擺腿舵機；5.柔性連接桿；
6.腳掌；7.腳掌連桿；8.隨動腿；9.驅(qū)動腿；10.后機體板；11.扭簧；12.尾巴；13.剛性連桿；14.阻尼轉(zhuǎn)軸；15.柔性連接塊；16.鉤爪；17.腳掌基體。
【具體實施方式】
[0012]結(jié)合附圖進行具體說明
如圖1所示，為基于鉤爪的仿生四足爬壁機器人具體設(shè)計圖，機器人由前機體板3，下機體10，腿部，尾巴12，腳掌6組成。腿部由驅(qū)動腿9，隨動腿8，腳掌連桿7，俯仰關(guān)節(jié)2，俯仰舵機I和擺腿舵機4組成。俯仰舵機I通過膠接安置在前機體板3上，擺腿舵機4通過預(yù)留出的舵機孔安裝在俯仰關(guān)節(jié)2上，擺腿舵機4與俯仰關(guān)節(jié)2通過螺絲螺母固定。俯仰關(guān)節(jié)2 —端安裝在俯仰舵機I的輸出軸上，另一端與前機體板3鉸接。隨動腿8 —端鉸接在俯仰關(guān)節(jié)2上，另一端鉸接在腳掌連桿7上，驅(qū)動腿9 一端固定在擺腿舵機4的輸出軸上，另一端鉸接在腳掌連桿7上。每條腿有兩個自由度，每個自由度有相應(yīng)的舵機控制其運動。俯仰舵機I控制腿部的上下運動，擺腿舵機4控制腿部的前后擺動。本機器人的設(shè)計的四條腿部的結(jié)構(gòu)是一致的，因而整個機身有八個舵機控制其運動。
[0013]如圖4為基于鉤爪的仿生四足爬壁機器人腳掌6的詳細結(jié)構(gòu)圖，腳掌6由柔性連接塊15，鉤爪16和腳掌基體17組成。柔性連接塊15由彈性材料制成，其前端有六個柔性矩形條，柔性矩形條之間是獨立的，受力時可以分別在平行柔性矩形條與垂直柔性矩形條兩個方向上延展。在柔性矩形條的前端安置有鉤爪16。鉤爪16由鋼針制成，每個矩形條前端安置一個鉤爪16。柔性連接塊15與腳掌基體17通過機械鎖合的方式連接，如圖4柔性連接塊15的末端卡在腳掌基體17的前端的槽口里。腳掌6與腿部之間通過阻尼轉(zhuǎn)軸14固定，阻尼轉(zhuǎn)軸14的轉(zhuǎn)矩可調(diào)，其與腳掌6和腿部之間通過螺絲螺母固定。腳掌6所在平面和腿部所在平面之間的角度可以通過轉(zhuǎn)動阻尼轉(zhuǎn)軸14來調(diào)節(jié)。阻尼轉(zhuǎn)軸的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
[0014]如圖2前機體板3與后機體板10之間通過柔性連桿5和剛性連桿13連接。柔性連桿5的兩端通過固連分別固定在前機體板3和后機體板10的上表面。剛性連桿13的兩端通過鉸接分別固定在前機體板3和后機體板10的下表面。剛性連桿13如圖5所示，前機體板3和后機體板10可以相對于剛性連桿13的上下鉸接孔轉(zhuǎn)動。這種連接方式既保證了機器人的身體可以扭動，又能保證前機體板3與后機體板10在同一平面內(nèi)，保證了機器人的爬行穩(wěn)定性。如圖2為機器人不受力時不產(chǎn)生扭動的初始狀態(tài)。
[0015]如圖2所示，機器人的尾巴12與后機體板10通過扭簧11連接，使尾巴12與機體板之間呈一定的角度，尾巴末梢落在腳掌所在的平面內(nèi)。
[0016]關(guān)于電源與控制:整個機器人有八個舵機需要控制，舵機與舵機驅(qū)動板相連接，另外通過以ARM為主控芯片的主控制板輸出控制信號到舵機驅(qū)動板以協(xié)調(diào)腿部之間的運動，實現(xiàn)攀爬動作。驅(qū)動板和主控制芯片電源采用5V直流電，由7.4V鋰電池經(jīng)過穩(wěn)壓模塊后供給。
[0017]關(guān)于攀爬過程:通過主控芯片輸出控制信號驅(qū)動舵機來協(xié)調(diào)腿部之間的運動。該機器人能模擬爬壁動物的交替三足步態(tài)和對角步態(tài)。能實現(xiàn)在粗糙的墻面，陡坡，柔軟表面，大樹等表面攀爬。
【主權(quán)項】
1.一種基于鉤爪附著的仿生四足爬壁機器人，包括前機體板(3)，后機體板(10)、用于連接前機體板(3)和后機體板(10)的連桿、安裝在后機體板(10)尾部的尾巴(12)、分別安裝于前機體板(3)、后機體板(10)左右兩側(cè)的共四條機械腿；機械腿上安裝有腳掌(6);其特征在于: 所述腳掌(6)包括腳掌基體(17);腳掌基體(17)的后端通過阻尼轉(zhuǎn)軸(14)安裝于機械腿上，其中阻尼轉(zhuǎn)軸(14)的軸線與腳掌基體(17)所在平面平行，腳掌(6)所在平面和機械腿所在平面之間的角度可以通過轉(zhuǎn)動阻尼轉(zhuǎn)軸(14)來調(diào)節(jié)；腳掌基體(17)的前端安裝有柔性連接塊(15)，柔性連接塊(15)前端設(shè)有多個突出的柔性矩形條，每個柔性矩形條的末端均安裝有鉤爪(16)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鉤爪附著的仿生四足爬壁機器人，其特征在于:所述用于連接前機體板(3)和后機體板(10)的連桿包括柔性連桿(5)和剛性連桿(13);前機體板(3)與后機體板(10)的上表面通過柔性連桿(5)連接，前機體板(3)與后機體板(10)的下表面通過剛性連桿(13)連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鉤爪附著的仿生四足爬壁機器人，其特征在于:所述尾巴(12)與后機體板(10)通過扭簧(11)連接，尾巴(12)末梢落在腳掌(6)所在的平面內(nèi)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鉤爪附著的仿生四足爬壁機器人，其特征在于:所述機械腿由驅(qū)動腿(9)，隨動腿(8)，腳掌連桿(7)，俯仰關(guān)節(jié)(2)，俯仰舵機(I)和擺腿舵機(4)組成；其中俯仰舵機(I)安置在前機體板(3 )或后機體板(10 )上，俯仰關(guān)節(jié)(2 ) 一端安裝在俯仰舵機(I)的輸出軸上，另一端與前機體板(3)或后機體板(10)鉸接，擺腿舵機(4)通過預(yù)留出的舵機孔安裝在俯仰關(guān)節(jié)(2)上，隨動腿(8) —端鉸接在俯仰關(guān)節(jié)(2)上，另一端鉸接在腳掌連桿(7)上，驅(qū)動腿(9) 一端固定在擺腿舵機(4)的輸出軸上，另一端鉸接在腳掌連桿(7)上。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于鉤爪附著的仿生四足爬壁機器人，及攀爬機器人的技術(shù)領(lǐng)域。它包括前機體板（3），后機體板（10）、連桿、尾巴（12）、機械腿；機械腿上安裝有腳掌（6）；其特征在于：所述腳掌（6）包括腳掌基體（17）；腳掌基體（17）的后端通過阻尼轉(zhuǎn)軸（14）安裝于機械腿上，其中阻尼轉(zhuǎn)軸（14）的軸線與腳掌基體（17）所在平面平行，腳掌（6）所在平面和機械腿所在平面之間的角度可以通過轉(zhuǎn)動阻尼轉(zhuǎn)軸（14）來調(diào)節(jié)；腳掌基體（17）的前端安裝有柔性連接塊（15），柔性連接塊（15）前端設(shè)有多個突出的柔性矩形條，每個柔性矩形條的末端均安裝有鉤爪（16）本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，控制容易，易于組裝。
【IPC分類】B62D57/024
【公開號】CN105128971
【申請?zhí)枴緾N201510562018
【發(fā)明人】吉愛紅, 趙智慧, 倪勇, 陳玉鈺, 江南, 王寰, 袁閃閃, 戴振東
【申請人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年9月7日