履帶式仿生爬壁機器人腳掌結構及其運動方法
2023-11-01 17:51:12
履帶式仿生爬壁機器人腳掌結構及其運動方法
【專利摘要】本發明公開了一種履帶式仿生爬壁機器人腳掌結構，包括機身框架、滾動輪、張緊機構、粘附履帶，滾動輪通過滾動輪軸安裝於機身框架兩端，張緊機構包括張緊輪架、張緊彈簧、微型力傳感器、張緊輪、套筒，套筒設於機身框架上表面，套筒上表面設有微型力傳感器，張緊輪架包括軸伸和安裝端，軸伸下端穿過微型力傳感器和套筒，軸伸上套設有張緊彈簧，張緊彈簧設於微型力傳感器和安裝端之間，張緊輪通過張緊輪軸安裝於安裝端上，張緊輪和滾動輪通過粘附履帶連接，還包括一設於機身框架上的驅動機構。本發明通過機器人機體輸出一定切向位移和位姿角度，實現腳掌粘附、脫附和按壓，幫助機器人在壁面上行走和停留。
【專利說明】履帶式仿生爬壁機器人腳掌結構及其運動方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及仿生機器人領域，具體涉及一種履帶式仿生爬壁機器人腳掌結構及其運動方法，主要應用於爬壁機器人中以實現不同傾角壁面的粘附、行走、停留以及越障功倉泛。
【背景技術】
[0002]三維空間表面爬行機器人一直是機器人領域研究熱點。利用爬壁機器人可以代替人類在陡峭的壁面上執行任務，例如摩天大樓外牆清洗、油氣罐檢修、核設施維護等。研究發現大壁虎腳趾表面生長有數百萬根的微米級剛毛，每根剛毛頂端又有數千根納米級絨毛。這些剛毛陣列與壁面間的範德華力(即分子間力)為大壁虎在壁面上粘附行走提供了支持。研究人員採用MEMS (微機電系統)技術、NEMS (納機電系統)技術等，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，並將其裝備在機器人上，使其獲得三維空間表面爬行能力，有利於提高爬壁機器人爬壁能力，降低能耗、噪音等不利因素。在研究過程中還發現，某些高聚物，如矽膠等，其表面雖然未經過加工，但也具有一定粘附性，故經常被國內外的研究者用於測試機構的可行性。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]國內南京航空航天大學發明了一種機器人仿壁虎粘附腳趾，並提供了運動方法。該仿壁虎腳趾可適用於在光滑表面粘附的仿壁虎爬行機器人腳掌設計和運動實現中，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特徵。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調整能力不強。美國史丹福大學研製出四足爬壁機器人Stickybot, Stickybot每個足上有四片腳趾，通過內嵌鋼絲實現腳趾翻起。可以在90°壁面上穩定粘附行走。然而，其結構較為複雜，並且運動範圍有限。美國卡耐基梅隆大學研製出的Geckobot爬壁機器人、Four-bar爬壁機器人、Waalbot系列爬壁機器人等採用盤狀腳掌作為粘附行走部件，通過直線運動或轉動進行剝離或粘附動作。該類型腳掌材料力學性能固定，無法在壁面角度變化或外加載荷變化時進行自適應性調節以保持最佳粘附狀態，避免粘附失效。
【發明內容】
[0004](一 )要解決的技術問題
[0005]本發明要解決的技術問題是提供一種履帶式仿生爬壁機器人腳掌結構及其運動方法。該腳掌結構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運動和切向運動可以實現在任意角度壁面停留，適應不同外加載荷和不同角度壁面。通過張緊機構可以進行粘附履帶內部張力調整，調整剝離角度，適應外加載荷、壁面角度和壁面曲率變化。
[0006]( 二 )技術方案[0007]為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是:
[0008]一種履帶式仿生爬壁機器人腳掌結構，包括機身框架、滾動輪、張緊機構、粘附履帶，所述滾動輪通過滾動輪軸安裝於所述機身框架兩端，所述張緊機構包括張緊輪架、張緊彈簧、微型力傳感器、張緊輪、套筒，所述套筒設於所述機身框架上表面，所述套筒上表面設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，所述軸伸上套設有張緊彈簧，所述張緊彈簧設於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於所述安裝端上，所述張緊輪和滾動輪通過粘附履帶連接，還包括一設於機身框架上的驅動機構。
[0009]所述套筒為固定於所述機身框架上表面的固定套筒。
[0010]所述套筒為設於所述機身框架上表面的升降套筒，所述升降套筒外側面設有齒條，所述機身框架上設有一連接有張緊電機的驅動齒輪，所述驅動齒輪嚙合所述升降套筒的齒條並驅動所述升降套筒升降。
[0011]所述驅動機構包括設於所述機身框架側面的滑動槽，所述滑動槽內設有側向滑動件，所述側向滑動件兩側通過側向彈簧安裝於所述滑動槽內。
[0012]所述粘附履帶由柔軟橡膠平帶外側固定一層粘附材料製成。
[0013]一種履帶式仿生爬壁機器人腳掌結構的運動方法，
[0014](I)機器人機體通過控制側向滑動件，向腳掌輸出x-y平面內旋轉和平移的運動指令，通過旋轉運動，使腳掌兩個滾動輪連線與壁面間呈一定位姿角度；
[0015](2)處於懸空相的腳掌，機器人機體通過控制側向滑動件，使腳掌前進方向的前滾動輪碰觸壁面，隨後將腳掌向前方平推，使前滾動輪向前滾動，並配合一定的位姿角度變化，在此過程中完成粘附履帶與壁面的接觸、粘附。在實現完全粘附之後，即進入支撐相；
[0016](3)處於支撐相的腳掌，機器人機體通過控制側向滑動件，使前進方向的後腳掌抬起、脫附；另外，當處於大傾角壁面或頂部壁面時，機器人機體通過側向滑動件控制腳掌處於一定的位姿角度，並輸出平行於壁面的往復運動；剝離端粘附履帶以一定剝離角剝離時，剝離粘附力使非剝離端粘附履帶進入非剝離端輪下緣時受到按壓；然後，非剝離端變剝離端並提供預壓力；往復運動前進；
[0017](4)當遇到障礙時，可以採用抬起腳掌使粘附履帶脫離附著面的方法，越過障礙或避開障礙。
[0018](三)有益效果
[0019]本發明相比較於現有技術，具有如下有益效果:
[0020](I)相對於傳統爬壁機器人腳掌，將粘附履帶結構作為粘附腳掌，僅需很小的法向按壓力，即可通過輸入切向位移實現粘附。
[0021](2)單個粘附機構具有自我提供預壓力作用。特別是在天花板等大傾角壁面，可以通過長時間對腳掌輸出切嚮往復運動，實現機器人原地停留。而傳統足式爬壁機器人，其懸空相的足在轉化為支撐相時，需要依靠處於支撐相的足，通過機體提供預壓力，容易粘附失效。
[0022](3)張緊機構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，並實時反饋。
[0023](4)側向滑動件連接機體與腳掌，配合側向彈簧，可以解決對角步態下爬壁機器人內部冗餘力問題。
[0024]本方案的一種改進形式,張緊電機輸出軸上固定驅動齒輪，與升降套筒上齒條哨合。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，主動調整粘附履帶內部張緊力，繼而主動適應不同外加載荷、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。通過張緊機構進行被動或主動調節，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性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1a為本發明的實施例一的結構示意圖；
[0027]圖1b為圖1a的主視圖；
[0028]圖2a為本發明的實施例二的結構示意圖；
[0029]圖2b為圖2a的主視圖；
[0030]圖2c為圖2a的左視圖；
[0031]圖3a為本發明實施例二的履帶式仿生爬壁機器人腳掌結構在平面上行進時，由懸空相落下並與壁面接觸時的示意圖；
[0032]圖3b為圖3a中與壁面完全接觸、粘附時形成支撐相的示意圖；
[0033]圖3c為圖3b中由支撐相變為懸空相時的示意圖；
[0034]圖4a為本發明實施例二的履帶式仿生爬壁機器人腳掌結構停留在大角度傾角或者天花板表面時向右運動的不意圖；
[0035]圖4b為圖4a中向左運動的示意圖；
[0036]圖5為本發明實施例二的履帶式仿生爬壁機器人腳掌結構越過障礙的小意圖；
[0037]圖6為本發明實施例二的履帶式仿生爬壁機器人腳掌結構在一定曲率表面行進運動時的不意圖。
【具體實施方式】
[0038]下面結合附圖和實施例，對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。
[0039]實施例一
[0040]如圖1a和圖1b所示的，一種履帶式仿生爬壁機器人腳掌結構，包括機身框架1、滾動輪4、張緊機構、粘附履帶10，所述滾動輪4通過滾動輪軸3安裝於所述機身框架I兩端，所述張緊機構包括張緊輪架5、張緊彈簧8、微型力傳感器9、張緊輪7、套筒13，所述套筒I設於所述機身框架I上表面，所述套筒13上表面設有所述微型力傳感器9，所述張緊輪架5包括軸伸52和安裝端51，所述軸伸52下端穿過所述微型力傳感器9和套筒13，所述軸伸52上套設有張緊彈簧8，所述張緊彈簧8設於所述微型力傳感器9和安裝端51之間，所述張緊輪7通過張緊輪軸6安裝於所述安裝端51上，所述張緊輪7和滾動輪4通過粘附履帶10連接，還包括一設於機身框架I上的驅動機構。所述驅動機構由機器人機體帶動，從而使腳掌結構運動。
[0041]所述套筒13為固定於所述機身框架I上表面的固定套筒。
[0042]所述驅動機構包括設於所述機身框架I側面的滑動槽12，所述滑動槽12內設有側向滑動件2，所述側向滑動件2兩側通過側向彈簧13安裝於所述滑動槽12內。
[0043]所述粘附履帶10由柔軟橡膠平帶外側固定一層粘附材料製成。
[0044]實施例二
[0045]如圖2a、圖2b和圖2c所示的，所述套筒13為設於所述機身框架I上表面的升降套筒，所述升降套筒外側面設有齒條，所述機身框架I上設有一連接有張緊電機15的驅動齒輪14，所述驅動齒輪14嚙合所述升降套筒的齒條並驅動所述升降套筒升降。
[0046]如圖3a、圖3b、圖3c所示為防生爬壁機器人腳掌結構第二個實施例在平坦表面行進的運動方法。如圖3a所示，機器人機體通過控制側向活動件2，向腳掌輸出x-y平面內旋轉和平移的運動指令。通過旋轉運動，使腳掌的兩個滾動輪連線與壁面間呈一定位姿角度α。處於懸空相的腳掌，機器人機體通過控制側向滑動件2，使腳掌右邊滾動輪4下緣粘附材料碰觸壁面，隨後將腳掌向右方平推，使右邊滾動輪4向右滾動。同時按一定規律改變α，保證右邊滾動輪4下緣粘附材料受到按壓。如圖3b所示，最終實現粘附履帶完全與壁面接觸、粘附。如圖3c所示，處於支撐相的腳掌，通過機器人機體輸入x-y平面內旋轉和平移運動，與壁面脫附。
[0047]圖4a和圖4b所示為仿生爬壁機器人腳掌結構第二個實施例輔助機器人機體在大傾角壁面或者天花板上停留時運動。機器人機體給予粘附機構一定位姿角度α，並輸出平行於壁面的往復運動(X軸方向)。剝離端粘附履帶以一定剝離角Θ剝離時，產生的剝離粘附力Fpeeling使粘附履帶10進入非剝離端滾動輪4下緣時受到按壓力Fpreload,即為粘附履帶10外側面粘附材料提供了預壓力，保證其具有一定的粘附力，進而為腳掌及機器人機體源源不斷地提供粘附力。通過改變位姿角度α，往復運動速度、頻率等，可以改變粘附履帶粘附長度a和剝離角Θ，從而適應不同的外加負載和壁面傾斜角度。通過張緊電機10輸出轉動，可以提升或降低升降套筒，繼而通過張緊彈簧8傳遞力和位移到張緊輪架5，起到主動張緊或放鬆粘附履帶10的作用，以此主動適應剝離粘附力造成的粘附履帶10張力變化，從而適應不同壁面角度和外加負載。圖4a為粘附機構平行壁面向右運動，圖4b為粘附機構平行壁面向左運動。
[0048]圖5所示為仿生爬壁機器人腳掌結構第二個實施例越過障礙示意圖。機器人機體通過側向滑動件2抬起粘附機構,直接越過障礙物100。
[0049]圖6所示為仿生爬壁機器人腳掌結構第二個實施例在具有一定曲率光滑表面行進。通過張緊電機15轉動，使張緊輪7下降，放鬆粘附履帶10，使其適應具有一定曲率的光滑表面200，幫助腳掌在該種表面穩定粘附。
[0050]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種履帶式仿生爬壁機器人腳掌結構，其特徵在於:包括機身框架、滾動輪、張緊機構、粘附履帶，所述滾動輪通過滾動輪軸安裝於所述機身框架兩端，所述張緊機構包括張緊輪架、張緊彈簧、微型力傳感器、張緊輪、套筒，所述套筒設於所述機身框架上表面，所述套筒上表面設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，所述軸伸上套設有張緊彈簧，所述張緊彈簧設於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於所述安裝端上，所述張緊輪和滾動輪通過粘附履帶連接，還包括一設於機身框架上的驅動機構。
2.根據權利要求1所述的履帶式仿生爬壁機器人腳掌結構，其特徵在於:所述套筒為固定於所述機身框架上表面的固定套筒。
3.根據根據權利要求1所述的履帶式仿生爬壁機器人腳掌結構，其特徵在於:所述套筒為設於所述機身框架上表面的升降套筒，所述升降套筒外側面設有齒條，所述機身框架上設有一連接有張緊電機的驅動齒輪，所述驅動齒輪嚙合所述升降套筒的齒條並驅動所述升降套筒升降。
4.根據權利要求2或3所述的履帶式仿生爬壁機器人腳掌結構，其特徵在於:所述驅動機構包括設於所述機身框架側面的滑動槽，所述滑動槽內設有側向滑動件，所述側向滑動件兩側通過側向彈簧安裝於所述滑動槽內。
5.根據權利要求4所述的履帶式仿生爬壁機器人腳掌結構，其特徵在於:所述粘附履帶由柔軟橡膠平帶外側固定一層粘附材料製成。
6.根據權利要求4所述的履帶式仿生爬壁機器人腳掌結構的運動方法，其特徵在於: (1)機器人機體通過控制側向滑動件，向腳掌輸出x-y平面內旋轉和平移的運動指令，通過旋轉運動，使腳掌兩個滾動輪連線與壁面間呈一定位姿角度； (2)處於懸空相的腳掌，機器人機體通過控制側向滑動件，使腳掌前進方向的前滾動輪碰觸壁面，隨後將腳掌向前方平推，使前滾動輪向前滾動，並配合一定的位姿角度變化，在此過程中完成粘附履帶與壁面的接觸、粘附。在實現完全粘附之後，即進入支撐相； (3)處於支撐相的腳掌，機器人機體通過控制側向滑動件，使前進方向的後腳掌抬起、脫附；另外，當處於大傾角壁面或頂部壁面時，機器人機體通過側向滑動件控制腳掌處於一定的位姿角度，並輸出平行於壁面的往復運動；剝離端粘附履帶以一定剝離角剝離時，剝離粘附力使非剝離端粘附履帶進入非剝離端輪下緣時受到按壓；然後，非剝離端變剝離端並提供下壓力；往復運動如進； (4)當遇到障礙時，可以採用抬起腳掌使粘附履帶脫離附著面的方法，越過障礙或避開障礙。
【文檔編號】B62D55/08GK103847823SQ201310030133
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年1月28日 優先權日:2013年1月28日
【發明者】吳晅, 張勇傑, 孫少明, 梅濤, 吳益靚 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院