基于鉤爪附著的仿生四足爬壁機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及攀爬機(jī)器人的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種仿生攀爬機(jī)器人。
技術(shù)背景
[0002]目前，建筑物的外壁噴涂，清洗，搶險(xiǎn)救援與社會(huì)服務(wù)等多個(gè)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(xiǎn)，急需有攀爬功能的爬壁機(jī)器人代替人工進(jìn)行作業(yè)。
[0003]目前，國內(nèi)外發(fā)明出許多爬壁機(jī)器人，比如哈爾濱工程大學(xué)的鉤爪式爬壁機(jī)器人；斯坦福大學(xué)的Stickybot。這些機(jī)器人都能實(shí)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(duì)復(fù)雜，不易于實(shí)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(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)，合理安排腿部結(jié)構(gòu)，并通過機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)器人，包括前機(jī)體板，后機(jī)體板、用于連接前機(jī)體板和后機(jī)體板的連桿、安裝在后機(jī)體板尾部的尾巴、分別安裝于前機(jī)體板、后機(jī)體板左右兩側(cè)的共四條機(jī)械腿；機(jī)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(jī)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(jī)械腿所在平面之間的角度可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)突出的柔性矩形條，每個(gè)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(shí)，阻尼轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度實(shí)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(shí)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(jī)器人增強(qiáng)對(duì)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(jī)器人，其特征在于:所述用于連接前機(jī)體板和后機(jī)體板的連桿包括柔性連桿和剛性連桿；前機(jī)體板與后機(jī)體板的上表面通過柔性連桿連接，前機(jī)體板與后機(jī)體板的下表面通過剛性連桿連接。前機(jī)體板和后機(jī)體板可以相對(duì)于剛性連桿的上下鉸接孔轉(zhuǎn)動(dòng)。這種連接方式既保證了機(jī)器人的身體可以扭動(dòng)，又能保證前機(jī)體板與后機(jī)體板在同一平面內(nèi)。柔性連桿提供了機(jī)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(jī)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(jī)器人，其特征在于:所述尾巴與后機(jī)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(jì)可以提供機(jī)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(jī)器人，其特征在于:所述機(jī)械腿由驅(qū)動(dòng)腿，隨動(dòng)腿，腳掌連桿，俯仰關(guān)節(jié)，俯仰舵機(jī)和擺腿舵機(jī)組成；其中俯仰舵機(jī)安置在前機(jī)體板或后機(jī)體板上，俯仰關(guān)節(jié)一端安裝在俯仰舵機(jī)的輸出軸上，另一端與前機(jī)體板或后機(jī)體板鉸接，擺腿舵機(jī)通過預(yù)留出的舵機(jī)孔安裝在俯仰關(guān)節(jié)上，隨動(dòng)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(dòng)腿一端固定在擺腿舵機(jī)的輸出軸上，另一端鉸接在腳掌連桿上。每條腿有兩個(gè)自由度，每個(gè)自由度有相應(yīng)的舵機(jī)控制其運(yùn)動(dòng)。俯仰舵機(jī)控制腿部的上下運(yùn)動(dòng)，擺腿舵機(jī)控制腿部的前后擺動(dòng)。本機(jī)器人設(shè)計(jì)的四條腿部的結(jié)構(gòu)是一致的，因而整個(gè)機(jī)身由八個(gè)舵機(jī)控制其運(yùn)動(dòng)。所述腿部結(jié)構(gòu)為平行四邊形結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)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(jī)器人的機(jī)體重量，簡(jiǎn)化了機(jī)器人的步態(tài)控制。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于:采用平行四邊形腿部結(jié)構(gòu)，減輕了機(jī)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(jī)體板之間使用柔性連桿和剛性連桿連接，使前、后機(jī)體板總是保持在同一平面內(nèi)，同時(shí)在垂直身體軸向方向具有自由度。尾部采用扭簧與機(jī)體板連接，具有良好的彈性，保證了爬行的穩(wěn)定性。機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)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(biāo)號(hào)名稱:1.俯仰舵機(jī)；2.俯仰關(guān)節(jié)；3.前機(jī)體板；4.擺腿舵機(jī)；5.柔性連接桿；
6.腳掌；7.腳掌連桿；8.隨動(dòng)腿；9.驅(qū)動(dòng)腿；10.后機(jī)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(shí)施方式】
[0012]結(jié)合附圖進(jìn)行具體說明
如圖1所示，為基于鉤爪的仿生四足爬壁機(jī)器人具體設(shè)計(jì)圖，機(jī)器人由前機(jī)體板3，下機(jī)體10，腿部，尾巴12，腳掌6組成。腿部由驅(qū)動(dòng)腿9，隨動(dòng)腿8，腳掌連桿7，俯仰關(guān)節(jié)2，俯仰舵機(jī)I和擺腿舵機(jī)4組成。俯仰舵機(jī)I通過膠接安置在前機(jī)體板3上，擺腿舵機(jī)4通過預(yù)留出的舵機(jī)孔安裝在俯仰關(guān)節(jié)2上，擺腿舵機(jī)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(jī)I的輸出軸上，另一端與前機(jī)體板3鉸接。隨動(dòng)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(dòng)腿9 一端固定在擺腿舵機(jī)4的輸出軸上，另一端鉸接在腳掌連桿7上。每條腿有兩個(gè)自由度，每個(gè)自由度有相應(yīng)的舵機(jī)控制其運(yùn)動(dòng)。俯仰舵機(jī)I控制腿部的上下運(yùn)動(dòng)，擺腿舵機(jī)4控制腿部的前后擺動(dòng)。本機(jī)器人的設(shè)計(jì)的四條腿部的結(jié)構(gòu)是一致的，因而整個(gè)機(jī)身有八個(gè)舵機(jī)控制其運(yùn)動(dòng)。
[0013]如圖4為基于鉤爪的仿生四足爬壁機(jī)器人腳掌6的詳細(xì)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(gè)柔性矩形條，柔性矩形條之間是獨(dú)立的，受力時(shí)可以分別在平行柔性矩形條與垂直柔性矩形條兩個(gè)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(gè)矩形條前端安置一個(gè)鉤爪16。柔性連接塊15與腳掌基體17通過機(jī)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(dòng)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(jī)體板3與后機(jī)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(jī)體板3和后機(jī)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(jī)體板3和后機(jī)體板10的下表面。剛性連桿13如圖5所示，前機(jī)體板3和后機(jī)體板10可以相對(duì)于剛性連桿13的上下鉸接孔轉(zhuǎn)動(dòng)。這種連接方式既保證了機(jī)器人的身體可以扭動(dòng)，又能保證前機(jī)體板3與后機(jī)體板10在同一平面內(nèi)，保證了機(jī)器人的爬行穩(wěn)定性。如圖2為機(jī)器人不受力時(shí)不產(chǎn)生扭動(dòng)的初始狀態(tài)。
[0015]如圖2所示，機(jī)器人的尾巴12與后機(jī)體板10通過扭簧11連接，使尾巴12與機(jī)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(gè)機(jī)器人有八個(gè)舵機(jī)需要控制，舵機(jī)與舵機(jī)驅(qū)動(dòng)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(hào)到舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板以協(xié)調(diào)腿部之間的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)攀爬動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)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(hào)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)來協(xié)調(diào)腿部之間的運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人能模擬爬壁動(dòng)物的交替三足步態(tài)和對(duì)角步態(tài)。能實(shí)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(xiàng)】
1.一種基于鉤爪附著的仿生四足爬壁機(jī)器人，包括前機(jī)體板(3)，后機(jī)體板(10)、用于連接前機(jī)體板(3)和后機(jī)體板(10)的連桿、安裝在后機(jī)體板(10)尾部的尾巴(12)、分別安裝于前機(jī)體板(3)、后機(jī)體板(10)左右兩側(cè)的共四條機(jī)械腿；機(jī)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(jī)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(jī)械腿所在平面之間的角度可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)突出的柔性矩形條，每個(gè)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(jī)器人，其特征在于:所述用于連接前機(jī)體板(3)和后機(jī)體板(10)的連桿包括柔性連桿(5)和剛性連桿(13);前機(jī)體板(3)與后機(jī)體板(10)的上表面通過柔性連桿(5)連接，前機(jī)體板(3)與后機(jī)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(jī)器人，其特征在于:所述尾巴(12)與后機(jī)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(jī)器人，其特征在于:所述機(jī)械腿由驅(qū)動(dòng)腿(9)，隨動(dòng)腿(8)，腳掌連桿(7)，俯仰關(guān)節(jié)(2)，俯仰舵機(jī)(I)和擺腿舵機(jī)(4)組成；其中俯仰舵機(jī)(I)安置在前機(jī)體板(3 )或后機(jī)體板(10 )上，俯仰關(guān)節(jié)(2 ) 一端安裝在俯仰舵機(jī)(I)的輸出軸上，另一端與前機(jī)體板(3)或后機(jī)體板(10)鉸接，擺腿舵機(jī)(4)通過預(yù)留出的舵機(jī)孔安裝在俯仰關(guān)節(jié)(2)上，隨動(dòng)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(dòng)腿(9) 一端固定在擺腿舵機(jī)(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(jī)器人，及攀爬機(jī)器人的技術(shù)領(lǐng)域。它包括前機(jī)體板（3），后機(jī)體板（10）、連桿、尾巴（12）、機(jī)械腿；機(jī)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(jī)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(jī)械腿所在平面之間的角度可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)突出的柔性矩形條，每個(gè)柔性矩形條的末端均安裝有鉤爪（16）本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易，易于組裝。
【IPC分類】B62D57/024
【公開號(hào)】CN105128971
【申請(qǐng)?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(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年9月7日