CN101525010A - 可重组轮爪式湿吸爬壁机器人轮爪 - Google Patents

Abstract

一种可重组轮爪式湿吸爬壁机器人轮爪，其包括轮盘、可拆卸的爪子和足垫，爪子安装在轮盘上，轮盘由驱动电机驱动带动爪子转动；在爪子下表面安装有微结构的轻薄柔软足垫。安装时，将爪子的连杆嵌入到轮盘外沿的固定块之间，用螺钉将轮盘的螺纹孔和爪子上的台阶孔相联接，用同样的方法安装预定要求数目的爪子后，完成轮盘和爪子的联接。将轮盘套在驱动电机的转轴上，用螺钉将轮盘与电机固定，完成轮盘和电机的联接。还可以在爪子上表面安装相对厚硬的足垫，该轮爪结构简单、安装方便，与湿吸附原理相适应，便于湿吸方面的研究，还能使机器人平稳运动，能够跨越超过轮盘半径的障碍物和超过轮盘直径的壕沟。

Description

可重组轮爪式湿吸爬壁机器人轮爪

技术领域

本发明属于仿生学领域，涉及一种仿生湿吸微型机器人的足部机构，尤其是一种可重组轮爪。

背景技术

仿生方法就是从生物界寻找发现和发明的启示，模仿生物器官的功能和行为，是启发思路、获得发明和创造契机的一种重要的方法。随着微系统技术、微力测试技术、生物技术以及其它相关技术的发展，为理解生物机制及仿生应用提供了实验手段和分析方法。基于仿生学的爬壁机器人可广泛应用于搜索、救援、侦察以及科学实验和科学考察等方面。一般爬壁机器人的吸附机制可分为三类：真空吸附、电磁吸附和粘性吸附。真空吸附和电磁吸附的研究已经比较成熟，但是基于真空吸附和电磁吸附机理的机器人只能在特定的表面上运动，而不能在一般的表面上运动。基于仿生学的吸附机制做为一种新的吸附机制，它的研究还处于一个初始阶段，许多机理还不太清楚。湿吸理论的研究最近吸引越来越多研究者的关注，若能弄清吸附力的来源，用于仿生机械，则可研制出新型吸附机理的操作器械或爬壁机器人，能大大扩展人类活动范围，提高生产效率。

当前的爬壁机器人主要以足式和轮式为主：

1.足式结构

其代表为斯坦福大学设计爬壁机器人，足式移动方式的机器人可以相对较易地跨过比较大的障碍(如沟、坎等)，并且机器人的足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，但是它的结构复杂，要求的驱动电机多，控制复杂。

2.轮式结构

其代表结构为某种型号的侦察车，轮式机器人的设计简单，所要求的驱动电机少，控制简单，得到了广泛的应用。但是它有个致命的缺点就是不能翻越超过车轮半径的台阶，也不能跨越超过车轮直径的壕沟。

鉴于以上两种形式结构的存在的缺点，受到昆虫腿的结构的启发，基于仿生湿吸微型机器人的吸附机制的研究，提供了一种新型的可重组轮爪结构，用于不同情况下的吸附力的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可重组轮爪式湿吸爬壁机器人轮爪，该轮爪既能跨越超过轮盘半径的障碍物，也能跨越超过轮盘直径的壕沟，同时结构简单，需要的驱动电机少，易于控制。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

一种可重组轮爪式湿吸爬壁机器人轮爪，其包括轮盘、爪子及足垫，爪子安装在轮盘上，轮盘由驱动电机驱动带动爪子转动；在爪子下表面安装有足垫。

所述的轮盘包括固定块、螺纹孔、台阶孔、通孔，通孔位于轮盘中心与电机轴相配合，其外侧分布有用于固定电机轴的台阶孔，在轮盘最外侧圆周上设有起定位作用的固定块，固定块与台阶孔之间设有固定爪子的螺纹孔，螺纹孔分布位置与固定块错开一定角度。

所述的台阶孔为4个，均匀分布于通孔外围，所述的固定块为12个，均匀分布将圆周分成12等份。

所述的螺纹孔分为内外两排，形成两个同心圆。

所述的螺纹孔为24个，内外圆上各等间距分布12个，两同心圆的半径相差6mm。螺纹孔与固定块错开15°。

所述的爪子包括下表面、上表面、加强筋板、台阶孔、连杆，用于固定爪子的台阶孔位于端部与轮盘的螺纹孔配合固定，其外侧设有用于与轮盘固定块配合的连杆，其通过加强筋板连接爪子上下表面，爪子下表面为平整结构，其上安装有仿生光滑足垫，上表面为具有弧度的曲面。

所述的连杆宽度与轮盘上固定块的间隔相等，连杆卡设于固定块间隔内紧密耦合。

所述的光滑足垫为具有微结构的轻薄柔软足垫，其厚度为1mm～3mm，长度为4cm～8cm，宽度为2cm～3.5cm。

所述的爪子下表面设有厚硬足垫作为预载。

所述的厚硬足垫厚度为4mm～7mm，长度为4cm～8cm，宽度为2cm～3.5cm。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：轮盘上的12个固定块是等间距分布的，因为轮盘和爪子是分开设计的，爪子可拆卸，所以可以能够重组为三爪、四爪、六爪的结构。由于间距的影响，三爪、四爪、六爪的结构是比较合理的，为了增加吸附力，采用足垫的双层结构。通过对轮爪进行重组，可以方便地用于不同情况下的吸附力的测量；而且该轮爪既能跨越超过轮盘半径的障碍物，也能跨越超过轮盘直径的壕沟，结构简单，安装拆卸方便。

附图说明

图1为轮盘结构的主视结构示意图。

图2为轮盘结构的后视结构示意图。

图3为左爪子结构示意图。

图4为右爪子结构示意图。

图5为双层足垫结构示意图。

图6为本发明实施例三爪结构示意图。

图7为本发明实施例四爪结构示意图。

图8为本发明实施例六爪结构示意图。

图9为预载与水平吸附力的关系图。

图10为足垫厚度与预载大小的关系图。

图11为双层结构吸附和剥离示意图。其中(a)为吸附，(b)为剥离。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

如图1～图5所示，本发明可重组轮爪式湿吸爬壁机器人轮爪包括轮盘、爪子及足垫，轮盘安装在驱动电机上，随轴一起转动；爪子安装在轮盘上，随着轮盘转动；在爪子的下表面3-1安装具有微结构的轻薄柔软足垫(聚亚安酯，模具硅胶研制而成)。

如图1、图2所示，轮盘上主要包括：用于定位的固定块1-1、用于改变机器人重心的螺纹孔1-2、用于固定电机轴的台阶孔1-3、与电机轴配合的通孔1-4。通孔1-4位于轮盘中心，其外侧均匀分布有4个台阶孔1-3，在轮盘最外侧圆周上有12个起定位作用的固定块1-1，这些固定块1-1均匀分布，将圆周分成12等份，爪子置于固定块1-1之间，可以重组成相隔120°、90°、60°的三爪、四爪、六爪的轮爪结构。固定块1-1与台阶孔1-3之间共有24个螺纹孔1-2，螺纹孔1-2形成内外两个圆形排列，外圆和内圆上各等间距分布12个螺纹孔1-2，外圆和内圆是同心的，同心分布螺纹孔圆周的半径相差6mm。沿圆周均匀分布的固定块1-1和螺纹孔1-2以间隔30°均匀分布，二者之间相差15°。通过用螺栓将爪子固定在不同圆周的螺纹孔1-2上，达到调节爪子的高度，从而可以调节机器人重心的高低/重心离壁面的距离。因为重心的高低也会影响到吸附性能，通过上述结构，可以研究不同重心下机器人的吸附能力。

因为采用BIOLOID公司的生产的机器人的底座和驱动电机，用4个台阶孔1-3将轮盘固定在电动机的轴上，同时台阶孔1-3还能起到保护螺栓的作用。与电机轴配合的通孔1-4，使电机和轮盘3能有效的配合。

如图3～图5所示，爪子上主要包括：底部用于安装仿生足垫的平面3-1、用于施加预载的曲面3-2、用于加固的加强筋板3-3、用于与固定块1-1配合的连杆3-4、用于固定爪子的台阶孔3-5。爪子下平面3-1为平整结构，用于安装不同面积大小、不同厚度的仿生光滑足垫5-1，通过实验研究不同足垫大小和厚度下的吸附力，选择合适面积和厚度的仿生足垫，实现机器人的爬壁运动，光滑足垫5-1厚度在1mm到3mm之间，长度在4cm到8cm之间，宽度在2cm到3.5cm之间。爪子另一侧上表面3-2为一具有一定弧度的表面，其用于安装施加预载。用加强筋板3-3可以有效的防止实验时，机器人在爬壁时，由于吸附力不够，从壁上掉下来，致使爪子摔断。固定爪子的台阶孔3-5将爪子固定在轮盘上，为了进一步固定爪子，采用与固定块1-1配合的连杆3-4进一步固定爪子，使机器人行走时，轮盘和爪子之间减少相对晃动，更加稳固的联接。爪子上与固定块1-1配合的连杆3-4的宽度与轮盘上固定块1-1的间隔相等。

由于本发明的湿吸爬壁机器人是结构对称的，爪子可以分为分为安装在左边的爪子(如图3)和安装在右边的爪子(如图4)，这两种不同的爪子结构是对称的。

为了增加足垫的吸附力，使机器人能够更加稳定的工作，在爪子上面的曲面3-2上安装一块具有一定柔性和硬度与下表面3-1足垫类似的厚硬足垫5-2，从而使上足垫5-2能在下足垫5-1与表面接触时提供一个预载力，增加足垫与接触面的有效接触面积，增加垂直与平行方向的吸附力。厚硬足垫5-2大小与光滑足垫5-1相近，厚度在4mm到7mm之间。经过实验测定，吸附力与预载有很大的关系，如图9所示：当预载从0开始增加时，吸附力几乎成线性增加，但到达一定的数值时，吸附力就固定在一个相对稳定的数值上保持不变，此时再加大预载，吸附力增加很小。为了加大吸附力，同时又要使机器人的总体质量不致于过重，用于施加预载的足垫的厚度不能太厚，否则对吸附力的影响反而是负面的。如果厚度太厚，虽然能够在下足垫5-1与表面接触时提供一个大的预载力，增加足垫5-1与接触面的有效接触面积，但预载力超过一定值时，吸附力几乎不变；但在剥离时，主要由于反作用力的作用，使下足垫5-1容易剥离，有可能造成脱离，从而使湿吸机器人从壁上掉下来，上足垫5-2的厚度与预载的大小的实验结果如图10所示。

根据实验的测定，设计了这种双层结构使机器人足垫5-1刚接触物体表面时，可以施加一个预载——足垫5-2，加大吸附力；而且在足垫剥离时，容易剥离。经过实验测定，在预载合适情况下，相比没有预载的情况，吸附力明显改善。这种双层结构吸附和剥离如图11所示。本发明可重组轮爪式湿吸爬壁机器人轮爪可以配置成三爪(如图6)、四爪(如图7)、六爪(如图8)的形式，这些组态下，爪子都是沿轮盘周向均匀分布。通过三爪、四爪、六爪的形式，通过这种可重组的轮爪式的结构，可以很方便地从横向和纵向设计不同的实验，进行吸附机制的研究：通过不同的爪子数，不同的足垫面积下，比较吸附力的大小；通过调节爪子的长度，比较不同重心下吸附力的大小；通过同一种爪子数下，比较不同足垫面积、不同足垫厚度下吸附力的大小；通过同一种爪子数下，比较有无预载的情况下吸附力的大小等等。

根据实验的设计，选取不同的具有微结构的足垫，用胶水粘在底部用于安装仿生足垫的平面3-1上，若根据实验的要求，要求有预载，则将一块一定厚度的足垫(不具有微结构)，用胶水粘在施加预载的曲面3-2上，如图5所示。

将爪子中的用于与固定块1-1配合的连杆3-4，安装在固定块1-1的间隔中，连杆3-4与固定块1-1之间紧密耦合，可以有效防止爪子在轮盘上的位置发生移动。

将与电机配合的通孔1-4套在电机轴上。将用于固定爪子的台阶孔3-5与用于改变重心的螺纹孔1-2对准，将二者用用M5的螺钉固定，这样可以进一步防止爪子与轮盘之间的相对运动。选择外圆的螺纹孔1-2，则机器人的重心高；选择内圆的螺纹孔1-2，则减少爪子在轮盘外的长度，机器人的重心低。

根据实验的要求，安装其余的爪子，方法如上所述。

轮盘和爪子组态好后，根据爪子数的不同(结构如图6～8所示)，将用于固定轮盘的台阶孔1-3与电机上的螺纹孔相对应，用M5的螺钉，通过台阶孔1-3将轮盘固定在机器人上。

根据上述步骤，对本发明“可重组轮爪式湿吸爬壁机器人轮爪”进行安装实现。

实验中利用可重组的机器人，将它组态成普通的轮式结构的机器人，根据上述的轮盘、爪子和足垫的安装方法，将本发明安装在机器人的轴上。根据三爪、四爪、六爪的不同的组态方式，使各轮爪之间相互错开不同的角度，角度的大小根据不同的组态方式进行调整，确保机器人在运动的时候，足垫能够提供尽可能大的吸附力，使机器人在墙上运动时，不会因为吸附力太小而造成行走失败。利用专用的编程工具，设计轮式机器人的运动程序，程序设计完成后，经过调试后，通过数据线将程序下载到机器人的存储器中。打开机器人上的开关，机器人就可以根据预先编制好的运动程序运动，运动方式为滚动，与一般的轮式机器人的运动方式类似。安装本发明后的机器人基本上可以保持平稳的运行。

因为爪子之间的间隔不同，底部用于安装仿生足垫的平面3-1上所安装的仿生足垫的大小是不一样的。三爪式因为之间的间隔大，可以加大足垫的面积；而六爪式由于之间的间隔小，为防止机器人运动时足垫弯曲，必须减小足垫的面积。通过上述的结构，可以研究不同爪子数下和不同足垫面积下，机器人的吸附性能。经过实验测定，三爪结构下，可以贴的足垫的最大长度为75mm，可以停留在80°的斜坡上，但它要求驱动电机的转矩输出最大，适合的电机选择困难，在所选择的驱动电机下，只能爬上50°；六爪结构下，可以贴的足垫的最大长度为45mm，驱动电机要求的输出转矩小，可以停留在66°的斜坡上，能爬上62°的斜坡；四爪结构下，吸附性能最好，可以贴的足垫的最大长度为70mm，可以停留在74°的斜坡上，能爬上65°的斜坡。不同爪子数下机器人的爬壁性能比较如表1所示。

表1

轮爪上安装的爪子数	仿生足垫的最大长度/mm	停留在斜坡上的最大角度/°	爬上斜坡最大角度/°
				3	75	80	50
4	70	74	65
				6	45	66	62

本发明一种可重组轮爪式湿吸爬壁机器人轮爪，其创新点主要在可重组轮爪和足垫的双层结构。可以根据实际需要，调整轮爪配置的爪子数，这些爪子都是沿轮爪周向均匀分布。通过对轮爪进行重组，可以方便地用于不同情况下的吸附力的测量；足垫的双层结构，在爪子的下表面3-1安装具有微结构的轻薄柔软足垫(聚亚安酯，模具硅胶研制而成)，然后在具有一定弧度的上表面3-2安装相对厚硬的足垫，从而使上足垫5-2能在下足垫5-1与表面接触时提供一个预载力，增加足垫与接触面的有效接触面积，增加垂直与平行方向的吸附力；而且该轮爪既能跨越超过轮盘半径的障碍物，也能跨越超过轮盘直径的壕沟，结构简单，安装拆卸方便，体积小巧、重量轻巧，具有一定的强度，不易损坏，成本低。

将湿吸机制用于仿生机械，研制出新型吸附机理的操作器械或爬壁机器人，可以用于许多领域：如空间探索、执行军事任务、危险排除、高空户外作业等，能大大扩展人类活动范围，提高生产效率。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种可重组轮爪式湿吸爬壁机器人轮爪，其特征在于：其包括轮盘、爪子及足垫，爪子安装在轮盘上，轮盘由驱动电机驱动带动爪子转动；在爪子下表面安装有足垫。

2、如权利要求1所述的可重组轮爪式湿吸爬壁机器人轮爪，其特征在于：所述的轮盘包括固定块、螺纹孔、台阶孔、通孔，通孔位于轮盘中心与电机轴相配合，其外侧分布有用于固定电机轴的台阶孔，在轮盘最外侧圆周上设有起定位作用的固定块，固定块与台阶孔之间设有固定爪子的螺纹孔，螺纹孔分布位置与固定块错开一定角度。

3、如权利要求2所述的可重组轮爪式湿吸爬壁机器人轮爪，其特征在于：所述的台阶孔为4个，均匀分布于通孔外围，所述的固定块为12个，均匀分布将圆周分成12等份。

4、如权利要求2所述的可重组轮爪式湿吸爬壁机器人轮爪，其特征在于：所述的螺纹孔分为内外两排，形成两个同心圆。

5、如权利要求2所述的可重组轮爪式湿吸爬壁机器人轮爪，其特征在于：所述的螺纹孔为24个，内外圆上各等间距分布12个，两同心圆的半径相差6mm。螺纹孔与固定块错开15°。

6、如权利要求1所述的可重组轮爪式湿吸爬壁机器人轮爪，其特征在于：所述的爪子包括下表面、上表面、加强筋板、台阶孔、连杆，用于固定爪子的台阶孔位于端部与轮盘的螺纹孔配合固定，其外侧设有用于与轮盘固定块配合的连杆，其通过加强筋板连接爪子上下表面，爪子下表面为平整结构，其上安装有仿生光滑足垫，上表面为具有弧度的曲面。

7、如权利要求6所述的可重组轮爪式湿吸爬壁机器人轮爪，其特征在于：所述的连杆宽度与轮盘上固定块的间隔相等，连杆卡设于固定块间隔内紧密耦合。

8、如权利要求6所述的可重组轮爪式湿吸爬壁机器人轮爪，其特征在于：所述的光滑足垫为具有微结构的轻薄柔软足垫，其厚度为1mm～3mm，长度为4cm～8cm，宽度为2cm～3.5cm。

9、如权利要求1所述的可重组轮爪式湿吸爬壁机器人轮爪，其特征在于：所述的爪子下表面设有厚硬足垫作为预载。

10、如权利要求9所述的可重组轮爪式湿吸爬壁机器人轮爪，其特征在于：所述的厚硬足垫厚度为4mm～7mm，长度为4cm～8cm，宽度为2cm～3.5cm。

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