CN106379434A - 具有主动粘/脱附的接触力自感知与自适应仿壁虎脚掌 - Google Patents

Abstract

一种具有主动粘/脱附的接触力自感知与自适应仿壁虎脚掌，属于机器人技术应用领域。它包括小腿梁（1）、一维力传感器（2）、牵线舵机支架(3)、旋转支撑架(4)、牵线舵机(5)、旋转法兰(6)、二维力传感器(7)、球头(8)、球关节盖、弹簧、脚趾片基底和粘附材料。本发明可以主动驱动多个脚趾，实现主动粘附和主动脱附功能；采用不同方向的一维力和二维力传感器组合，与主动粘附和脱附机构运动解耦，避免了运动与力感知的耦合问题；增加了具有8个复位弹簧约束的3自由度的球关节，脚掌具有空间表面自适应能力。

Description

具有主动粘/脱附的接触力自感知与自适应仿壁虎脚掌

技术领域

本发明属于机器人技术应用领域，具体涉及一种具有主动粘/脱附的接触力自感知与自适应仿壁虎脚掌，主要应用微小型粘附足式机器人结构设计中。

背景技术

壁虎能够在空间任意表面行走，仿生设计的微小型粘附足式机器人模拟壁虎的运动功能，开展了在空间表面粘附爬行实验，该研究具有重要的学术价值和应用前景，未来将在空间微重力环境下进行初步应用，为空间站的在轨维修服务提供技术保障。目前国内外微小型粘附足式机器人可在墙面爬行，有足/轮式、足式、足/履带式等结构形式（C. Menon,M. Sitti, A Biomimetic Climbing Robot Based on the Gecko, Journal of BionicEngineering, Vol.3, No.3, pp: 115-125, 2006.；M. Henrey, J.Krahn, A. Ahmed, K.Wormnes and C. Menon, Climbing with structured dry adhesives: sticky robotsfor scaling smooth vertical surfaces, the 12th Symposium on Advanced SpaceTechnologies in Robotics and Automation, 2013；P. Birkmeyer, A. G. Gillies, R.S. Fearing, Dynamic climbing of near-vertical smooth surfaces, the IEEE/RSJInternational Conference on Intelligent Robots and Systems, Vilamoura,Algarve, Portugal, pp: 286-292, 2012；B. Aksak, M. P. Murphy and M. Sitti,Gecko Inspired Micro-Fibrillar Adhesives for Wall Climbing Robots on Micro/Nanoscale Rough Surfaces, IEEE International Conference on Robotics andAutomation, Pasadena, CA, USA, pp: 3058-3063, 2008；T. Seo, M. Sitti, Tank-Like Module-Based Climbing Robot Using Passive Compliant Joints, IEEE/ASMETRANSACTIONS ON MECHATRONICS, Vol. 18, No. 1, pp: 397-408, 2013.）。

文献（R. Chen, R. Liu, J. Chen and J. Zhang, A Gecko Inspired Wall-climbing Robot Based on Electrostatic Adhesion Mechanism, Proceeding of theIEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, Shenzhen, China,pp: 396-401,2013.；S. Kim, M. Spenko, S. Trujillo, B. Heyneman, V. Mattoli, M.R. Cutkosky, Whole body adhesion: hierarchical, directional and distributedcontrol of adhesive forces for a climbing robot, 2007 IEEE InternationalConference on Robotics and Automation, Roma, Italy, pp:1268-1273, 2007）中了解可知，相似的粘附机器人脚掌只具有简单的脱附拉线传动，不具有主动粘附功能，且在空间表面适应性和三维接触力感知方面并未开展研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有主动粘/脱附的接触力自感知与自适应仿壁虎脚掌，该脚掌具有主动粘附和脱附运动功能、满足三维接触力感知和空间表面自适应要求，可应用于微小型粘附足式机器人结构设计中。

一种主动粘/脱附的接触力自感知与自适应仿壁虎脚掌，包括小腿梁、一维力传感器、Z向应变片、牵线舵机支架、旋转支撑架、旋转支撑架a孔、旋转支撑架b孔、旋转支撑架c孔、旋转支撑架d孔、牵线舵机、旋转法兰、旋转法兰a端、旋转法兰b端、旋转法兰c端、旋转法兰d端、二维力传感器、二维力传感器一号孔、二维力传感器二号孔、二维力传感器三号孔、二维力传感器四号孔、X向应变片、Y向应变片、右螺钉、左螺钉、球头、球关节上盖、球关节上盖a孔、球关节上盖b孔、球关节上盖c孔、球关节上盖d孔、球关节下盖、一号脚趾片、一号脚趾片一号端、一号脚趾片二号端、一号脚趾片三号端、一号脚趾片四号端、一号脚趾片a脱附线、一号脚趾片b脱附线、一号脚趾片c粘附线、一号脚趾片d粘附线、二号脚趾片、二号脚趾片一号端、二号脚趾片二号端、二号脚趾片三号端、二号脚趾片四号端、二号脚趾片a脱附线、二号脚趾片b脱附线、二号脚趾片c粘附线、二号脚趾片d粘附线、三号脚趾片、三号脚趾片一号端、三号脚趾片二号端、三号脚趾片三号端、三号脚趾片四号端、三号脚趾片a脱附线、三号脚趾片b脱附线、三号脚趾片c粘附线、三号脚趾片d粘附线、四号脚趾片、四号脚趾片一号端、四号脚趾片二号端、四号脚趾片三号端、四号脚趾片四号端、四号脚趾片a脱附线、四号脚趾片b脱附线、四号脚趾片c粘附线、四号脚趾片d粘附线、一号脚趾片粘附材料、二号脚趾片粘附材料、三号脚趾片粘附材料、四号脚趾片粘附材料、一号脚趾片a弹簧、一号脚趾片b弹簧、二号脚趾片a弹簧、二号脚趾片b弹簧、三号脚趾片a弹簧、三号脚趾片b弹簧、四号脚趾片a弹簧、四号脚趾片b弹簧。

定义三维坐标系，Z轴为脚掌向上方向，Y轴为脚掌向后方向，X轴为脚掌向左方向。

该具有主动粘/脱附的接触力自感知与自适应仿壁虎脚掌，其中一维力传感器一端与小腿梁固定，另一端与牵线舵机支架固定；一维力传感器的XY面贴有Z向应变片；

牵线舵机置于牵线舵机支架内；旋转支撑架固定于牵线舵机支架上方，牵线舵机输出轴平行Z轴，牵线舵机输出轴穿出旋转支撑架，并与旋转法兰固定；二维力传感器顶端与牵线舵机支架下端固定，二维力传感器的YZ面和XZ面分别贴有X向应变片和Y向应变片。

球头的上部为杆端、下部为球端，球头的杆端与二维力传感器底端固定，其中球关节盖由球关节上盖和球关节下盖组成，两者固定并将球头的球端包裹在内；球关节盖有四个均布的侧表面，每个侧表面固定有一脚趾片，每个脚趾片下方贴有粘附材料；球关节盖的每个侧表面与二维力传感器之间安装有弹簧。

上述四个脚趾片按逆时针方向依次称为一号脚趾片、二号脚趾片、三号脚趾片、四号脚趾片；每个脚趾片前部两端和根部两侧各有一个定位端； 其中一号脚趾片按逆时针方向前部两端的定位端依次为一号脚趾片一号端、一号脚趾片二号端，根部两侧的定位端依次为一号脚趾片三号端、一号脚趾片四号端；其中二号脚趾片按逆时针方向前部两端的定位端依次为二号脚趾片一号端、二号脚趾片二号端，根部两侧的定位端依次为二号脚趾片三号端、二号脚趾片四号端；其中三号脚趾片按逆时针方向前部两端的定位端依次为三号脚趾片一号端、三号脚趾片二号端，根部两侧的定位端依次为三号脚趾片三号端、三号脚趾片四号端；其中四号脚趾片按逆时针方向前部两端的定位端依次为四号脚趾片一号端、四号脚趾片二号端，根部两侧的定位端依次为四号脚趾片三号端、四号脚趾片四号端。

球关节盖的均匀布置四个轴向通孔，对应一号脚趾片和二号脚趾片之间的通孔称作球关节盖c孔，对应二号脚趾片和三号脚趾片之间的通孔称作球关节盖d孔，对应三号脚趾片和四号脚趾片之间的通孔称作球关节盖a孔，对应四号脚趾片和一号脚趾片之间的通孔称作球关节盖b孔。

二维力传感器底部均匀布置四个轴向通孔，对应一号脚趾片和二号脚趾片之间的通孔称二维力传感器一号孔，对应二号脚趾片和三号脚趾片之间的通孔称作二维力传感器二号孔，对应三号脚趾片和四号脚趾片之间的通孔称作二维力传感器三号孔，对应四号脚趾片和一号脚趾片之间的通孔称作二维力传感器四号孔。

旋转支撑架按逆时针方向均匀设置四个通孔，依次称为旋转支撑架a孔、旋转支撑架b孔、旋转支撑架c孔、旋转支撑架d孔。

旋转法兰按逆时针方向均匀设置四个固定端，依次称为旋转法兰a端、旋转法兰b端、旋转法兰c端、旋转法兰d端。

该脚掌设置有16根线，分别为一号脚趾a脱附线、一号脚趾b脱附线、一号脚趾c粘附线、一号脚趾d粘附线、二号脚趾a脱附线、二号脚趾b脱附线、二号脚趾c粘附线、二号脚趾d粘附线、三号脚趾a脱附线、三号脚趾b脱附线、三号脚趾c粘附线、三号脚趾d粘附线、四号脚趾a脱附线、四号脚趾b脱附线、四号脚趾c粘附线、四号脚趾d粘附线；其中一号脚趾b脱附线一端固定于一号脚趾片二号端，通过旋转支撑架a孔后，另一端固定于旋转法兰a端；其中二号脚趾a脱附线一端固定于二号脚趾片一号端，通过旋转支撑架a孔后，另一端固定于旋转法兰a端；其中二号脚趾b脱附线一端固定于二号脚趾片二号端，通过旋转支撑架b孔后，另一端固定于旋转法兰b端；其中三号脚趾a脱附线一端固定于三号脚趾片一号端，通过旋转支撑架b孔后，另一端固定于旋转法兰b端；其中三号脚趾b脱附线一端固定于三号脚趾片二号端，通过旋转支撑架c孔后，另一端固定于旋转法兰c端；其中四号脚趾a脱附线一端固定于四号脚趾片一号端，通过旋转支撑架c孔后，另一端固定于旋转法兰c端；其中四号脚趾b脱附线一端固定于四号脚趾片二号端，通过旋转支撑架d孔后，另一端固定于旋转法兰d端；其中一号脚趾a脱附线一端固定于一号脚趾片一号端，通过旋转支撑架d孔后，另一端固定于旋转法兰d端；其中一号脚趾d粘附线一端固定于一号脚趾片四号端，依次经过球关节盖a孔、二维力传感器三号孔、旋转支撑架c孔后，另一端固定于旋转法兰a端；其中二号脚趾c粘附线一端固定于二号脚趾片三号端，依次经过球关节盖a孔、二维力传感器三号孔、旋转支撑架c孔后，另一端固定于旋转法兰a端；其中二号脚趾d粘附线一端固定于二号脚趾片四号端，依次经过球关节盖b孔、二维力传感器四号孔、旋转支撑架d孔后，另一端固定于旋转法兰b端；其中三号脚趾c粘附线一端固定于三号脚趾片三号端，依次经过球关节盖b孔、二维力传感器四号孔、旋转支撑架d孔后，另一端固定于旋转法兰b端；其中三号脚趾d粘附线一端固定于三号脚趾片四号端，依次经过球关节盖c孔、二维力传感器一号孔、旋转支撑架a孔后，另一端固定于旋转法兰c端；其中四号脚趾c粘附线一端固定于四号脚趾片三号端，依次经过球关节盖c孔、二维力传感器一号孔、旋转支撑架a孔后，另一端固定于旋转法兰c端；其中四号脚趾d粘附线一端固定于四号脚趾片四号端，依次经过球关节盖d孔、二维力传感器二号孔、旋转支撑架b孔后，另一端固定于旋转法兰d端；其中一号脚趾c粘附线一端固定于一号脚趾片三号端，依次经过球关节盖d孔、二维力传感器二号孔、旋转支撑架b孔后，另一端固定于旋转法兰d端。

本发明的工作原理为：本发明中球关节盖均布的四个侧表面上增加了8根约束弹簧，通过具有这种复位功能的弹簧约束自适应球关节，实现了三个姿态角度自由旋转，且在不受力状态下可以恢复到初始位置，这样保证了脚掌能与空间表面贴合，具备仿生脚掌在空间表面自适应的能力；在检测三维力时，采用不同方向的一维力和二维力传感器组合，能与主动粘附和脱附机构的运动解耦，避免了运动与力感知的耦合问题，可有效检测脚掌的三维接触粘附力；为满足舵机的来回反复旋转运行实现脚趾的外翻和内翻运动，巧妙的采用粘/脱附线两套传动装置，利用孔洞错位穿线，有效增加驱动力臂，最终设计了粘/脱附线机构，通过脚掌的舵机旋转，带动脚趾外翻和内翻运动，结合粘附材料作用效果，可有效实现粘附脚趾的主动粘附和脱附运动功能。

为此本发明脚掌设计中，增加了具有8个复位弹簧约束的3自由度的球关节，具有空间表面适应能力；同时增加了粘附脚掌的主动粘附与脱附功能，通过舵机的旋转，驱动拉线机构，实现机器人脚掌的主动粘附和脱附运动，增加了微小型足式粘附机器人在目标表面粘附移动的可操作性，有效地提高了粘附的稳定性。对于粘附行走的足式粘附机器人而言，需要空间三维接触粘附力感知能力，实现真正空间不同表面上稳定行走。本发明在检测三维力时，采用不同方向的一维力和二维力传感器组合，与主动粘附和脱附机构运动相解耦，避免了运动与力感知的耦合问题，可有效检测脚掌的三维接触粘附力，使微小型足式粘附机器人在目标表面粘附运动时更具有优越性。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、本发明可以主动驱动多个脚趾，实现主动粘附和主动脱附功能，方便微小型足式粘附机器人在目标表面的粘/脱附行走运动；

2、本发明采用不同方向的一维力和二维力传感器组合，与主动粘附和脱附机构运动解耦，避免了运动与力感知的耦合问题，可有效检测脚掌的三维接触粘附力；

3、本发明的结构巧妙、体积小、重量轻、加工方便、经济可行；

4、本发明满足微小型仿生机器人脚掌机构-感知-驱动一体化设计要求，为微小型足式粘附机器人提供有效的仿生脚掌设计方案。

附图说明

图1是本发明主动粘/脱附的接触力自感知与自适应仿壁虎脚掌示意图；

图2是本发明主动粘/脱附的接触力自感知与自适应仿壁虎脚掌线连接端口示意图；

图3是本发明主动粘/脱附的接触力自感知与自适应仿壁虎脚掌爆炸示意图；

图4是本发明主动粘/脱附的接触力自感知与自适应仿壁虎脚掌主动粘附运动图；

图5是本发明主动粘/脱附的接触力自感知与自适应仿壁虎脚掌主动脱附运动图；

图1-5中标号名称：1、小腿梁；2、一维力传感器；2a、Z向应变片；3、牵线舵机支架；4、旋转支撑架；4a、旋转支撑架a孔；4b、旋转支撑架b孔；4c、旋转支撑架c孔；4d、旋转支撑架d孔；5、牵线舵机；6、旋转法兰；6a、旋转法兰a端；6b、旋转法兰b端；6c、旋转法兰c端；6d、旋转法兰d端；7、二维力传感器；7-1、二维力传感器一号孔；7-2、二维力传感器二号孔；7-3、二维力传感器三号孔；7-4、二维力传感器四号孔；7a、X向应变片；7b、Y向应变片；7c、右螺钉；7d、左螺钉；8、球头；9、球关节上盖；9a、球关节上盖a孔；9b、球关节上盖b孔；9c、球关节上盖c孔；9d、球关节上盖d孔；10、球关节下盖；11、一号脚趾片；11-1、一号脚趾片一号端；11-2、一号脚趾片二号端；11-3、一号脚趾片三号端；11-4、一号脚趾片四号端；11a、一号脚趾片a脱附线；11b、一号脚趾片b脱附线；11c、一号脚趾片c粘附线；11d、一号脚趾片d粘附线；12、二号脚趾片；12-1、二号脚趾片一号端；12-2、二号脚趾片二号端；12-3、二号脚趾片三号端；12-4、二号脚趾片四号端；12a、二号脚趾片a脱附线；12b、二号脚趾片b脱附线；12c、二号脚趾片c粘附线；12d、二号脚趾片d粘附线；13、三号脚趾片；13-1、三号脚趾片一号端；13-2、三号脚趾片二号端；13-3、三号脚趾片三号端；13-4、三号脚趾片四号端；13a、三号脚趾片a脱附线；13b、三号脚趾片b脱附线；13c、三号脚趾片c粘附线；13d、三号脚趾片d粘附线；14、四号脚趾片；14-1、四号脚趾片一号端；14-2、四号脚趾片二号端；14-3、四号脚趾片三号端；14-4、四号脚趾片四号端；14a、四号脚趾片a脱附线；14b、四号脚趾片b脱附线；14c、四号脚趾片c粘附线；14d、四号脚趾片d粘附线；15、一号脚趾片粘附材料；16、二号脚趾片粘附材料；17、三号脚趾片粘附材料；18、四号脚趾片粘附材料；19a、一号脚趾片a弹簧；19b、一号脚趾片b弹簧；20a、二号脚趾片a弹簧；20b、二号脚趾片b弹簧；21a、三号脚趾片a弹簧；21b、三号脚趾片b弹簧；22a、四号脚趾片a弹簧；22b、四号脚趾片b弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：

结合图1-3，本实施例为具有主动粘/脱附的接触力自感知与自适应仿壁虎脚掌，包括小腿梁1、一维力传感器2、Z向应变片2a、牵线舵机支架3、旋转支撑架4、旋转支撑架a孔4a、旋转支撑架b孔4b、旋转支撑架c孔4c、旋转支撑架d孔4d、牵线舵机5、旋转法兰6、旋转法兰a端6a、旋转法兰b端6b、旋转法兰c端6c、旋转法兰d端6d、二维力传感器7、二维力传感器一号孔7-1、二维力传感器二号孔7-2、二维力传感器三号孔7-3、二维力传感器四号孔7-4、X向应变片7a、Y向应变片7b、右螺钉7c、左螺钉7d、球头8、球关节上盖9、球关节上盖a孔9a、球关节上盖b孔9b、球关节上盖c孔9c、球关节上盖d孔9d、球关节下盖10、一号脚趾片11、一号脚趾片一号端11-1、一号脚趾片二号端11-2、一号脚趾片三号端11-3、一号脚趾片四号端11-4、一号脚趾片a脱附线11a、一号脚趾片b脱附线11b、一号脚趾片c粘附线11c、一号脚趾片d粘附线11d、二号脚趾片12、二号脚趾片一号端12-1、二号脚趾片二号端12-2、二号脚趾片三号端12-3、二号脚趾片四号端12-4、二号脚趾片a脱附线12a、二号脚趾片b脱附线12b、二号脚趾片c粘附线12c、二号脚趾片d粘附线12d、三号脚趾片13、三号脚趾片一号端13-1、三号脚趾片二号端13-2、三号脚趾片三号端13-3、三号脚趾片四号端13-4、三号脚趾片a脱附线13a、三号脚趾片b脱附线13b、三号脚趾片c粘附线13c、三号脚趾片d粘附线13d、四号脚趾片14、四号脚趾片一号端14-1、四号脚趾片二号端14-2、四号脚趾片三号端14-3、四号脚趾片四号端14-4、四号脚趾片a脱附线14a、四号脚趾片b脱附线14b、四号脚趾片c粘附线14c、四号脚趾片d粘附线14d、一号脚趾片粘附材料15、二号脚趾片粘附材料16、三号脚趾片粘附材料17、四号脚趾片粘附材料18、一号脚趾片a弹簧19a、一号脚趾片b弹簧19b、二号脚趾片a弹簧20a、二号脚趾片b弹簧20b、三号脚趾片a弹簧21a、三号脚趾片b弹簧21b、四号脚趾片a弹簧22a、四号脚趾片b弹簧22b。

如图1-3所示，定义三维坐标系，Z轴为脚掌向上方向，Y轴为脚掌向后方向，X轴为脚掌向左方向，其中一维力传感器2一端与小腿梁1固定，另一端与牵线舵机支架3固定；一维力传感器2的XY面贴有Z向应变片2a；其中牵线舵机5置于牵线舵机支架3内；其中旋转支撑架4固定于牵线舵机支架3上方，牵线舵机5输出轴平行Z轴，牵线舵机5输出轴穿出旋转支撑架4，并与旋转法兰6固定；其中二维力传感器7顶端与牵线舵机支架3下端固定，二维力传感器7的YZ面和XZ面分别贴有X向应变片7a和Y向应变片7b。

球头8的上部为杆端、下部为球端，球头的杆端与二维力传感器7底端固定；其中球关节盖由球关节上盖9和球关节下盖10组成，两者固定并将球头8的球端包裹在内。

一号脚趾片11、二号脚趾片12、三号脚趾片13、四号脚趾片14分别与球关节上盖9四个均布的侧表面固定；一号脚趾片粘附材料15、二号脚趾片粘附材料16、三号脚趾片粘附材料17、四号脚趾片粘附材料18分别固定在一号脚趾片11、二号脚趾片12、三号脚趾片13和四号脚趾片14的下方。

一号脚趾片a弹簧19a一端与右螺钉7c连接、一号脚趾片b弹簧19b一端与左螺钉7d连接，一号脚趾片a弹簧19a另一端和一号脚趾片b弹簧19b另一端分别与一号脚趾片11固定；二号脚趾片a弹簧20a一端和二号脚趾片b弹簧20b一端分别与左螺钉7d连接，二号脚趾片a弹簧20a另一端和二号脚趾片b弹簧20b另一端分别与二号脚趾片12固定；三号脚趾片b弹簧21b一端与右螺钉7c连接、三号脚趾片a弹簧21a一端与左螺钉7d连接，三号脚趾片a弹簧21a另一端和三号脚趾片b弹簧21b另一端分别与三号脚趾片13固定；四号脚趾片a弹簧22a一端和四号脚趾片b弹簧22b一端分别与右螺钉7c连接，四号脚趾片a弹簧22a另一端和四号脚趾片b弹簧22b另一端分别与四号脚趾片14固定；右螺钉7c和左螺钉7d分别固定于二维力传感器7上。

该脚掌设置有16根线，其中一号脚趾b脱附线11b一端固定于一号脚趾片二号端11-2，通过旋转支撑架a孔4a后，另一端固定于旋转法兰a端6a；其中二号脚趾a脱附线12a一端固定于二号脚趾片一号端12-1，通过旋转支撑架a孔4a后，另一端固定于旋转法兰a端6a；其中二号脚趾b脱附线12b一端固定于二号脚趾片二号端12-2，通过旋转支撑架b孔4b后，另一端固定于旋转法兰b端6b；其中三号脚趾a脱附线13a 一端固定于三号脚趾片一号端13-1，通过旋转支撑架b孔4b后，另一端固定于旋转法兰b端6b；其中三号脚趾b脱附线13b一端固定于三号脚趾片二号端13-2，通过旋转支撑架c孔4c后，另一端固定于旋转法兰c端6c；其中四号脚趾a脱附线14a 一端固定于四号脚趾片一号端14-1，通过旋转支撑架c孔4c后，另一端固定于旋转法兰c端6c；其中四号脚趾b脱附线14b 一端固定于四号脚趾片二号端14-2，通过旋转支撑架d孔4d后，另一端固定于旋转法兰d端6d；其中一号脚趾a脱附线11a一端固定于一号脚趾片一号端11-1，通过旋转支撑架d孔4d后，另一端固定于旋转法兰d端6d；其中一号脚趾d粘附线11d一端固定于一号脚趾片四号端11-4，依次经过球关节盖a孔9a、二维力传感器三号孔7-3、旋转支撑架c孔4c后，另一端固定于旋转法兰a端6a；其中二号脚趾c粘附线12c一端固定于二号脚趾片三号端12-3，依次经过球关节盖a孔9a、二维力传感器三号孔7-3、旋转支撑架c孔4c后，另一端固定于旋转法兰a端6a；其中二号脚趾d粘附线12d一端固定于二号脚趾片四号端12-4，依次经过球关节盖b孔9b、二维力传感器四号孔7-4、旋转支撑架d孔4d后，另一端固定于旋转法兰b端6b；其中三号脚趾c粘附线13c一端固定于三号脚趾片三号端13-3，依次经过球关节盖b孔9b、二维力传感器四号孔7-4、旋转支撑架d孔4d后，另一端固定于旋转法兰b端6b；其中三号脚趾d粘附线13d一端固定于三号脚趾片四号端13-4，依次经过球关节盖c孔9c、二维力传感器一号孔7-1、旋转支撑架a孔4a后，另一端固定于旋转法兰c端6c；其中四号脚趾c粘附线14c一端固定于四号脚趾片三号端14-3，依次经过球关节盖c孔9c、二维力传感器一号孔7-1、旋转支撑架a孔4a后，另一端固定于旋转法兰c端6c；其中四号脚趾d粘附线14d一端固定于四号脚趾片四号端14-4，依次经过球关节盖d孔9d、二维力传感器二号孔7-2、旋转支撑架b孔4b后，另一端固定于旋转法兰d端6d；其中一号脚趾c粘附线11c一端固定于一号脚趾片三号端11-3，依次经过球关节盖d孔9d、二维力传感器二号孔7-2、旋转支撑架b孔4b后，另一端固定于旋转法兰d端6d。

如图4所示，当舵机绕着Z轴正向旋转一定角度时，4个脚趾向下运动，促使粘附材料与接触表面贴合粘附，实现主动粘附功能。

如图5所示，当舵机绕着Z轴反向旋转一定角度时，4个脚趾向上运动，促使粘附材料与接触表面分离，实现主动脱附功能。

Claims (1)

1.一个具有主动粘/脱附的接触力自感知与自适应仿壁虎脚掌，安装于小腿梁上，其特征在于:

定义三维坐标系，Z轴为脚掌向上方向，Y轴为脚掌向后方向，X轴为脚掌向左方向；

该具有主动粘/脱附的接触力自感知与自适应仿壁虎脚掌包括一维力传感器（2）、牵线舵机支架(3)、牵线舵机(5)、旋转支撑架(4)、旋转法兰(6)、二维力传感器(7)、球头(8)、球关节盖；

其中一维力传感器(2)一端与小腿梁固定，另一端与牵线舵机支架(3)固定；一维力传感器(2)的XY面贴有Z向应变片(2a)；

其中牵线舵机(5)置于牵线舵机支架(3)内；

其中旋转支撑架(4)固定于牵线舵机支架(3)上方，牵线舵机(5)输出轴平行Z轴，牵线舵机(5)输出轴穿出旋转支撑架(4)，并与旋转法兰(6)固定；

其中二维力传感器(7)顶端与牵线舵机支架(3)下端固定，二维力传感器(7)的YZ面和XZ面分别贴有X向应变片(7a)和Y向应变片(7b)；

其中球头(8)的上部为杆端、下部为球端，球头的杆端与二维力传感器(7)底端固定，

其中球关节盖由球关节上盖(9)和球关节下盖(10)组成，两者固定并将球头(8)的球端包裹在内；球关节盖有四个均布的侧表面，每个侧表面固定有一脚趾片，每个脚趾片下方贴有粘附材料；球关节盖的每个侧表面与二维力传感器（7）之间安装有弹簧；

上述四个脚趾片按逆时针方向依次称为一号脚趾片（11）、二号脚趾片（12）、三号脚趾片(13)、四号脚趾片(14)；每个脚趾片前部两端和根部两侧各有一个定位端；

其中一号脚趾片（11）按逆时针方向前部两端的定位端依次为一号脚趾片一号端（11-1）、一号脚趾片二号端（11-2），根部两侧的定位端依次为一号脚趾片三号端（11-3）、一号脚趾片四号端（11-4），

其中二号脚趾片（12）按逆时针方向前部两端的定位端依次为二号脚趾片一号端（12-1）、二号脚趾片二号端（12-2），根部两侧的定位端依次为二号脚趾片三号端（12-3）、二号脚趾片四号端（12-4），

其中三号脚趾片（13）按逆时针方向前部两端的定位端依次为三号脚趾片一号端（13-1）、三号脚趾片二号端（13-2），根部两侧的定位端依次为三号脚趾片三号端（13-3）、三号脚趾片四号端（13-4），

其中四号脚趾片（14）按逆时针方向前部两端的定位端依次为四号脚趾片一号端（14-1）、四号脚趾片二号端（14-2），根部两侧的定位端依次为四号脚趾片三号端（14-3）、四号脚趾片四号端（14-4）；

其中球关节盖的均匀布置四个轴向通孔，对应一号脚趾片（11）和二号脚趾片（12）之间的通孔称作球关节盖c孔（9c），对应二号脚趾片（12）和三号脚趾片（13）之间的通孔称作球关节盖d孔(9d)，对应三号脚趾片（13）和四号脚趾片（14）之间的通孔称作球关节盖a孔(9a)，对应四号脚趾片（14）和一号脚趾片（11）之间的通孔称作球关节盖b孔(9b)；

其中二维力传感器（7）底部均匀布置四个轴向通孔，对应一号脚趾片（11）和二号脚趾片（12）之间的通孔称二维力传感器一号孔（7-1），对应二号脚趾片（12）和三号脚趾片（13）之间的通孔称作二维力传感器二号孔（7-2），对应三号脚趾片（13）和四号脚趾片（14）之间的通孔称作二维力传感器三号孔（7-3），对应四号脚趾片（14）和一号脚趾片（11）之间的通孔称作二维力传感器四号孔（7-4）；

其中旋转支撑架（4）按逆时针方向均匀设置四个通孔，依次称为旋转支撑架a孔（4a）、旋转支撑架b孔（4b）、旋转支撑架c孔（4c）、旋转支撑架d孔（4d）；

其中旋转法兰（6）按逆时针方向均匀设置四个固定端，依次称为旋转法兰a端（6a）、旋转法兰b端（6b）、旋转法兰c端（6c）、旋转法兰d端（6d）；

该脚掌设置有16根线，分别为一号脚趾a脱附线(11a)、一号脚趾b脱附线(11b)、一号脚趾c粘附线(11c)、一号脚趾d粘附线(11d)、二号脚趾a脱附线(12a)、二号脚趾b脱附线(12b)、二号脚趾c粘附线(12c)、二号脚趾d粘附线(12d)、三号脚趾a脱附线(13a)、三号脚趾b脱附线(13b)、三号脚趾c粘附线(13c)、三号脚趾d粘附线(13d)、四号脚趾a脱附线(14a)、四号脚趾b脱附线(14b)、四号脚趾c粘附线(14c)、四号脚趾d粘附线(14d)；

其中一号脚趾b脱附线(11b)一端固定于一号脚趾片二号端（11-2），通过旋转支撑架a孔（4a）后，另一端固定于旋转法兰a端（6a）；

其中二号脚趾a脱附线(12a) 一端固定于二号脚趾片一号端（12-1），通过旋转支撑架a孔（4a）后，另一端固定于旋转法兰a端（6a）；

其中二号脚趾b脱附线(12b)一端固定于二号脚趾片二号端（12-2），通过旋转支撑架b孔（4b）后，另一端固定于旋转法兰b端（6b）；

其中三号脚趾a脱附线(13a) 一端固定于三号脚趾片一号端（13-1），通过旋转支撑架b孔（4b）后，另一端固定于旋转法兰b端（6b）；

其中三号脚趾b脱附线(13b) 一端固定于三号脚趾片二号端（13-2），通过旋转支撑架c孔（4c）后，另一端固定于旋转法兰c端（6c）；

其中四号脚趾a脱附线(14a) 一端固定于四号脚趾片一号端（14-1），通过旋转支撑架c孔（4c）后，另一端固定于旋转法兰c端（6c）；

其中四号脚趾b脱附线(14b) 一端固定于四号脚趾片二号端（14-2），通过旋转支撑架d孔（4d）后，另一端固定于旋转法兰d端（6d）；

其中一号脚趾a脱附线(11a)一端固定于一号脚趾片一号端（11-1），通过旋转支撑架d孔（4d）后，另一端固定于旋转法兰d端（6d）；

其中一号脚趾d粘附线(11d)一端固定于一号脚趾片四号端（11-4），依次经过球关节盖a孔(9a)、二维力传感器三号孔（7-3）、旋转支撑架c孔（4c）后，另一端固定于旋转法兰a端（6a）；

其中二号脚趾c粘附线(12c)一端固定于二号脚趾片三号端（12-3），依次经过球关节盖a孔(9a)、二维力传感器三号孔（7-3）、旋转支撑架c孔（4c）后，另一端固定于旋转法兰a端（6a）；

其中二号脚趾d粘附线(12d)一端固定于二号脚趾片四号端（12-4），依次经过球关节盖b孔(9b)、二维力传感器四号孔（7-4）、旋转支撑架d孔（4d）后，另一端固定于旋转法兰b端（6b）；

其中三号脚趾c粘附线(13c)一端固定于三号脚趾片三号端（13-3），依次经过球关节盖b孔(9b)、二维力传感器四号孔（7-4）、旋转支撑架d孔（4d）后，另一端固定于旋转法兰b端（6b）；

其中三号脚趾d粘附线(13d)一端固定于三号脚趾片四号端（13-4），依次经过球关节盖c孔(9c)、二维力传感器一号孔（7-1）、旋转支撑架a孔（4a）后，另一端固定于旋转法兰c端（6c）；

其中四号脚趾c粘附线(14c)一端固定于四号脚趾片三号端（14-3），依次经过球关节盖c孔(9c)、二维力传感器一号孔（7-1）、旋转支撑架a孔（4a）后，另一端固定于旋转法兰c端（6c）；

其中四号脚趾d粘附线(14d)一端固定于四号脚趾片四号端（14-4），依次经过球关节盖d孔(9d)、二维力传感器二号孔（7-2）、旋转支撑架b孔（4b）后，另一端固定于旋转法兰d端（6d）；

其中一号脚趾c粘附线(11c)一端固定于一号脚趾片三号端（11-3），依次经过球关节盖d孔(9d)、二维力传感器二号孔（7-2）、旋转支撑架b孔（4b）后，另一端固定于旋转法兰d端（6d）。