CN106515893B - 主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人 - Google Patents

Abstract

一种主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人，属于机器人技术应用领域。包括身体、四肢、尾巴和四个脚掌等部分组成。本发明满足微小型足式机器人腿结构‑感知‑驱动一体化设计要求，可用于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能力的多自由度足式机器人设计。尾巴旋转调速功能可实现微重力下仿壁虎机器人自身姿态控制，方便四个脚掌与目标着陆面的正向碰撞粘附，结合主动粘脱附运动的脚掌设计和三维接触力感知及空间表面自适应功能，实现了仿壁虎机器人在复杂目标表面稳定着陆和表面粘脱附行走运动。

Description

主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人

技术领域

本发明属于机器人技术应用领域，具体涉及一种主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人，主要应用于空间微重力下粘附足式机器人结构设计中。

背景技术

目前国内外在足式机器人可包括双足、四足、六足、八足机器人等（专利200780007115.1菅敬介等；专利200780002355.2 小川章；专利03153505.4 郑浩峻等；专利200510090265.6郑世杰等；专利200810118133.3胡永辉等），在结构设计中双足机器人单腿具有6个主动驱动的自由度，而在四足、六足、八足机器人中，由于腿的数量较多，单腿的自由度一般为3个主动驱动的自由度，腿的足端采用点接触或球接触方式（专利200710098710.2罗庆生等）。对于粘附行走的多足腿式机器人而言，机器人腿部需要具有更多自由度适应空间不同表面，要求在不增加控制难度的前提下保证腿式机器人具有更小的体积和重量。

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 Bionic Engineering, Vol.3, No.3, pp: 115-125, 2006.；M. Henrey, J.Krahn, A. Ahmed, K. Wormnes and C. Menon, Climbing with structured dryadhesives: sticky robots for scaling smooth vertical surfaces, the 12thSymposium on Advanced Space Technologies in Robotics and Automation, 2013；P.Birkmeyer, A. G. Gillies, R. S. Fearing, Dynamic climbing of near-verticalsmooth surfaces, the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robotsand Systems, Vilamoura, Algarve, Portugal, pp: 286-292, 2012；B. Aksak, M. P.Murphy and M. Sitti, Gecko Inspired Micro-Fibrillar Adhesives for WallClimbing Robots on Micro/Nanoscale Rough Surfaces, IEEE InternationalConference on Robotics and Automation, Pasadena, CA, USA, pp: 3058-3063,2008；T. Seo, M. Sitti, Tank-Like Module-Based Climbing Robot Using PassiveCompliant Joints, IEEE/ASME TRANSACTIONS 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。

为此本发明单腿设计中采用传统的3自由度主动驱动的前提下，又增加了具有8个复位弹簧约束的3自由度的球关节，在满足6自由度的运动要求下实现空间表面自适应，也减小了足式机器人完成6自由度运动控制的难度；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，增加了仿壁虎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；本发明增加了尾巴旋转自由度，基于角动量守恒原理，可在微重力环境下实现对机器人身体的姿态和角速度调控，为保证仿壁虎机器人四个粘附脚掌正向与目标面接触碰撞，有效地保持稳定粘附提供技术保障。

对于粘附行走的多足腿式机器人而言，需要空间三维力粘附力感知，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，力的感知与主动粘/脱附运动相解耦，可有效检测脚掌的三维力粘附力，使仿壁虎机器人在目标表面粘附运动时更具有优越性。采用腿结构-感知-驱动一体化设计可大大减轻了足式机器人的体积和重量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人，该机器人结构满足微小型足式机器人腿结构-感知-驱动一体化设计要求，可用于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能力的多自由度足式粘附机器人设计。

一种主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人，包括机器人控制盒、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、身体连接板、前髋关节舵机架、后髋关节舵机架、右前髋关节1号舵机、左前髋关节1号舵机、右后髋关节1号舵机、左后髋关节1号舵机、右前髋关节2号舵机支架、左前髋关节2号舵机支架、右后髋关节2号舵机支架、左后髋关节2号舵机支架、右前髋关节2号舵机、左前髋关节2号舵机、右后髋关节2号舵机、左后髋关节2号舵机、前端支撑杆、后端支撑杆、前端支撑架、后端支撑架、右前大腿支撑架、左前大腿支撑架、右后大腿支撑架、左后大腿支撑架、右前大腿梁、左前大腿梁、右后大腿梁、左后大腿梁、右前膝关节舵机、左前膝关节舵机、右后膝关节舵机、左后膝关节舵机、右前小腿支撑架、左前小腿支撑架、右后小腿支撑架、左后小腿支撑架、右前小腿梁、左前小腿梁、右后小腿梁、左后小腿梁、尾巴电机支架、尾巴旋转电机、惯性配重转子、右前脚掌、左前脚掌、右后脚掌、左后脚掌。

一种主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人，包括身体连接板；身体连接板上方安装机器人控制盒，身体连接板的前部和后部各安装一个髋关节舵机架；上述后端的髋关节舵机架中部固定安装尾巴电机支架，尾巴电机支架内安装尾巴旋转电机，尾巴旋转电机的输出轴安装惯性配重转子。

前部和后部的髋关节舵机架的左右两端各安装一条机器腿；位于身体左前和右后的机器腿结构相同，位于身体右前和左后的机器腿结构相同，位于左右两侧的机器腿结构对称。机器腿均包括髋关节1号舵机、髋关节2号舵机支架、髋关节2号舵机、支撑杆、支撑架、大腿框架、膝关节舵机、小腿框架、脚掌。

定义坐标系： Z轴为机器人向上方向，Y轴为机器人向后方向，X轴为机器人向左方向。

上述髋关节1号舵机固定于上述髋关节舵机架上，其轴线平行Y轴方向；上述髋关节2号舵机支架一侧安装于上述髋关节1号舵机的输出轴，另一侧铰接于支撑架，支撑架固定于支撑杆上，支撑杆固定于髋关节舵机架上；上述髋关节2号舵机固定于上述髋关节2号舵机支架内，其轴线平行Z轴方向；上述大腿框架一侧安装于髋关节2号舵机的输出轴，另一侧与髋关节2号舵机支架铰接；上述膝关节舵机安装于大腿框架内，其轴线平行Z轴方向；上述小腿框架一侧安装于述膝关节舵机的输出轴，另一侧与大腿框架铰接。上述大腿框架由大腿支撑架和大腿梁组成；小腿框架由小腿支撑架和小腿梁组成。

上述脚掌固定于上述小腿框架；其中一维力传感器一端与小腿框架固定，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：腿部通过三个舵机驱动关节，实现三个位置自由度运动，达到机器人运动所规划的仿生腿末端机器人脚掌在空间的某个位置，通过具有复位功能的弹簧约束的自适应球关节实现三个姿态自由度转动，并与空间表面自适应贴合，最终实现机器人脚掌对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，力的感知与主动粘/脱附运动相解耦，可有效检测脚掌的三维力粘附力；通过脚掌的舵机旋转，结合拉线机构设计，实现了粘附脚趾的主动粘附和脱附；尾巴旋转调速功能可实现了微重力下仿壁虎机器人自身姿态控制，方便四个脚掌与目标着陆面的正向碰撞粘附，结合主动粘脱附运动的脚掌设计和三维接触力感知及空间表面自适应功能，实现了仿壁虎机器人在复杂目标表面稳定着陆和表面粘脱附行走运动。

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，方便仿壁虎机器人在目标表面的粘脱附行走运动。

2、本发明具有仿壁虎尾巴功能，通过尾巴旋转调速可实现自身姿态的调控，有助于在空间微重力下保障仿壁虎机器人与目标表面的正向碰撞。

3、采用不同方向的一维力和二维力传感器组合，力的感知与主动粘/脱附运动相解耦，可有效检测脚掌的三维力粘附力

4、本发明的结构巧妙、体积小、重量轻、加工方便、经济可行。

5、本发明满足微小型足式机器人腿结构-感知-驱动一体化设计要求，为微小型足式粘附机器人自主力反馈控制提供必要的设备保障。

附图说明

图1是本发明主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人结构示意图；

图2是本发明主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人单腿结构示意图；

图3 是本发明主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人身体、四条腿与尾巴结构爆炸图；

图4 是本发明主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人的单脚掌结构图；

图5 是本发明主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人的脚掌线连接端口示意图；

图6是本发明主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人的脚掌结构爆炸图；

图7是本发明主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人的脚掌主动粘附运动示意图；

图8是本发明主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人的脚掌主动脱附运动示意图。

图1-8中标号名称：1、机器人控制盒；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；23、身体连接板；24a、前髋关节舵机架；24b、后髋关节舵机架；25a、右前髋关节1号舵机；25b、左前髋关节1号舵机；25c、右后髋关节1号舵机；25d、左后髋关节1号舵机；26a、右前髋关节2号舵机支架；26b、左前髋关节2号舵机支架；26c、右后髋关节2号舵机支架；26d、左后髋关节2号舵机支架；27a、右前髋关节2号舵机；27b、左前髋关节2号舵机；27c、右后髋关节2号舵机；27d、左后髋关节2号舵机；28a、前端支撑杆；28b、后端支撑杆；29a、前端支撑架；29b、后端支撑架；30a、右前大腿支撑架；30b、左前大腿支撑架；30c、右后大腿支撑架；30d、左后大腿支撑架；31a、右前大腿梁；31b、左前大腿梁；31c、右后大腿梁；31d、左后大腿梁；32a、右前膝关节舵机；32b、左前膝关节舵机；32c、右后膝关节舵机；32d、左后膝关节舵机；33a、右前小腿支撑架；33b、左前小腿支撑架；33c、右后小腿支撑架；33d、左后小腿支撑架；34a、右前小腿梁；34b、左前小腿梁；34c、右后小腿梁；34d、左后小腿梁；35、尾巴电机支架；36、尾巴旋转电机；37、惯性配重转子；A、右前脚掌；B、左前脚掌；C、右后脚掌；D、左后脚掌。

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1-8，本实施例为主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人，包括机器人控制盒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、身体连接板23、前髋关节舵机架24a、后髋关节舵机架24b、右前髋关节1号舵机25a、左前髋关节1号舵机25b、右后髋关节1号舵机25c、左后髋关节1号舵机25d、右前髋关节2号舵机支架26a、左前髋关节2号舵机支架26b、右后髋关节2号舵机支架26c、左后髋关节2号舵机支架26d、右前髋关节2号舵机27a、左前髋关节2号舵机27b、右后髋关节2号舵机27c、左后髋关节2号舵机27d、前端支撑杆28a、后端支撑杆28b、前端支撑架29a、后端支撑架29b、右前大腿支撑架30a、左前大腿支撑架30b、右后大腿支撑架30c、左后大腿支撑架30d、右前大腿梁31a、左前大腿梁31b、右后大腿梁31c、左后大腿梁31d、右前膝关节舵机32a、左前膝关节舵机32b、右后膝关节舵机32c、左后膝关节舵机32d、右前小腿支撑架33a、左前小腿支撑架33b、右后小腿支撑架33c、左后小腿支撑架33d、右前小腿梁34a、左前小腿梁34b、右后小腿梁34c、左后小腿梁34d、尾巴电机支架35、尾巴旋转电机36、惯性配重转子37、右前脚掌A、左前脚掌B、右后脚掌C、左后脚掌D。

如图1-3所示，机器人控制盒1固定在身体连接板23上，前髋关节舵机架24a、后髋关节舵机架24b分别固连在身体连接板23两端；右前髋关节1号舵机25a和左前髋关节1号舵机25b 分别与在前髋关节舵机架24a 固连；右前髋关节1号舵机25a和左前髋关节1号舵机25b的转动输出轴分别与右前髋关节2号舵机支架26a一端和左前髋关节2号舵机支架26b一端固连；右前髋关节2号舵机支架26a另一端和左前髋关节2号舵机支架26b另一端分别与前端支撑架29a 固连；前端支撑架29a和前髋关节舵机架24a分别与前端支撑杆28a固连；右前髋关节2号舵机27a置于右前髋关节2号舵机支架26a内，右前髋关节2号舵机27a转动输出轴与右前大腿梁31a一端连接，右前髋关节2号舵机支架26a下端输出轴与右前大腿支撑架30a连接，右前大腿支撑架30a与右前大腿梁31a固连；右前膝关节舵机32a置于右前大腿梁31a内，右前膝关节舵机32a转动输出轴与右前小腿梁34a连接，右前大腿梁31a另一端与右前小腿支撑架33a轴连接，右前小腿支撑架33a与右前小腿梁34a固连；右前小腿梁34a与右前脚掌A固连。

左前髋关节2号舵机27b置于左前髋关节2号舵机支架26b内，左前髋关节2号舵机27b转动输出轴与左前大腿梁31b一端连接，左前髋关节2号舵机支架26b下端输出轴与左前大腿支撑架30b连接，左前大腿支撑架30b与左前大腿梁31b固连；左前膝关节舵机32b置于左前大腿梁31b内，左前膝关节舵机32b转动输出轴与左前小腿梁34b连接，左前大腿梁31b另一端与左前小腿支撑架33b轴连接，左前小腿支撑架33b与左前小腿梁34b固连；左前小腿梁34b与左前脚掌B固连。

右后髋关节1号舵机25c和左后髋关节1号舵机25d 分别与在后髋关节舵机架24b固连；右后髋关节1号舵机25c和左后髋关节1号舵机25d的转动输出轴分别与右后髋关节2号舵机支架26c一端和左后髋关节2号舵机支架26d一端固连；右后髋关节2号舵机支架26c另一端和左后髋关节2号舵机支架26d另一端分别与后端支撑架29b 固连；后端支撑架29b和后髋关节舵机架24b分别与后端支撑杆28b固连；右后髋关节2号舵机27c置于右后髋关节2号舵机支架26c内，右后髋关节2号舵机27c转动输出轴与右后大腿梁31c一端连接，右后髋关节2号舵机支架26c下端输出轴与右后大腿支撑架30c连接，右后大腿支撑架30c与右后大腿梁31c固连；右后膝关节舵机32c置于右后大腿梁31c内，右后膝关节舵机32c转动输出轴与右后小腿梁34c连接，右后大腿梁31c另一端与右后小腿支撑架33c轴连接，右后小腿支撑架33c与右后小腿梁34c固连；右后小腿梁34c与右后脚掌C固连。

左后髋关节2号舵机27d置于左后髋关节2号舵机支架26d内，左后髋关节2号舵机27d转动输出轴与左后大腿梁31d一端连接，左后髋关节2号舵机支架26d下端输出轴与左后大腿支撑架30d连接，左后大腿支撑架30d与左后大腿梁31d固连；左后膝关节舵机32d置于左后大腿梁31d内，左后膝关节舵机32d转动输出轴与左后小腿梁34d连接，左后大腿梁31d另一端与左后小腿支撑架33d轴连接，左后小腿支撑架33d与左后小腿梁34d固连；左后小腿梁34d与左后脚掌D固连。

尾巴电机支架35与尾巴旋转电机36固连，惯性配重转子37和尾巴旋转电机36输出轴固连，尾巴电机支架35与后端支撑架29b 固连。

右前脚掌A、左前脚掌B、右后脚掌C和左前脚掌D均相同。

如图4-6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。以右前脚掌A为例，其中一维力传感器2一端与小腿梁34a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7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8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 (3)

1.一种主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人，其特征在于：

包括身体连接板（23）；身体连接板（23）上方安装机器人控制盒（1），身体连接板（23）前部和后部各安装一个髋关节舵机架；

上述后部的髋关节舵机架中部固定安装尾巴电机支架（35），尾巴电机支架（35）内安装尾巴旋转电机（36），尾巴旋转电机（36）的输出轴安装惯性配重转子（37）；

上述前部和后部的髋关节舵机架的左右两端各安装一条机器腿；位于身体左前和右后的机器腿结构相同，位于身体右前和左后的机器腿结构相同，位于左右两侧的机器腿结构对称；

上述机器腿均包括髋关节1号舵机（25）、髋关节2号舵机支架（26）、髋关节2号舵机（27）、支撑杆（28）、支撑架（29）、大腿框架、膝关节舵机（32）、小腿框架、脚掌；

定义坐标系： Z轴为机器人向上方向，Y轴为机器人向后方向，X轴为机器人向左方向；

上述髋关节1号舵机（25）固定于上述髋关节舵机架（24)上，其轴线平行Y轴方向；

上述髋关节2号舵机支架（26）一侧安装于上述髋关节1号舵机（25）的输出轴,另一侧铰接于支撑架(29),支撑架（29）固定于支撑杆（28）上，支撑杆（28）固定于髋关节舵机架（24)上；

上述髋关节2号舵机（27）固定于上述髋关节2号舵机支架（26）内，其轴线平行Z轴方向；

上述大腿框架一侧安装于髋关节2号舵机（27）的输出轴，另一侧与髋关节2号舵机支架（26）铰接；

上述膝关节舵机（32）安装于大腿框架内，其轴线平行Z轴方向；

上述小腿框架一侧安装于述膝关节舵机（32）的输出轴，另一侧与大腿框架铰接；

上述脚掌固定于上述小腿框架；

所述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)一端与小腿框架固定，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；

四个上述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）。

2.根据权利要求1所述的主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人，其特征在于：上述大腿框架由大腿支撑架（30）和大腿梁（31）组成。

3.根据权利要求1所述的主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人，其特征在于：小腿框架由小腿支撑架（33）和小腿梁（34）组成。