CN107323555A - 钩爪式六足爬壁机器人及其运动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钩爪式六足爬壁机器人及其运动方法，涉及攀爬机器人的技术领域。它包括中机体板（2）、左机体板（3）、右机体板（4）、连杆（9）、用于对抓式钩爪传动的齿轮（8）、钩爪式脚掌结构（1）；其特征在于：所述对抓钩爪结构是由一对齿轮连接的且齿轮旋转方向相反的钩爪式脚掌结构（1）构成；而钩爪式脚掌结构（1）包括柔性脚掌基体（12）；柔性脚掌基体（12）的后端通过L型连片（10）安装于俯仰舵机（7）舵盘上，改变相连舵机输出角度可以调节同一条腿连接的两个对抓的柔性脚掌基体（12）间的夹角；柔性脚掌基体（12）的前端设有多个呈扇形分布的柔性矩形条，每个柔性矩形条的末端均安装有钩爪（11）用于抓附。

Description

钩爪式六足爬壁机器人及其运动方法
技术领域
本发明涉及攀爬机器人的技术领域，特别涉及一种钩爪式六足爬壁机器人及其运动方法。
技术背景
对于自然界中的大部分地形，要求爬壁机器人既具有在竖直面爬行又具有在倒置的表面抓附和爬行的能力。如行星探测时火星熔岩管的管壁等特殊地形就要求火星探测器具有在倒置的表面爬行的能力才可以进行勘测等活动。目前，国内外对于可以在竖直面爬行的钩爪爬壁机器人的研究已经很成熟了，但是对于既可以在竖直面爬行又可以在倒置的表面如天花板表面爬行的爬壁机器人研究还不是很多。
目前国内外比较有代表性的在倒置表面的钩爪爬壁机器人包括中国科学院合肥智能所的爪刺式爬壁机器人（刘彦伟.爪刺式爬壁机器人仿生机理与系统研究[D].合肥：中国科学技术大学，2015.）和美国JPL（喷气推进实验室）的LEMUR IIB机器人（Parness A,Frost M, Thatte N, et al. Gravity‐independent Rock‐climbing Robot and aSample Acquisition Tool with Microspine Grippers[J]. Journal of FieldRobotics, 2013, 30(6):897-915.）。这些机器人都能实现一定的倒置表面爬行功能，但以下方面也存在一定的不足：
(1)2足机器人尺寸过小，负载能力较弱；
(2)四足机器人结构与控制相对复杂，制作工艺不易于实现。
发明内容
基于上述背景，本发明提供了一种具有良好的环境适应能力和爬行能力的钩爪式六足爬壁机器人及其运动方法。
一种钩爪式六足爬壁机器人，其特征在于：包括左机体板、中机体板、右机体板，还包括第一连杆、第二连杆；其中左机体板包括一个纵支板、纵支板上端向左伸出一横支板、纵支板中部向右伸出一横支板、纵支板下端向左伸出一横支板；其中右机体板包括一个纵支板、纵板上端向右伸出一横支板、纵支板中部向左伸出一横支板、纵支板下端向右伸出一横支板；上述第一连杆的左端与左机体板的纵支板上端相铰接，第一连杆的中部与中机体板的上端相铰接，第一连杆的右端与右机体板的纵支板上端相铰接；上述第二连杆的左端与左机体板的纵支板下端相铰接，第二连杆的右端与右机体板的纵支板的下端相铰接；
上述左机体板的三个横支板的末端，右机体板的三个横支板的末端均安装一个对抓钩爪结构；该对抓钩爪结构包括俯仰舵机、前齿轮、后齿轮、前柔性脚掌基体、后柔性脚掌基体；前齿轮和后齿轮相啮合，俯仰舵机输出轴与前齿轮相连，前柔性脚掌基体通过L型连片与前齿轮相固定，后柔性脚掌基体通过L型连片与后齿轮相固定；前柔性脚掌基体和后柔性脚掌基体端部设有若干呈扇形分布的柔性矩形条，每个柔性矩形条的端部均安装有钩爪；上述中机体板的后端安装有进退舵机，进退舵机通过舵盘与第二连杆的中部铰接。
所述的钩爪式六足爬壁机器人的运动方法，其特征在于：在对抓钩爪结构处于初始状态时，俯仰舵机通过控制前齿轮与后齿轮啮合使得L型连片分别带动前柔性脚掌基体与后柔性脚掌基体向内夹紧，通过前柔性脚掌基体与后柔性脚掌基体端部钩爪对抓完成机械锁合，实现对抓钩爪结构在表面的抓附；当俯仰舵机通过控制前齿轮反向旋转时，前齿轮与后齿轮啮合使得L型连片分别带动前柔性脚掌基体与后柔性脚掌基体向外脱离接触表面，实现对抓钩爪结构在表面的脱附；钩爪式六足爬壁机器人初始状态时六个横支板末端的对抓钩爪结构均处于抓附状态，运动开始后左机体板上的三个横支板末端的对抓钩爪结构分别在俯仰舵机的作用下完成脱附，此时位于中机体板后端的进退舵机通过带动第二连杆旋转进而带动左机体板向前移动，在移动到指定位置后左机体板上的三个横支板末端的对抓钩爪结构分别在俯仰舵机的作用下完成抓附；右机体板上的三个横支板末端的对抓钩爪结构分别在俯仰舵机的作用下完成脱附，此时位于中机体板后端的进退舵机通过带动第二连杆旋转进而带动右机体板向前移动，在移动到指定位置后右机体板上的三个横支板末端的对抓钩爪结构分别在俯仰舵机的作用下完成抓附，机器人完成一个步态周期。
本发明的优势在于：机器人的机体结构采用平行四边形结构，设计机器人的重心分布在附着脚掌的中心，附着的安全性能尽量达到最优；对抓式钩爪结构使得两个抓附方向相反的钩爪脚掌在抓附时产生向内的锁合，使得机器人可以紧紧抓附在倒置粗糙表面；钩爪式脚掌结构使用柔性材料制成，并使前端的矩形条呈扇形分布使机器人具有良好的壁面适应能力与抗干扰能力。机器人结构易于设计，附着安全性能高，爬行稳定性好，控制简单。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的正视图与侧视图；
图3是前、中机体板结构示意图；
图4是机器人的脚掌结构示意图；
图中标号名称：1.钩爪式脚掌；2.中机体板；3.左机体板；4.右机体板；5.舵机控制板；6.进退舵机；7.俯仰舵机；8.齿轮；9.连杆；10.L型连片；11.钩爪；12.柔性脚掌基体。
具体实施方式
结合附图进行具体说明
如图1所示，为钩爪式六足爬壁机器人具体设计图，机器人由中机体板2，左机体板3，右机体板4，钩爪式脚掌1。机体结构由中机体板2、左机体板3和右机体板4、用于连接中机体板、左机体板和右机体板的连杆9、俯仰舵机7和进退舵机6组成。俯仰舵机7通过胶接安置在左机体板3上和右机体板4上，进退舵机6通过预留出的舵机孔安装在中机体板2上，进退舵机6与中机体板2通过螺丝螺母固定。进退舵机6的输出轴通过舵盘固定在第二连杆9-2中央的铰接孔上。第一连杆9-1，第二连杆9-2的左右两端分别通过铰接固定在左机体板3与右机体板4的前端与后端。两个钩爪式脚掌1通过L型连片10及齿轮8铰接在俯仰舵机7的输出轴上。其中进退舵机6控制机身的前进与后退,俯仰舵机7控制一对对抓钩爪脚掌1的抬起与落下。整个机身共有七个舵机控制其运动。如图3是前、中机体板的结构示意图，其中左机体板3与右机体板4结构相同。
如图4为钩爪式六足爬壁机器人脚掌1的详细结构图，钩爪式脚掌1由柔性脚掌基体12和钩爪11组成。柔性脚掌基体12由弹性材料制成，其前端有十个柔性矩形条，柔性矩形条之间是相互独立的，当俯仰舵机驱动钩爪式脚掌结构与壁面发生时，柔性脚掌基体的前端由于受力产生变形，既可以产生垂直于壁面方向的位移，也可以产生平行壁面的方向的延展。柔性矩形条呈扇形分布，可以抵抗侧向的干扰。在柔性矩形条的前端安置有钩爪11。钩爪11由钢针制成，每个矩形条前端安置一个钩爪11。柔性脚掌基体12的后端通过螺丝螺母固定在L型连片10上。
如图2所示，机器人的尾巴8与中机体板2通过一个有一定角度的连片铰接固定，使得尾巴8与机体板之间呈一定的角度，尾巴末梢落在脚掌所在的平面内。
关于电源与控制：整个机器人有七个舵机，通过以ARM为主控芯片的主控制板输出控制信号控制各个舵机的动作。控制策略采用六足动物在竖直面快速爬行时经常所采用的三角步态，即运动过程中任意时刻由机器人的三个脚掌产生附着力，舵机驱动板和主控制芯片采用5V供电，由7.4V锂电池经过稳压模块后供给。
关于攀爬适用范围：能实现在竖直的砖墙面，混凝土表面等竖直的粗糙表面爬行，同时可实现在粗糙天花板等倒置表面的抓附和爬行。

Claims (2)

1.一种钩爪式六足爬壁机器人，其特征在于：
包括左机体板（3）、中机体板（2）、右机体板（4），还包括第一连杆（9-1）、第二连杆（9-2）；其中左机体板（3）包括一个纵支板、纵支板上端向左伸出一横支板、纵支板中部向右伸出一横支板、纵支板下端向左伸出一横支板；其中右机体板（4）包括一个纵支板、纵板上端向右伸出一横支板、纵支板中部向左伸出一横支板、纵支板下端向右伸出一横支板；上述第一连杆（9-1）的左端与左机体板（3）的纵支板上端相铰接，第一连杆（9-1）的中部与中机体板（2）的上端相铰接，第一连杆（9-1）的右端与右机体板（4）的纵支板上端相铰接；上述第二连杆（9-2）的左端与左机体板（3）的纵支板下端相铰接，第二连杆（9-2）的右端与右机体板（4）的纵支板的下端相铰接；
上述左机体板（3）的三个横支板的末端，右机体板（4）的三个横支板的末端均安装一个对抓钩爪结构；该对抓钩爪结构包括俯仰舵机（7）、前齿轮（8-1）、后齿轮（8-2）、前柔性脚掌基体（12-1）、后柔性脚掌基体（12-2）；前齿轮（8-1）和后齿轮（8-2）相啮合，俯仰舵机（7）输出轴与前齿轮（8-1）相连，前柔性脚掌基体（12-1）通过L型连片（10）与前齿轮（8-1）相固定，后柔性脚掌基体（12-2）通过L型连片（10）与后齿轮（8-2）相固定；前柔性脚掌基体（12-1）和后柔性脚掌基体（12-2）端部设有若干呈扇形分布的柔性矩形条，每个柔性矩形条的端部均安装有钩爪（11）；
上述中机体板（2）的后端安装有进退舵机（6），进退舵机（6）通过舵盘与第二连杆（9-2）的中部铰接。
2.根据权利要求1所述的钩爪式六足爬壁机器人的运动方法，其特征在于：
在对抓钩爪结构处于初始状态时，俯仰舵机（7）通过控制前齿轮（8-1）与后齿轮（8-2）啮合使得L型连片（10）分别带动前柔性脚掌基体（12-1）与后柔性脚掌基体（12-2）向内夹紧，通过前柔性脚掌基体（12-1）与后柔性脚掌基体（12-2）端部钩爪（11）对抓完成机械锁合，实现对抓钩爪结构在表面的抓附；当俯仰舵机（7）通过控制前齿轮（8-1）反向旋转时，前齿轮（8-1）与后齿轮（8-2）啮合使得L型连片（10）分别带动前柔性脚掌基体（12-1）与后柔性脚掌基体（12-2）向外脱离接触表面，实现对抓钩爪结构在表面的脱附；
钩爪式六足爬壁机器人初始状态时六个横支板末端的对抓钩爪结构均处于抓附状态，运动开始后左机体板（3）上的三个横支板末端的对抓钩爪结构分别在俯仰舵机（7）的作用下完成脱附，此时位于中机体板（2）后端的进退舵机（6）通过带动第二连杆（9-2）旋转进而带动左机体板（3）向前移动，在移动到指定位置后左机体板（3）上的三个横支板末端的对抓钩爪结构分别在俯仰舵机（7）的作用下完成抓附；右机体板（4）上的三个横支板末端的对抓钩爪结构分别在俯仰舵机（7）的作用下完成脱附，此时位于中机体板（2）后端的进退舵机（6）通过带动第二连杆（9-2）旋转进而带动右机体板（4）向前移动，在移动到指定位置后右机体板（4）上的三个横支板末端的对抓钩爪结构分别在俯仰舵机（7）的作用下完成抓附，机器人完成一个步态周期。
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