CN107323556A - 钩爪式五足爬壁机器人及其运动步态方法 - Google Patents

钩爪式五足爬壁机器人及其运动步态方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种钩爪式五足爬壁机器人及其运动步态方法，涉及攀爬机器人的技术领域。它包括机身板（8）、腿关节（5）、舵机控制板（6）、尾巴（9）、电池（7）、足端结构（3）；其特征在于：所述足端结构（3）包括脚关节基体（11）和柔性脚掌基体（15）；柔性脚掌基体（15）的后端通过脚掌连接架（14）安装于脚关节基体（11）上，其中脚掌连接架（14）可绕与脚关节基体（11）连接的铰接孔转动，以调节柔性脚掌基体（15）与接触面的角度。柔性脚掌基体（15）沿脚关节基体（11）呈周向分布，前端设有多个突出的柔性矩形条，每个柔性矩形条的末端均安装有钩爪（16）。本发明可实现机器人在粗糙竖直面及倒置面的抓附与爬行等行为。

Description

钩爪式五足爬壁机器人及其运动步态方法
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五足爬壁机器人及其运动步态方法。
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。
目前国内主要是中科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.），该机器人可以实现在粗糙倒置和竖直砖墙面的移动，但作为2足对抓机器人尺寸较小，攀爬环境单一，负载也较低。国外最著名的是美国JPL（喷气推进实验室）研制的LEMUR IIB机器人（Parness A, Frost M,Thatte N, et al. Gravity‐independent Rock‐climbing Robot and a SampleAcquisition Tool with Microspine Grippers[J]. Journal of Field Robotics,2013, 30(6):897-915.），该机器人为4足钩爪爬壁机器人实现了在倒置粗糙表面的移动，但是体型比较大，钩爪脚掌制造工艺非常复杂，不易于实现，同时腿部结构复杂，攀爬稳定性不好。
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在倒置表面稳定爬行能力的钩爪式五足爬壁机器人及其运动步态方法。
一种钩爪式五足爬壁机器人，包括机身板、安装在机身板中部的舵机控制板和电池、安装在机身板后侧的尾巴以及安装在机身板左右两侧的共四条腿关节；腿关节上安装有足端结构; 在机身质心位置同样布置了一个足端结构；其特征在于：所述腿关节由腿部第一前杆、腿部第二前杆、腿部后杆、摆腿舵机和拉伸舵机组成；其中摆腿舵机安置在机身板上,腿部第一前杆的第一端安装于摆腿舵机的输出轴上，腿部第二前杆的第一端铰接于机身板上，腿部后杆的内端分别铰接于腿部第一前杆的第二端、腿部第二前杆的第二端，拉伸舵机安装于腿部后杆的外端；所述足端结构包括通过固定帽与腿部后杆相连的脚关节基体， 还包括3-6个沿脚关节基体周向均匀分布的柔性脚掌及连接结构；每个柔性脚掌及连接结构均由一个柔性脚掌基体、一个脚掌连接架、一根钢丝线、一根脚部弹力线组成；脚掌连接架下端与柔性脚掌基体的后端相固定；脚掌连接架上由外向内依次设置有第一孔、第二孔、第三孔共三个孔；其中脚掌连接架通过第二孔与脚关节基体通过销轴结构相连接；钢丝线的第一端与脚掌连接架的第一孔相连，钢丝线的第二端穿过脚关节基体的定位孔后与拉伸舵机的输出轴相连；脚部弹力线的第一端与脚掌连接架的第三孔相连，脚部弹力线的第二端与脚关节基体的连接孔相连接；柔性脚掌基体前端设有若干突出的柔性矩形条，每个柔性矩形条的末端均安装有向内侧倾斜的钩爪。
所述的钩爪式五足爬壁机器人的运动步态方法，其特征在于：在足端结构处于初始状态时，弹力线拉住脚掌连接架第三孔使得柔性脚掌基体向下倾斜，通过柔性脚掌基体末端钩爪与接触表面作用产生抓附力完成抓附，此时足端结构处于抓附状态；在机器人运动过程中，拉伸舵机通过拉动钢丝线带动柔性脚掌基体抬起，足端结构处于脱附状态，此时弹力线处于拉伸状态；当拉伸舵机反向旋转时脚掌连接架带着柔性脚掌基体在弹力线的作用下回到初始状态；机器人在开始状态时机身侧边四足和质心位置的足均处于抓附状态；机身侧边四足依次完成一次单足前进；所述的一次单足前进是指机器人的足端结构在拉伸舵机的驱动下完成脱附，此时摆腿舵机摆动使得腿关节带动足端结构向前移动到固定位置后再在拉伸舵机的驱动下完成抓附；此时机身侧边四足处于抓附状态，机身质心位置的足端结构在拉伸舵机的驱动下完成脱附，这时机身侧边控制四个腿关节的摆腿舵机向之前运动方向相反的方向摆动使得机器人整体向前移动，前进动作完成之后，机身质心位置的足端结构在拉伸舵机的驱动下完成抓附，机器人完成一个步态周期。本发明的优势在于：腿关节采用双曲柄的传动结构，提高了机器人的爬行稳定性；脚掌部分使用柔性材料制成，可根据接触面的表面形貌产生相应的变形，具有良好的壁面适应能力。周向排布的柔性脚掌基体使机器人具备了在爬行过程中抵抗各个方向干扰的能力；尾部通过有一定倾角的连接片与机身板连接，尾巴末梢一直落在脚掌所在的平面内，保证了爬行的稳定性。机器人质量小，控制方便。
本发明的优势在于：在质心处放置了一个足端结构，在机器人的四足运动过程中，这个足端结构始终抓住壁面，当其他腿部移动过程中脚部脱附时，通过质心处的抓附保持机器人的机身平衡，保证脱附的足端结构在下一次抓附时依旧能够在与上次脱附时相同的水平面完成抓附。质心处脚部抓附结构的设计使得机器人在四足移动过程中能够保持机身的平衡，提高了机器人的爬行稳定性。
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是腿关节的结构示意图；
图4是足端结构的示意图;
图中标号名称：1.腿部前杆；2.摆腿舵机；3.足端结构；4.拉伸舵机；5.腿关节；6.舵机控制板；7.电池；8.机身板；9.尾巴；10.固定帽；11.脚关节基体；12.脚部弹力线；13.钢丝线；14.脚掌连接架；15.柔性脚掌基体；16.钩爪；17.腿部后杆。
具体实施方式
结合附图进行具体说明
如图1所示，为钩爪式五足爬壁机器人具体设计图，机器人由机身板8、足端结构3、舵机控制板6、尾巴9、电池7、腿关节5构成。腿关节5由腿部第一前杆1-1，腿部第二前杆1-2，腿部后杆17，摆腿舵机2和拉伸舵机4组成；其中摆腿舵机2胶接在机身板8上的左右两侧。腿部第一前杆1-1一端通过舵盘安装在摆腿舵机2的输出轴上，另一端与腿部后杆17通过机械限位的方式相连接，腿部第二前杆1-2一端通过机械限位的方式与机身板8连接，另一端同样通过机械限位的方式与腿部后杆17相连接。拉伸舵机4胶接在腿部后杆17上。在机身板8质心位置同样放置一个足端结构，其柔性脚掌基体15与四足在同一水平面上。每只腿关节由两个舵机控制其运动，摆腿舵机2控制腿关节的前后摆动，拉伸舵机4控制足端结构与接触面产生接触与脱附。四条腿关节结构一致，整个机身共包括九个舵机。如图3为腿关节的详细结构示意图。
如图4为钩爪式五足爬壁机器人足端结构3的详细结构图，足端结构3包括脚关节基体11和柔性脚掌基体15；脚关节基体11上侧通过螺纹的方式安装有固定帽10，腿关节通过固定帽10和脚关节基体11的限位作用安装在足端结构3上；柔性脚掌基体15的后端通过脚掌连接架14安装于脚关节基体11上，脚掌连接架14下侧与柔性脚掌基体15通过螺丝螺母相连接，脚掌连接架14上侧有三个孔，脚掌连接架14通过中间孔铰接在脚关节基体11上，其中脚掌连接架14可绕与脚关节基体11连接的铰接孔转动，以调节柔性脚掌基体15与接触面的角度。柔性脚掌基体15沿脚关节基体11呈周向分布，前端设有多个突出的柔性矩形条，每个柔性矩形条的末端均安装有钩爪16。钩爪16由钢针制成，每个矩形条前端安置一个钩爪16。柔性矩形条可以在受力方向延伸。
如图2所示，机器人的尾巴9与机身板8通过一个有一定倾角的连接片使用螺丝螺母相连接，使尾巴9与机身板8之间呈一定的角度，尾巴8末梢落在脚掌所在的平面内。
控制策略：整个机器人有四条腿部及一个单独的足端结构，共有九个舵机需要控制，本设计采用ARM芯片产生九路PWM信号来协调舵机摆动，设计机器人使用与爬壁生物相似的三角步态。即四足轮流进行向前摆动的操作，在没有摆动时均处于抓附状态，质心位置的足端结构在四足摆动过程中一直处于抓附状态。在四足均完成摆动动作之后，质心位置的足端结构脱附，此时四足反向摆动，通过抓附在壁面的四足为支点将身体向前推送完成一个步态周期。
可实现的攀爬范围与动作：可实现在粗糙的砖墙面、混凝土表面等竖直及倒置表面爬行，同时也可实现在粗糙的斜坡与平面爬行。可实现爬行表面的直行、倒退等动作，安装传感器可实现避障等行为。

Claims (2)

1.一种钩爪式五足爬壁机器人，包括机身板（8）、安装在机身板（8）中部的舵机控制板（6）和电池（7）、安装在机身板（8）后侧的尾巴（9）以及安装在机身板（8）左右两侧的共四条腿关节（5）；腿关节（5）上安装有足端结构（3）; 在机身质心位置同样布置了一个足端结构（3）；其特征在于：
所述腿关节（5）由腿部第一前杆（1-1）、腿部第二前杆（1-2）、腿部后杆（17）、摆腿舵机（2）和拉伸舵机（4）组成；其中摆腿舵机（2）安置在机身板（8）上,腿部第一前杆（1-1）的第一端安装于摆腿舵机（2）的输出轴上，腿部第二前杆（1-2）的第一端铰接于机身板（8）上，腿部后杆（17）的内端分别铰接于腿部第一前杆（1-1）的第二端、腿部第二前杆（1-2）的第二端，拉伸舵机（4）安装于腿部后杆（17）的外端；
所述足端结构（3）包括通过固定帽（10）与腿部后杆（17）相连的脚关节基体（11）， 还包括3-6个沿脚关节基体（11）周向均匀分布的柔性脚掌及连接结构；
每个柔性脚掌及连接结构均由一个柔性脚掌基体（15）、一个脚掌连接架（14）、一根钢丝线（13）、一根脚部弹力线（12）组成；脚掌连接架（14）下端与柔性脚掌基体（15）的后端相固定；脚掌连接架（14）上由外向内依次设置有第一孔、第二孔、第三孔共三个孔；其中脚掌连接架（14）通过第二孔与脚关节基体（11）通过销轴结构相连接；钢丝线（13）的第一端与脚掌连接架（14）的第一孔相连，钢丝线（13）的第二端穿过脚关节基体（11）的定位孔后与拉伸舵机（4）的输出轴相连；脚部弹力线（12）的第一端与脚掌连接架（14）的第三孔相连，脚部弹力线的第二端与脚关节基体（11）的连接孔相连接；柔性脚掌基体（15）前端设有若干突出的柔性矩形条，每个柔性矩形条的末端均安装有向内侧倾斜的钩爪（16）。
2.根据权利要求1所述的钩爪式五足爬壁机器人的运动步态方法，其特征在于：
在足端结构（3）处于初始状态时，弹力线（12）拉住脚掌连接架第三孔使得柔性脚掌基体（15）向下倾斜，通过柔性脚掌基体（15）末端钩爪（16）与接触表面作用产生抓附力完成抓附，此时足端结构（3）处于抓附状态；在机器人运动过程中，拉伸舵机（4）通过拉动钢丝线（13）带动柔性脚掌基体（15）抬起，足端结构（3）处于脱附状态，此时弹力线（12）处于拉伸状态；当拉伸舵机反向旋转时脚掌连接架（14）带着柔性脚掌基体（15）在弹力线（12）的作用下回到初始状态；
机器人在开始状态时机身侧边四足和质心位置的足均处于抓附状态；机身侧边四足依次完成一次单足前进；所述的一次单足前进是指机器人的足端结构（3）在拉伸舵机（4）的驱动下完成脱附，此时摆腿舵机（2）摆动使得腿关节（5）带动足端结构（3）向前移动到固定位置后再在拉伸舵机（4）的驱动下完成抓附；
此时机身侧边四足处于抓附状态，机身质心位置的足端结构（3）在拉伸舵机（4）的驱动下完成脱附，这时机身侧边控制四个腿关节（5）的摆腿舵机（2）向之前运动方向相反的方向摆动使得机器人整体向前移动，前进动作完成之后，机身质心位置的足端结构（3）在拉伸舵机（4）的驱动下完成抓附，机器人完成一个步态周期。
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