CN108357581A - 一种仿生柔性爪刺对抓足结构机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生柔性爪刺对抓足结构机器人，涉及爬壁机器人技术领域舵机固定于股节前端，舵机转臂尾端连接于胫节中部，其前端和胫节前端分别与舵机的背部及驱动轴连接，股节和胫节尾端各安装一个分足舵机，分足舵机连接直线对抓足结构或旋转对抓组结构；直线对抓足结构在驱动舵机驱动下脱附，并在直线对抓弹簧作用下被动抓附；旋转对抓足结构在驱动装置驱动下主动抓附，并在旋转对抓弹簧作用下脱附。本发明提供了两种结构的爬壁机器人，分别以主动抓附和被动抓附的形式，实现了机器人粗糙顶面攀爬、竖直壁面任意方位角运动及不同壁面过渡的功能，并实现了机器人陡峭避免甚至是倒置壁面的攀爬功能。
Description
技术领域
本发明涉及爬壁机器人技术领域，具体涉及一种用于在粗糙顶面和竖直壁面攀爬及过度的机器人。
背景技术
机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。机器人在生产业、建筑业等领域得到广泛应用，尤其常见用于协助或替代人类进行危险作业或在人类无法到达的区域进行作业。
爬壁机器人是机器人中常见的类型。目前，爬壁机器人已经能够在粗糙和多灰尘的壁面环境下，实现竖直壁面的攀爬作业。但现有的爬壁机器人的爪刺抓附结构在壁面上抓附时，被动地依赖重力提供切向拖拽作用搭建与壁面间的微锁合结构，当壁面角度变得更加陡峭时，重力无法提供足够的切向力，导致其不能实现更高角度壁面如天花板上的附着，难以满足高角度壁面的作业要求。
通过专利检索，存在以下已知的技术方案：
专利1：
申请号：CN200710072237.0，申请日：2007.05.22，授权公告日：2007.10.10，本发明提供的是一种钩爪式爬壁机器人。它包括机体板，在机体板上安装有直流电机、控制电路板和摆动连杆，摆动连杆的两端安装有导轨，滑杆安装在导轨内，滑杆末部装有转轴销，转轴销顶部套在摆动连杆两端的槽内，摆动连杆中间安装在直流电机的输出轴上，滑杆前端与支撑板连接，支撑板上设置有至少一对爪子，爪子的组成包括安装在支撑板上的舵机，舵机输出端连有连杆，两侧连杆通过转轴将爪框、爪片连接起来，控制电路板与直流电机和舵机相连。本发明结构简单，运行平稳快速，工作过程中噪音小、耗能少，且能够实现在壁面上紧急悬停，悬停过程中可实现主电路停止工作，节省能量、无噪音。
专利2：
申请号：CN201010190207.1，申请日：2010.06.02，授权公告日：2010.10.27，本发明公开了一种仿壁虎机器人机械结构及其机器人，属于特种机器人领域。其特征在于：包括机身框架、安装于机身框架上的四条肢体，及被动式尾巴；其中每条肢体依次由二自由度髋关节、大腿连杆、单自由度膝关节、小腿、被动式三自由度球铰链踝关节及足组成；上述的二自由度髋关节由控制肢体抬起或下落的髋关节抬腿舵机(11)和控制肢体前后摆动的髋关节摆腿舵机(12)组成；上述单自由度膝关节由膝关节舵机(13)组成。本发明合理安排每条腿上自由度的位置，加入了力传感器反馈控制，使机器人具有很好的在地面和墙面上的运动能力。
通过以上的检索发现，以上技术方案没有影响本发明的新颖性；并且以上专利文件的相互组合没有破坏本发明的创造性。
发明内容
本发明正是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种仿生柔性爪刺对抓足结构机器人。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：一种仿生柔性爪刺对抓足结构机器人，舵机固定于股节前端，舵机转臂尾端连接于胫节中部，其前端和所述胫节前端分别与所述舵机的背部及驱动轴连接，所述股节和所述胫节尾端各安装一个分足舵机，所述分足舵机连接直线对抓足结构或旋转对抓组结构；
所述直线对抓足结构在驱动舵机驱动下脱附，并在直线对抓弹簧作用下被动抓附；所述旋转对抓足结构在驱动装置驱动下主动抓附，并在旋转对抓弹簧作用下脱附。
进一步的，对抓足机架与分足舵机连接，驱动舵机安装于对抓足机架中部，所述对抓足机架底部对称设置两对滑杆，并通过两对滑杆对称连接两个直线对抓分足；连接部设于所述直线对抓分足顶部，所述连接部两侧各设一个滑块，两个滑块分别与一对滑杆连接，并形成移动副；所述连接部中部安装有顶轮结构，所述顶轮结构与连接于所述驱动舵机输出轴末端的凸轮配合，直线对抓弹簧两端分别连接于所述对抓足机架中部及所述直线对抓分足外侧，构成所述直线对抓足结构；
所述顶轮结构用于与所述凸轮共同驱动所述直线对抓分足沿对应的滑杆向外侧滑动；所述直线对抓弹簧用于带动所述直线对抓分足沿对应的滑杆向内侧滑动复位。
进一步的，中部机架与分足舵机连接，驱动装置安装于所述中部机架上，其输出结构为驱动滑杆；四个旋转对抓分足均布设于所述中部机架外侧，所述旋转对抓分足中部与所述中部机架转动连接，并可相对于所述中部机架上下转动；所述旋转对抓分足通过旋转对抓弹簧与所述中部机架外侧壁连接，尾端通过驱动弹簧与连接于所述驱动滑杆末端的驱动连接部连接，构成所述旋转对抓足结构。
进一步的，所述直线对抓分足和所述旋转对抓分足底部为各平行设置的柔性爪刺足片，所述柔性爪刺足片为片状结构，截面呈蛇形。
进一步的，所述柔性爪刺足片前端设尖爪状钩头结构的微刺。
进一步的，所述微刺与所述柔性爪刺足片柔性连接。
进一步的，各柔性爪刺足片之间通过隔片隔开。
本发明提供了一种仿生柔性爪刺对抓足结构机器人，具有以下有益效果：
1、提供了两种结构的爬壁机器人，分别以主动抓附和被动抓附的形式，实现了机器人粗糙顶面攀爬、竖直壁面任意方位角运动及不同壁面过渡的功能；
2、直线对抓足结构和旋转对抓足结构通过各柔性爪刺足片进行抓附，柔性爪刺足片前端为尖爪状钩头结构的微刺，微刺在背面滑动的过程中抓牢壁面的动作不依赖于重力，实现了机器人陡峭避免甚至是倒置壁面的攀爬功能；
3、旋转对抓分足通过驱动弹簧和驱动滑杆连接，各旋转对抓分足具有一定的相对柔性，提高了机器人对壁面形貌的适应能力；
4、微刺与柔性爪刺足片对应单个柔性连接，通过柔性连接结构的变形减小单个柔性爪刺足片抓附角度的变化，提升抓附性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明直线对抓足结构的结构示意图；
图3为本发明旋转对抓足结构的结构示意图；
图4为本发明柔性爪刺足片和微刺的结构示意图；
图5为本发明预备由竖直壁面攀爬至倒置壁面的状态示意图；
图6为本发明由竖直壁面攀爬至倒置壁面的状态示意图；
图7为本发明由竖直壁面攀爬至倒置壁面后的状态示意图。
图中：
11、舵机，12、股节，13、胫节，14、舵机转臂，15、分足舵机；2、直线对抓足结构，21、对抓足机架，22、驱动舵机，23、凸轮，24、滑杆，25、直线对抓分足，251、连接部，252、滑块，26、顶轮结构，27、直线对抓弹簧；31、中部机架，32、驱动装置，33、驱动滑杆，34、驱动连接部，35、驱动弹簧，36、旋转对抓分足，37、旋转对抓弹簧；4、柔性爪刺足片，41、微刺。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1～图2和图4～图7所示，其结构关系为：舵机11固定于股节12前端，舵机转臂14尾端连接于胫节13中部，其前端和胫节13前端分别与舵机11的背部及驱动轴连接，股节12和胫节13尾端各安装一个分足舵机15，分足舵机15连接直线对抓足结构2或旋转对抓组结构3；
直线对抓足结构2在驱动舵机22驱动下脱附，并在直线对抓弹簧27作用下被动抓附；旋转对抓足结构3在驱动装置32驱动下主动抓附，并在旋转对抓弹簧37作用下脱附。
优选的，对抓足机架21与分足舵机15连接，驱动舵机22安装于对抓足机架21中部，对抓足机架21底部对称设置两对滑杆24，并通过两对滑杆24对称连接两个直线对抓分足25；连接部251设于直线对抓分足25顶部，连接部251两侧各设一个滑块252，两个滑块252分别与一对滑杆24连接，并形成移动副；连接部251中部安装有顶轮结构26，顶轮结构26与连接于驱动舵机22输出轴末端的凸轮23配合，直线对抓弹簧27两端分别连接于对抓足机架21中部及直线对抓分足25外侧，构成直线对抓足结构2；
顶轮结构26用于与凸轮23共同驱动直线对抓分足25沿对应的滑杆24向外侧滑动；直线对抓弹簧27用于带动直线对抓分足25沿对应的滑杆24向内侧滑动复位。
优选的，直线对抓分足25和旋转对抓分足36底部为各平行设置的柔性爪刺足片4，柔性爪刺足片4为片状结构，截面呈蛇形，柔性爪刺足片4前端柔性连接尖爪状钩头结构的微刺41。微刺41用于粗糙表面的抓附，每个微刺41均通过柔性结构与单个柔性爪刺足片4连接，以减小柔性爪刺足片4抓附时抓附角度的变化，以获取更好的抓附性能。
优选的，各柔性爪刺足片4之间通过隔片隔开，使每个爪刺足片拥有独立的运动空间，避免相互干涉。
具体使用时，机器人抓附在粗糙表面时，与股节12连接的直线对抓分足2脱附，同时舵机11和分足舵机15共同驱动该直线对抓足结构2抬起并向前运动，使机器人躯体伸长并使该直线对抓足结构2重新与粗糙表面接触，然后该直线对抓足结构2重新抓附粗糙表面。该直线对抓足结构2抓牢粗糙表面后，与胫节13连接的直线对抓足结构2脱附，同时舵机11和分足舵机15共同驱动该直线对抓足结构2抬起并向前运动，使机器人躯体缩短并使该直线对抓足结构2重新与粗糙表面接触，然后该直线对抓足结构2重新抓附粗糙表面，机器人完成一个周期的运动。
具体抓附和脱附时，分足舵机15通过驱动凸轮23转动驱动顶轮结构26直线运动，凸轮23与直线对抓弹簧27共同作用。当凸轮23与顶轮结构26接触点径向长度增加时，两个直线对抓分足25沿各滑杆24向两侧相背运动，实现脱附动作，直线对抓弹簧27被拉伸并储存势能。当凸轮23与顶轮结构26接触点径向长度减小时，直线对抓弹簧27消耗势能并驱动两个直线对抓分足25沿各滑杆24向中部相向运动，带动微刺41在粗糙表面滑动，实现抓附动作。
当机器人在壁面间过渡时，初始状态为两个直线对抓足结构2均抓附壁面，随后一个直线对抓足结构2脱附并向另一壁面过渡，接触另一壁面后抓附。然后另一直线对抓足结构2脱附，并向另一壁面过渡，接触另一壁面后抓附，实现机器人壁面间的过渡。
实施例二
如图1、图3和图4所示，其结构关系为：舵机11固定于股节12前端，舵机转臂14尾端连接于胫节13中部，其前端和胫节13前端分别与舵机11的背部及驱动轴连接，股节12和胫节13尾端各安装一个分足舵机15，分足舵机15连接直线对抓足结构2或旋转对抓组结构3；
直线对抓足结构2在驱动舵机22驱动下脱附，并在直线对抓弹簧27作用下被动抓附；旋转对抓足结构3在驱动装置32驱动下主动抓附，并在旋转对抓弹簧37作用下脱附。
优选的，中部机架31与分足舵机15连接，驱动装置32安装于中部机架31上，其输出结构为驱动滑杆33；四个旋转对抓分足36均布设于中部机架31外侧，旋转对抓分足36中部与中部机架31转动连接，并可相对于中部机架31上下转动；旋转对抓分足36通过旋转对抓弹簧37与中部机架31外侧壁连接，尾端通过驱动弹簧35与连接于驱动滑杆33末端的驱动连接部34连接，构成旋转对抓足结构3。
优选的，直线对抓分足25和旋转对抓分足36底部为各平行设置的柔性爪刺足片4，柔性爪刺足片4为片状结构，截面呈蛇形。
优选的，柔性爪刺足片4前端设尖爪状钩头结构的微刺41。
优选的，微刺41与柔性爪刺足片4柔性连接。
优选的，各柔性爪刺足片4之间通过隔片隔开。
具体使用时，机器人抓附在粗糙表面时，与股节12连接的旋转对抓足结构3脱附，同时舵机11和分足舵机15共同驱动该旋转对抓足结构3抬起并向前运动，使机器人躯体伸长并使该旋转对抓足结构3重新与粗糙表面接触，然后该旋转对抓足结构3重新抓附粗糙表面。该旋转对抓足结构3抓牢粗糙表面后，与胫节13连接的旋转对抓足结构3脱附，同时舵机11和分足舵机15共同驱动该旋转对抓足结构3抬起并向前运动，使机器人躯体缩短并使该旋转对抓足结构3重新与粗糙表面接触，然后该旋转对抓足结构3重新抓附粗糙表面，机器人完成一个周期的运动。
具体抓附和脱附时，驱动滑杆33驱动驱动连接部34向上移动，驱动连接部34上移时，通过各驱动弹簧35带动各旋转对抓分足36尾端和前端分别向上和向下转动，实现抓附动作，各旋转对抓弹簧37被拉伸并储存势能。驱动滑杆33回程带动驱动连接部34下移时，各旋转对抓弹簧37消耗势能并驱动旋转对抓分足36转动复位，实现脱附动作。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种仿生柔性爪刺对抓足结构机器人，舵机(11)固定于股节(12)前端，舵机转臂(14)尾端连接于胫节(13)中部，其前端和所述胫节(13)前端分别与所述舵机(11)的背部及驱动轴连接，其特征在于：所述股节(12)和所述胫节(13)尾端各安装一个分足舵机(15)，所述分足舵机(15)连接直线对抓足结构(2)或旋转对抓组结构(3)；
所述直线对抓足结构(2)在驱动舵机(22)驱动下脱附，并在直线对抓弹簧(27)作用下被动抓附；所述旋转对抓足结构(3)在驱动装置(32)驱动下主动抓附，并在旋转对抓弹簧(37)作用下脱附。
2.根据权利要求1所述的一种仿生柔性爪刺对抓足结构机器人，其特征在于：对抓足机架(21)与分足舵机(15)连接，驱动舵机(22)安装于对抓足机架(21)中部，所述对抓足机架(21)底部对称设置两对滑杆(24)，并通过两对滑杆(24)对称连接两个直线对抓分足(25)；连接部(251)设于所述直线对抓分足(25)顶部，所述连接部(251)两侧各设一个滑块(252)，两个滑块(252)分别与一对滑杆(24)连接，并形成移动副；所述连接部(251)中部安装有顶轮结构(26)，所述顶轮结构(26)与连接于所述驱动舵机(22)输出轴末端的凸轮(23)配合，直线对抓弹簧(27)两端分别连接于所述对抓足机架(21)中部及所述直线对抓分足(25)外侧，构成所述直线对抓足结构(2)；
所述顶轮结构(26)用于与所述凸轮(23)共同驱动所述直线对抓分足(25)沿对应的滑杆(24)向外侧滑动；所述直线对抓弹簧(27)用于带动所述直线对抓分足(25)沿对应的滑杆(24)向内侧滑动复位。
3.根据权利要求1所述的一种仿生柔性爪刺对抓足结构机器人，其特征在于：中部机架(31)与分足舵机(15)连接，驱动装置(32)安装于所述中部机架(31)上，其输出结构为驱动滑杆(33)；四个旋转对抓分足(36)均布设于所述中部机架(31)外侧，所述旋转对抓分足(36)中部与所述中部机架(31)转动连接，并可相对于所述中部机架(31)上下转动；所述旋转对抓分足(36)通过旋转对抓弹簧(37)与所述中部机架(31)外侧壁连接，尾端通过驱动弹簧(35)与连接于所述驱动滑杆(33)末端的驱动连接部(34)连接，构成所述旋转对抓足结构(3)。
4.根据权利要求2或3所述的一种仿生柔性爪刺对抓足结构机器人，其特征在于：所述直线对抓分足(25)和所述旋转对抓分足(36)底部为各平行设置的柔性爪刺足片(4)，所述柔性爪刺足片(4)为片状结构，截面呈蛇形。
5.根据权利要求4所述的一种仿生柔性爪刺对抓足结构机器人，其特征在于：所述柔性爪刺足片(4)前端设尖爪状钩头结构的微刺(41)。
6.根据权利要求5所述的一种仿生柔性爪刺对抓足结构机器人，其特征在于：所述微刺(41)与所述柔性爪刺足片(4)柔性连接。
7.根据权利要求4所述的一种仿生柔性爪刺对抓足结构机器人，其特征在于：各柔性爪刺足片(4)之间通过隔片隔开。
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