CN108357582B - 一种仿生柔性爪刺足结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生柔性爪刺足结构，涉及爬壁机器人技术领域，安装板上阵列设置四个分足单元，每个分足单元上均安装一个用于抓附壁面的分足，尼龙线两端分别与固设于安装板上的两个丝线固定块连接，尼龙线绕过各安装板和各分足滑轮设置，用于以压力限制分足相对于滑杆的滑动。本发明尼龙线绕过各安装板滑轮和各分足滑轮设置，将各分足受到的负载力均摊，使每个分足受力均匀，最大程度地充分利用每个分足的抓附力，避免各分足负载不均导致的单个分足脱附，改善机器人抓附的稳定性；通过磁钢和霍尔传感器获取分足的位移，进而通过弹簧形变量计算反馈分足的抓附力和抓附状态，大大降低了机器人控制算法的编制难度。

Description

一种仿生柔性爪刺足结构

技术领域

本发明涉及爬壁机器人技术领域，具体涉及一种用于爬壁机器人的爪刺足结构。

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，可以代替人类在陡峭壁面上执行任务，能够有效提高壁面作业效率，降低壁面作业风险，具有广泛的应用前景。

自然界中很多生物天生具有飞檐走壁的能力，例如甲虫、蜥蜴、猫等生物足部具有锋利的爪刺结构，可以与粗糙的坚硬壁面间形成摩擦锁合，或者刺入柔软的表面，利用静摩擦力或刺入产生的力，实现陡峭壁面附着。受此启发，利用微型爪刺进行壁面攀爬的仿生爬壁机器人已被研发，其主要适用于坚硬并多灰尘的粗糙壁面以及柔软壁面，得到了一定范围的应用。

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：CN201510562018.5，申请日：2015.09.07，授权公告日：2015.12.09，本发明涉及一种基于钩爪附着的仿生四足爬壁机器人，及攀爬机器人的技术领域。它包括前机体板(3)，后机体板(10)、连杆、尾巴(12)、机械腿；机械腿上安装有脚掌(6)；其特征在于：所述脚掌(6)包括脚掌基体(17)；脚掌基体(17)的后端通过阻尼转轴(14)安装于机械腿上，其中阻尼转轴(14)的轴线与脚掌基体(17)所在平面平行，脚掌(6)所在平面和机械腿所在平面之间的角度可以通过转动阻尼转轴(14)来调节；脚掌基体(17)的前端安装有柔性连接块(15)，柔性连接块(15)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)本发明结构简单，控制容易，易于组装。

专利3：

申请号：CN201710368416.2，申请日：2017.05.22，授权公告日：2017.11.07，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。

专利4：

申请号：CN201710362196.2，申请日：2007.05.22，授权公告日：2017.11.07，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。

上述机器人基本实现了竖直粗糙壁面爬行，但上述机器人在复杂壁面爬行时，由于壁面凹凸不平起伏很大，会出现抓刺足受力不均的情况。即某些足片又承受过小的负载，不能充分发挥抓附作用，另一些爪刺足片因承受过大负载而脱附，甚至导致机器人因抓附不稳而从壁面滑落。此外，因上述机器人无法感知爪刺足的抓附力，从而无法判断爪刺足的抓附状态，导致机器人控制算法编制难度较大。

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足结构。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：一种仿生柔性爪刺足结构，两个滑杆平行设置，每个所述滑杆分别通过两个滑杆座连接于所述安装板上，两个安装板滑轮位于两个所述滑杆之间，连接于所述安装板上，构成分足单元，两个所述安装板滑轮的轴连线与所述滑杆的轴线垂直设置；连接架顶部两侧各一体成型一个滑块，中间设分足滑轮，各足片平行设于所述连接架底部，构成分足；两个所述滑块分别安装于两个所述滑杆上，将所述分足与所述分足单元滑动连接；所述滑杆上套接弹簧，所述弹簧设于一组对应的滑块和滑杆座之间，用于以拉力限制所述分足相对于所述滑杆的滑动；

所述安装板上阵列设置四个所述分足单元，每个所述分足单元上均安装一个用于抓附壁面的所述分足，尼龙线两端分别与固设于所述安装板上的两个丝线固定块连接，所述尼龙线绕过各所述安装板滑轮和各分足滑轮设置，并于每个分足单元的安装板滑轮及与其对应的分足的分足滑轮间形成一个沿所述滑杆轴线方向的S弯，用于以压力限制所述分足相对于所述滑杆的滑动。

进一步的，与所述弹簧连接的所述滑杆座上及对应的所述滑块靠近所述弹簧的一侧上各设一个磁钢，霍尔传感器设于两个磁钢之间，固定于所述连接架顶部。

进一步的，所述足片为片状蛇形结构，由柔性材料制成，其前端设尖爪状钩头结构的硬质爪刺针。

进一步的，所述足片由各弯折单元连接构成，所述爪刺针插入其前端设置的安装孔连接固定。

进一步的，各所述足片之间通过隔板隔离。

进一步的，所述丝线固定块上设有调节结构，用于调节所述尼龙线的张紧程度。

本发明提供了一种仿生柔性爪刺足结构，具有以下有益效果：

1、尼龙线绕过各安装板滑轮和各分足滑轮设置，将各分足受到的负载力均摊，使每个分足受力均匀，最大程度地充分利用每个分足的抓附力，避免各分足负载不均导致的单个分足脱附，改善机器人抓附的稳定性；

2、通过磁钢和霍尔传感器获取分足的位移，进而通过弹簧形变量计算反馈分足的抓附力和抓附状态，大大降低了机器人控制算法的编制难度；

3、足片由于柔性材料制成，通过分足的柔性变形减小单个足片抓附角度的变化，提升分足的抓附性能；

4、结构简单、可靠、易实现，能够有效实现机器人在不同壁面环境下的稳定抓附，实用性好。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明安装板的结构示意图；

图3为本发明分足的结构示意图；

图4为发明的侧视图；

图5为本发明尼龙线与安装板滑轮和分足滑轮安装结构的剖视示意图；

图6为本发明足片的结构示意图。

图中：

1、安装板，11、滑杆座，12、滑杆，13、安装板滑轮；14、丝线固定块；2、分足，21、连接架，22、滑块，23、分足滑轮，24、足片，231、爪刺针；3、尼龙线；4、弹簧；51、磁钢，52、霍尔传感器。

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。

如图1～图6所示，其结构关系为：两个滑杆12平行设置，每个滑杆12分别通过两个滑杆座11连接于安装板1上，两个安装板滑轮13位于两个滑杆12之间，连接于安装板1上，构成分足单元，两个安装板滑轮13的轴连线与滑杆12的轴线垂直设置；连接架21顶部两侧各一体成型一个滑块22，中间设分足滑轮23，各足片24平行设于连接架21底部，构成分足2；两个滑块22分别安装于两个滑杆12上，将分足2与分足单元滑动连接；滑杆12上套接弹簧4，弹簧4设于一组对应的滑块22和滑杆座11之间，用于以拉力限制分足2相对于滑杆12的滑动；

安装板1上阵列设置四个分足单元，每个分足单元上均安装一个用于抓附壁面的分足2，尼龙线3两端分别与固设于安装板1上的两个丝线固定块14连接，尼龙线3绕过各安装板滑轮13和各分足滑轮23设置，并于每个分足单元的安装板滑轮13及与其对应的分足2的分足滑轮23间形成一个沿滑杆12轴线方向的S弯，用于以压力限制分足2相对于滑杆12的滑动。

优选的，与弹簧4连接的滑杆座11上及对应的滑块22靠近弹簧4的一侧上各设一个磁钢51，霍尔传感器52设于两个磁钢51之间，固定于连接架21顶部。

优选的，足片24为片状蛇形结构，由柔性材料制成，其前端设尖爪状钩头结构的硬质爪刺针231。

优选的，足片24由各弯折单元连接构成，爪刺针231插入其前端设置的安装孔连接固定。

优选的，各足片24之间通过隔板隔离，使每个爪刺足片拥有独立的运动空间，避免相互干涉。

优选的，丝线固定块14上设有调节结构，用于调节尼龙线3的张紧程度。

具体使用时，爬壁机器人包括可主动屈伸的机器人本体及分别连接于机器人本体两端的两个仿生柔性爪刺足结构，机器人本体两端分别设置用于驱动仿生柔性爪刺足结构抬起和放下的分足舵机。

爬壁时，一个仿生柔性爪刺足结构在对应的分足舵机的驱动下脱附并抬起，机器人本体伸长，然后该仿生柔性爪刺足结构放下并重新抓附壁面。另一个仿生柔性爪刺足结构在对应的分足舵机的驱动下脱附并抬起，机器人本体屈起，然后该仿生柔性爪刺足结构放下并重新抓附壁面，完成一个工作周期。

仿生柔性爪刺足结构与壁面脱附时，各分足2在分足舵机驱动下脱离壁面，并在各弹簧4弹力作用下沿滑杆22靠近对应弹簧4滑动复位，实现脱附动作。

仿生柔性爪刺足结构抓附壁面时，各分足2在分足舵机驱动下接触壁面，爪刺针231在壁面滑动，实现抓附动作。抓附过程中，各分足2在壁面力的作用下沿滑杆12向远离弹簧4一侧滑动，并拉伸弹簧4。各分足2滑动的过程中，通过尼龙线3带动各安装板滑轮13和分足滑轮23转动，同时尼龙线3张紧，将各分足2抓附荷载总合均摊至各分足2，并使各弹簧4的形变量趋于一致。弹簧4在抓附过程中发生形变，起到缓冲和限位作用，使整个抓附过程更加稳定。

抓附过程中，各分足2上安装的霍尔传感器52通过检测对应安装的磁钢51的磁场变化实时检测各分足2的位移情况，以便根据各分足2的抓附荷载情况对爬壁机器人进行控制规划。

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 (6)

1.一种仿生柔性爪刺足结构，其特征在于：两个滑杆(12)平行设置，每个所述滑杆(12)分别通过两个滑杆座(11)连接于安装板(1)上，两个安装板滑轮(13)位于两个所述滑杆(12)之间，连接于所述安装板(1)上，构成分足单元，两个所述安装板滑轮(13)的轴连线与所述滑杆(12)的轴线垂直设置；连接架(21)顶部两侧各一体成型一个滑块(22)，中间设分足滑轮(23)，各足片(24)平行设于所述连接架(21)底部，构成分足(2)；两个所述滑块(22)分别安装于两个所述滑杆(12)上，将所述分足(2)与所述分足单元滑动连接；所述滑杆(12)上套接弹簧(4)，所述弹簧(4)设于一组对应的滑块(22)和滑杆座(11)之间，用于以拉力限制所述分足(2)相对于所述滑杆(12)的滑动；

所述安装板(1)上阵列设置四个所述分足单元，每个所述分足单元上均安装一个用于抓附壁面的所述分足(2)，尼龙线(3)两端分别与固设于所述安装板(1)上的两个丝线固定块(14)连接，所述尼龙线(3)绕过各所述安装板滑轮(13)和各分足滑轮(23)设置，并于每个分足单元的安装板滑轮(13)及与其对应的分足(2)的分足滑轮(23)间形成一个沿所述滑杆(12)轴线方向的S弯，用于以压力限制所述分足(2)相对于所述滑杆(12)的滑动。

2.根据权利要求1所述的一种仿生柔性爪刺足结构，其特征在于：与所述弹簧(4)连接的所述滑杆座(11)上及对应的所述滑块(22)靠近所述弹簧(4)的一侧上各设一个磁钢(51)，霍尔传感器(52)设于两个磁钢(51)之间，固定于所述连接架(21)顶部。

3.根据权利要求1所述的一种仿生柔性爪刺足结构，其特征在于：所述足片(24)为片状蛇形结构，由柔性材料制成，其前端设尖爪状钩头结构的硬质爪刺针(231)。

4.根据权利要求3所述的一种仿生柔性爪刺足结构，其特征在于：所述足片(24)由各弯折单元连接构成，所述爪刺针(231)插入其前端设置的安装孔连接固定。

5.根据权利要求1所述的一种仿生柔性爪刺足结构，其特征在于：各所述足片(24)之间通过隔板隔离。

6.根据权利要求1所述的一种仿生柔性爪刺足结构，其特征在于：所述丝线固定块(14)上设有调节结构，用于调节所述尼龙线(3)的张紧程度。