CN110282043A - 一种能够在狭小空间内牵引负载的机器人 - Google Patents

一种能够在狭小空间内牵引负载的机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种能够在狭小空间内牵引负载的机器人，该机器人包括粘附脚掌加载\脱附部分、前臂的运动控制部分、机器人的自由移动部分和相应的电路控制模块及驱动模块组成；粘附脚掌加载\脱附部分用于接触并产生粘附力，以实现蚂蚁的“大力士”的特性；前臂的运动控制部分用于实现两种不同的工作模式的切换；机器人的自由移动部分用于实现机器人的移动；电路控制模块及驱动模块用于提供电机驱动以及舵机的控制信号。本发明采用仿生干粘附材料，同一体积和质量下，粘附力远大于其他材料所能产生的粘附力或摩擦力；同时轮式蚂蚁机器人与传统的足式蚂蚁机器人相比，对于复杂的地面情况适应性更高，可以用于在狭小空间中的牵引负载的操作。

Description

一种能够在狭小空间内牵引负载的机器人
技术领域
本发明涉及机电一体化技术领域，具体涉及一种能够在狭小空间内实现牵引负载的机器人。
背景技术
目前仿生微型机器人已经越来越受国内外相关学者的重视，因为他们可以在更狭小的空间当中给人类辅助或者是完成人类无法未完成的任务，特别是在搜索、救援、监测和环境监测的领域之中。因此如何能在保证一定的机器人的功能的条件下，并且还可以实现将机器人尽量可能的微型化，成为了目前研究的一个热门方向。这也是本发明专利的研究目标。
传统的拉力机器人通常是靠大扭力的电机以及较大的体重来实现对一些负载的牵引。虽然可以在日程生活中进行应用，但是在狭小空间中，由于体积的原因，这些牵引机器人都无法派上用途。然而与之相对的微型机器人，他们虽然在尺寸设计上可以满足狭小空间的场景需求，而负载的牵引力却是微乎其微。大部分微型仿生机器人往往是对其形态进行模仿，例如蚂蚁机器人等。所以我们根据一种特制的干粘附脚掌设计出了一种可以在狭小空间中提供大的负载力的牵引机器人。
本发明设计粘附脚掌的粘附力灵感来源于壁虎的脚掌的干粘附，自然界中的壁虎正是利用了其脚掌上的微型刚毛从而实现了在墙壁和天花板上行走。在2000年的时候，美国的研究人员就证明了壁虎脚掌上的刚毛和粘附表面之间的粘附力是范德华力，这为本专利所设计的机器人提供了理论基础。机器人的设计灵感是来自于蚂蚁的“小体积，大拉力”的特性，蚂蚁虽然体积很小，但是却能举起超过自身体重50倍的重物。由此启发设计这样一种能够在狭小空间范围内提供大牵引力的微型机器人。
发明内容
本发明目的在于设计了一种可以在狭小空间中工作的牵引机器人，在一些特殊的环境中，可以完成一些负载牵引的任务，针对这种特殊的操作环境，提出了一种可行的解决方案。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为设计一种基于特制的干粘附脚掌的微型仿生蚂蚁机器人。该机器人通过车轮来实现移动，通过舵机实现牵引负载以及脚掌的加载卸载。
该仿生机器人包括粘附脚掌加载\脱附部分、前臂的运动控制部分和机器人的自由移动部分；粘附脚掌加载\脱附部分用于提供牵引力，以实现牵引负载的功能；前臂的运动控制部分用于实现牵引工作状态与移动工作状态的转变；机器人的自由移动部分用于实现机器人的自由移动。
所述粘附脚掌加载\脱附部分由粘附脚掌(7)、加载底板(8)、鱼线固定杆(6)所组成。粘附脚掌(7)与加载底板(8)通过胶水固定在一起，鱼线固定杆(6)通过胶水与加载底板(8)固定在一起，鱼线系在鱼线固定杆(6)的一端，鱼线固定杆(6)的另一端穿过加载底板(8)上的孔与系在舵机(5)的伸出轴上。
所述舵机及前臂升降结构由前臂(10)、垫片(9)和舵机(5)组成。前臂(10)与垫片(9)采用胶水固定在一起，同时保证前臂(10)上的孔和垫片(9)上的孔同轴。前臂(10)、垫片(9)通过螺栓与舵机(5)固定在一起，螺栓通过垫片(9)和前臂的同轴孔与舵机(5)伸出轴上的螺纹孔拧在一起。
所述的机器人的驱动结构由直流减速电机(11)、直流减速电机的电机套筒(12)和驱动轮(1)组成。驱动轮(1)与直流减速电机(11)的伸出轴固定在一起，直流减速电机(11)的导线穿过直流减速电机的电机套筒(12)上的开孔与直流减速电机的驱动电路板(4)焊在相应的引出脚上，同时直流减速电机(11)装在直流减速电机的电机套筒(12)中。
该微型仿生蚂蚁机器人所采用的粘附脚掌采用一种微细加工方式所制备，其表面的形状为楔形刚毛，这种楔形刚毛所产生的剪切力是范德华力。
楔形刚毛是通过微细机械加工工艺与模具浇注工艺来制作的。通过数控机床，可以使刀具在模具上按预定的轨迹运动，在模具表面形成楔形的凹槽。之后利用加工好的模具用硅橡胶(PDMS)去浇注，等待硅橡胶(PDMS)凝固后，从模具上取下，即可得到粘附脚掌。
加载底板(8)与鱼线固定杆(6)依靠鱼线实现粘附脚掌的切向加载，通过舵机不断地缠绕鱼线，使微型仿生蚂蚁机器人与负载之间的鱼线缩短，依靠负载的静摩擦力对粘附脚掌进行加载，改变楔形刚毛的弯曲程度，产生粘附力。
依靠舵机与前臂机构将牵引负载的过程与机器人的移动过程分开，前臂抬起时，机器人处于牵引负载的工作状态，前臂放下时，机器人移动的工作状态。
仿生蚂蚁机器人的工作过程分为如下三个阶段：
1)粘附脚掌的加载：通过舵机的反转，缠绕在舵机轴上的鱼线会被收紧，实现粘附脚掌的加载，从而实现对负载的牵引；
2)粘附脚掌的卸载：通过舵机的正转，缠绕在舵机绳上的鱼线会被释放，实现粘附脚掌的卸载；
3)机器人的运动：通过直流减速电机实现机器人的移动，同时被缠绕的鱼线被逐渐解开；之后舵机会再次反转，如此往复，实现对负载的牵引。
当舵机反转时，鱼线会缠绕到舵机轴上，此时实现粘附脚掌的切向加载；当舵机正转时，鱼线逐渐解开，实现粘附脚掌的卸载。
电机套筒通过前臂与车体相连。直流减速电机内置与电机套筒之中，从电机套筒上的开孔将电机的导线引出，并将导线与驱动电路焊接到一起。驱动轮与直流减速电机的轴固定在一起。实现微型仿生蚂蚁机器人的移动。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1、本发明依据粘附脚掌定向粘附的特性，设计了一种可以实现其粘附、脱附的微型机器人，将其分为三个主要部分，每个部分相互协调完成机器人的牵引负载的功能，装置便于安装和拆卸，同时装置中各个零件易于加工。
2、本发明设计了一种微型仿生蚂蚁机器人，其功能是可以实现牵引大的负载。与传统的蚂蚁机器人相比，大幅度缩小整体机构的尺寸的同时还可以保持一定的拉力，使在狭小空间中实现大负载牵引成为了可能。
3、本发明所设计的型仿生蚂蚁机器人，其将自身移动和牵引负载分割成了两个部分，与传统的牵引机器人相比，其不需要大扭力的驱动电机去驱动机器人，进一步缩小了机器人的体积。
附图说明
图1仿生蚂蚁微型机器人的整体结构示意图。
图2仿生蚂蚁微型机器人的两个工作阶段。
图3仿生蚂蚁微型机器人的工作流程。
图中：1、驱动轮，2、机器人的核心控制电路板，3、电路板支柱，4、直流减速电机驱动电路板，5、舵机，6、鱼线固定杆，7、粘附脚掌，8、加载底板，9、垫片，10、前臂，11、直流减速电机，12、直流减速电机的电机套筒。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。
微型仿生蚂蚁机器人的整体结构示意图如图1所示。机器人的一个工作周期分为两个阶段，一个是牵引重物的阶段，一个是机器人自身移动的阶段。两个阶段连续交替实现机器人牵引负载的能力。针对这两个工作阶段，将机器人整体分为三个部分，这三个部分分别为粘附脚掌单元、前臂升降结构和机器人的驱动结构。这三个部分相互协调完成微型仿生蚂蚁机器人牵引负载的功能。粘附脚掌单元可以实现牵引负载的功能；前臂升降的结构实现两种工作阶段的相互转换，互相交替；微型仿生蚂蚁机器人的移动机构实现机器人可以在平面上自由移动。
所述粘附脚掌加载\脱附部分由粘附脚掌(7)、加载底板(8)和鱼线固定杆(6)所组成。粘附脚掌(7)与加载底板通过(8)胶水固定在一起，鱼线固定杆(6)通过胶水与加载底板固定在一起，鱼线系在鱼线固定杆(6)的一端，另一端穿过加载底板上的孔与系在舵机(5)的伸出轴上。舵机依靠导线与机器人的核心控制电路板(2)相连。依靠机器人的核心电路控制电路板(2)所产生的PWM波控制舵机(5)的正反转。当舵机(6)反转时，系在舵机(5)上的鱼线逐渐缠绕在舵机(5)的伸出轴上，由于鱼线的长度被缩短，被鱼线所勾住的负载被牵引。此时由于相互作用力的作用，牵引负载的同时，机器人自身也受到了牵引力。这时牵引力通过鱼线加载在加载底板上(8)。由于切向牵引力的作用，使得粘附脚掌(7)实现加载，产生粘附力，实现对负载的牵引；当舵机(5)正转时，系在舵机(5)伸出轴上的鱼线逐渐从舵机(5)上解开，此时鱼线上的牵引力被释放，粘附脚掌(7)实现卸载，机器人的牵引负载的工作阶段结束，鱼线被释放，同时进入机器人的移动工作状态。
所述前臂的运动控制部分由前臂(10)、垫片(9)和舵机(5)组成。前臂(10)与垫片采用胶水固定在一起，同时保证前臂(10)上的孔和垫片(9)上的孔同轴。前臂(10)、垫片(9)通过螺栓与舵机(5)固定在一起，螺栓通过垫片(9)和前臂的同轴孔与舵机(5)伸出轴上的螺纹孔拧在一起。垫片(9)的作用是提供一个摩擦力。保证在没有外力施加在前臂(10)上时，前臂(10)可以与舵机同时旋转，事先前臂(10)的升降功能。当有前臂(10)的尾端接触到加载底板时(8)，此时前臂(10)的升降运动被限制，垫片(9)与舵机(5)伸出轴之间的摩擦力由静摩擦力转变为滑动摩擦力。当舵机(5)反转时，前臂(10)随着舵机(5)的反转被逐渐抬起，此时粘附脚掌(7)与地面充分的接触，实现从机器人移动的工作状态向机器人牵引负载的工作状态的改变；当舵机(5)正转的时候，前臂(10)随着舵机(5)的正转被逐渐放下，此时由于前臂(5)被放下，粘附脚掌(7)与地面之间的接触变的不在充分，此时粘附脚掌(7)与地面之间会有一个夹角，实现从机器人的牵引负载的工作状态向机器人运动的工作状态的转变。
所述的机器人的驱动结构主要由直流减速电机(11)、直流减速电机的电机套筒(12)和驱动轮(1)组成。驱动轮(1)与直流减速电机(11)的伸出轴固定在一起，直流减速电机(11)的导线穿过直流减速电机的电机套筒(12)上的开孔与直流减速电机的驱动电路板(4)焊在相应的引出脚上，同时直流减速电机(11)装在直流减速电机的电机套筒(12)中。直流减速电机的电机套筒(12)通过502胶水与前臂(10)固定在一起。通过机器人的核心控制电路板(2)产生两路PWM信号，然后通过直流减速电机的驱动电路板(4)将PWM信号放大再传输给直流减速电机(11)。通过改变直流加速电机的占空比可以控制直流减速电机(11)的转速，从而实现机器人的移动与转向。直流减速电机的驱动电路板(4)与舵机(5)通过胶水固定在一起。机器人的核心控制电路板(2)通过电路板支柱(3)与直流减速电机的驱动电路板(4)固定在一起。当舵机(5)反转时，驱动轮(1)与直流减速电机的电机套筒(12)依靠前臂(5)被抬起，此时驱动轮(1)与地面分离，驱动轮(1)停止旋转，实现从机器人移动的工作状态向机器人牵引负载的工作状态的改变；当舵机(5)反转时，驱动轮(1)与直流减速电机的电机套筒(12)依靠前臂(5)被放下，此时驱动轮(1)与地面接触，驱动轮(1)受PWM的信号控制开始旋转，依靠驱动轮(1)与地面之间的摩擦力使机器人向前运动，实现从机器人的牵引负载的工作状态向机器人运动的工作状态的转变。

Claims (10)

1.一种能够在狭小空间内牵引负载的机器人，其特征在于：该机器人通过车轮来实现移动，通过舵机实现牵引负载以及脚掌的加载卸载；
该仿生机器人包括粘附脚掌加载\脱附部分、前臂的运动控制部分和机器人的自由移动部分；粘附脚掌加载\脱附部分用于提供牵引力，以实现牵引负载的功能；前臂的运动控制部分用于实现牵引工作状态与移动工作状态的转变；机器人的自由移动部分用于实现机器人的自由移动。
2.根据权利要求1所述的一种能够在狭小空间内牵引负载的机器人，其特征在于：所述粘附脚掌加载\脱附部分由粘附脚掌(7)、加载底板(8)、鱼线固定杆(6)所组成；粘附脚掌(7)与加载底板(8)通过胶水固定在一起，鱼线固定杆(6)通过胶水与加载底板(8)固定在一起，鱼线系在鱼线固定杆(6)的一端，鱼线固定杆(6)的另一端穿过加载底板(8)上的孔与系在舵机(5)的伸出轴上。
3.根据权利要求1所述的一种能够在狭小空间内牵引负载的机器人，其特征在于：所述舵机及前臂升降结构由前臂(10)、垫片(9)和舵机(5)组成；前臂(10)与垫片(9)采用胶水固定在一起，同时保证前臂(10)上的孔和垫片(9)上的孔同轴；前臂(10)、垫片(9)通过螺栓与舵机(5)固定在一起，螺栓通过垫片(9)和前臂的同轴孔与舵机(5)伸出轴上的螺纹孔拧在一起。
4.根据权利要求1所述的一种能够在狭小空间内牵引负载的机器人，其特征在于：所述的机器人的驱动结构由直流减速电机(11)、直流减速电机的电机套筒(12)和驱动轮(1)组成；驱动轮(1)与直流减速电机(11)的伸出轴固定在一起，直流减速电机(11)的导线穿过直流减速电机的电机套筒(12)上的开孔与直流减速电机的驱动电路板(4)焊在相应的引出脚上，同时直流减速电机(11)装在直流减速电机的电机套筒(12)中。
5.根据权利要求1所述的一种能够在狭小空间内牵引负载的机器人，其特征在于：该机器人所采用的粘附脚掌采用一种微细加工方式所制备，其表面的形状为楔形刚毛，这种楔形刚毛所产生的剪切力是范德华力。
6.根据权利要求5所述的一种能够在狭小空间内牵引负载的机器人，其特征在于：楔形刚毛是通过微细机械加工工艺与模具浇注工艺来制作的；通过数控机床，使刀具在模具上按预定的轨迹运动，在模具表面形成楔形的凹槽；之后利用加工好的模具用硅橡胶去浇注，等待硅橡胶凝固后，从模具上取下，即可得到粘附脚掌。
7.根据权利要求1所述的一种能够在狭小空间内牵引负载的机器人，其特征在于：加载底板(8)与鱼线固定杆(6)依靠鱼线实现粘附脚掌的切向加载，通过舵机不断地缠绕鱼线，使微型仿生蚂蚁机器人与负载之间的鱼线缩短，依靠负载的静摩擦力对粘附脚掌进行加载，改变楔形刚毛的弯曲程度，产生粘附力；
依靠舵机与前臂机构将牵引负载的过程与机器人的移动过程分开，前臂抬起时，机器人处于牵引负载的工作状态，前臂放下时，机器人移动的工作状态。
8.根据权利要求1所述的一种能够在狭小空间内牵引负载的机器人，其特征在于：机器人的工作过程分为如下三个阶段，
1)粘附脚掌的加载：通过舵机的反转，缠绕在舵机轴上的鱼线会被收紧，实现粘附脚掌的加载，从而实现对负载的牵引；
2)粘附脚掌的卸载：通过舵机的正转，缠绕在舵机绳上的鱼线会被释放，实现粘附脚掌的卸载；
3)机器人的运动：通过直流减速电机实现机器人的移动，同时被缠绕的鱼线被逐渐解开；之后舵机会再次反转，如此往复，实现对负载的牵引。
9.根据权利要求8所述的一种能够在狭小空间内牵引负载的机器人，其特征在于：当舵机反转时，鱼线会缠绕到舵机轴上，此时实现粘附脚掌的切向加载；当舵机正转时，鱼线逐渐解开，实现粘附脚掌的卸载。
10.根据权利要求8所述的一种能够在狭小空间内牵引负载的机器人，其特征在于：电机套筒通过前臂与车体相连；直流减速电机内置与电机套筒之中，从电机套筒上的开孔将电机的导线引出，并将导线与驱动电路焊接到一起；驱动轮与直流减速电机的轴固定在一起；实现机器人的移动。
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