CN110422245A - 一种能适应多种环境的仿生爬壁机器人 - Google Patents
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Abstract
一种能适应多种环境的仿生爬壁机器人。它是包括机器人主体部和布置在其两侧的机器人腿部，机器人腿部前端是机器人足部，每个机器人足部具有多个蹄趾，所述的机器人足部在中间的位置下方安装有仿生吸盘，每个蹄趾的下表面黏有刚毛阵列的粘性材料，每个蹄趾还具有勾刺结构的末端脚趾。本发明吸取壁虎和喉盘鱼的附着性能，使爬壁机器人的多种壁面的适应性能提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种仿生爬壁机器人，尤其是一种能适应多种环境的仿生爬壁机器人，属于机械自动化工程领域。
背景技术
目前，在城市有许多玻璃幕墙，时间久了会累积大量的灰尘，人工清理时存在一定的风险，而且代价高、效率低。随着社会的发展，人工高空清洗玻璃已经不符合实际发展情况，随着爬壁机器人的发展，高空清洗幕墙逐渐由爬壁机器人承担，爬壁机器人可以携带清洗设备和侦查设备，可以实现清洗幕墙的自动化。爬壁机器人可以代替人类在复杂环境进行工作，可在垂直壁面、倾斜壁面和水平壁面行走，具有很好的环境适应性，从而广泛用于救灾救援、建筑工程、市政工程、石油化工业、船舶、航空航天、核电等领域。
传统爬壁机器人为了实现垂直壁面的附着，其足部往往采用单一的吸附结构，例如利用真空吸附、机械部件抓附、永磁和电磁吸附、静电吸附或材料粘附等方法产生附着力，因此，现有的爬壁机器人大多只能适应一种壁面(光滑壁面或者粗糙壁面)，很多都不具备同时适应多种壁面的问题。
发明内容
为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种能适应多种环境的仿生爬壁机器人，能够在粗糙和光滑多种壁面爬行，适应性能强。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括机器人主体部和布置在其两侧的机器人腿部，机器人腿部前端是机器人足部，每个机器人足部具有多个蹄趾，所述的机器人足部在中间的位置下方安装有仿生吸盘，每个蹄趾的下表面黏有刚毛阵列的粘性材料，每个蹄趾还具有勾刺结构的末端脚趾。
相比现有技术，本发明的一种能适应多种环境的仿生爬壁机器人，为了提高爬壁机器人的多种壁面的适应性能，在生物界获取了许多灵感，不仅吸取了壁虎趾上特殊的微结构，还借鉴喉盘鱼的特殊吸盘结构。其中，粘性材料和仿生吸盘在光滑壁面上有一定的粘性，可以辅助爬壁机器人粘附在光滑壁面上。而勾刺结构的作用是很好的爪附在粗糙的壁面，当遇到粗糙壁面的时候，爬壁机器人可以良好的附着在壁面上。由于本发明将粘性材料、勾刺结构和特殊的仿生吸盘三者组合起来形成了本发明能适应多种环境爬壁机器人复合足部，所以可以在粗糙和光滑多种壁面实施侦查等任务。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明一个实施例的俯视结构示意图。
图2是本发明实施例中机器人腿部的俯视图。
图3是本发明实施例中机器人腿部的仰视图。
图4是本发明实施例中机器人足部的俯视图。
图5是本发明实施例中机器人足部的仰视图。
图中，1、机器人头部，2、机器人主体部，3、机器人足部，4、机器人右前腿部，5、控制系统，6、机器人右后腿部，7、机器人尾部，8、机器人左后腿部，9、电源，10、机器人左前腿部，11、杆Ⅰ，12、杆Ⅱ，13、杆Ⅲ，14、杆Ⅳ，15、齿轮Ⅰ，16、齿轮Ⅱ，17、齿轮Ⅲ，18、齿轮Ⅳ，19、第一舵机，20、第二舵机，21、末端脚趾，22、勾刺结构，23、刚毛阵列的粘性材料，24、仿生吸盘。
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中的附图，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的一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
图1至图5示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，图1中的是一种能适应多种环境的四足仿生爬壁机器人，包括机器人主体部2和布置在其两侧的四条机器人腿部，四足是对称设置在机器人主体部2两侧的机器人右前腿部4、机器人右后腿部6、机器人左后腿部8以及机器人左前腿部10，但不局限于四足，还可以根据需要选设其他数量的机器人腿部，每个机器人腿部前端是机器人足部3；每个机器人足部3具有多个蹄趾，本实例中一个机器人足部3设有五个蹄趾，并且五个蹄趾紧凑排布在一起，不限于此，还可以是其他数目的选择，沿周边排布的间距和规律也可以根据需要进行调整。参见图4和图5，所述的机器人足部3在中间的位置下方安装有仿生吸盘24，每个蹄趾的下表面黏有刚毛阵列的粘性材料23，每个蹄趾还具有勾刺结构22的末端脚趾21；通常来说，蹄趾和机器人足部3是直接固定连接(例如采用螺栓连接)，末端脚趾21是固定连接在蹄趾的前端中间位置，机器人足部3是固定连接在腿部的下端，不可转动；实施例中勾刺结构22具体是设在了位于中部的末端脚趾21的下方前端，显然末端脚趾21的具体位置设计还可以变换，勾刺结构22的具体位置和数量也可以根据需要选取及布置。
为了进一步使吸附性能更优化，本发明还可以采用微纳米加工技术和3D打印技术制造。首先采用微纳米加工技术制作仿壁虎脚趾具有微米级刚毛阵列的粘性材料和勾刺结构22，然后固化具有类似于喉盘鱼的吸盘结构作为仿生吸盘24。
另外，本发明所述的仿生爬壁机器人还能包括机器人头部1、机器人尾部7、控制系统5和电源9，机器人主体部2承载了四个腿部、控制系统5和电源9部分，是爬壁机器人的框架，所以机器人头部1和机器人尾部7分别安装在机器人主体部2的前后端，控制系统5和电源9安装在机器人主体部2之内。机器人头部1和机器人尾部7的主要作用是保持平衡。控制系统和电源9分别与相关的部件电连接用于完成操控及供电，比如控制系统5和电源9需要与第一舵机19、第二舵机20相连。控制系统5驱动爬壁机器人的腿部运动实现爬壁机器人的运动，爬壁机器人足部3提供爬壁机器人整机的附着力。
参见图2和图3，在本实施例中，所述机器人腿部为齿轮传动系统的五连杆机构，可实现机器人伸腿爬行，由两个舵机分别控制五连杆机构的伸缩以及整体的升降，即驱动力来源于控制伸腿的第一舵机19，抬腿的驱动来自于抬起的第二舵机20。优选地，所述的齿轮传动系统的五连杆机构主要由杆Ⅰ11、杆Ⅱ12、杆Ⅲ13、杆Ⅳ14、齿轮Ⅰ15、齿轮Ⅱ16、齿轮Ⅲ17和齿轮Ⅳ18组成，齿轮Ⅱ16和齿轮Ⅲ17共同安装在一个齿轮架上，该齿轮架固定在机器人主体部2上并与杆Ⅰ11、杆Ⅱ12、杆Ⅲ13、杆Ⅳ14依次铰接一起形成五连杆，齿轮Ⅰ15和齿轮Ⅳ18分别固定在与齿轮架铰接的杆Ⅳ14和杆Ⅰ11上，齿轮Ⅰ15、齿轮Ⅱ16、齿轮Ⅲ17和齿轮Ⅳ18依次啮合，齿轮Ⅲ17由安装在它与齿轮架之间的第一舵机19驱动实现五连杆的伸缩，在齿轮架和机器人主体部2之间安装有第二舵机20来控制实现机器人腿部的升降。齿轮传动系统的齿轮之间相互啮合，调整传动比，可实现机器人沿直线伸腿爬行。相比现有的行走系统或驱动机构，本发明上述齿轮传动系统的五连杆机构，不仅结构简单，还可实现稳定的机器人伸腿爬行，可靠性增强。
工作过程：四个机器人腿部(本实施例中的机器人右前腿部4、机器人右后腿部6、机器人左后腿部8和机器人左前腿部10)的抬起和伸展驱使爬壁机器人向前运动，具体地，四个机器人腿部的抬起由第二舵机20驱动，而腿部的伸展由第一舵机19驱动齿轮Ⅲ17，传动到齿轮Ⅱ16、固定连接在杆Ⅳ14上的齿轮Ⅰ15和固定连接在杆Ⅰ11上的齿轮Ⅳ18形成一定的转速比驱动五连杆的末端沿着直线运动。当壁面为粗糙壁面的时候，勾刺结构22起作用，当壁面为光滑壁面的时候，刚毛阵列的粘性材料23和仿生吸盘24起作用。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种能适应多种环境的仿生爬壁机器人，包括机器人主体部(2)和布置在其两侧的机器人腿部，机器人腿部前端是机器人足部(3)，每个机器人足部(3)具有多个蹄趾，其特征是：所述的机器人足部(3)在中间的位置下方安装有仿生吸盘(24)，每个蹄趾的下表面黏有刚毛阵列的粘性材料(23)，每个蹄趾还具有勾刺结构(22)的末端脚趾(21)。
2.根据权利要求1所述的一种能适应多种环境的仿生爬壁机器人，其特征是：所述刚毛阵列的粘性材料(23)选用微米级刚毛阵列的粘性材料；仿生吸盘(24)是类喉盘鱼形状的吸盘结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种能适应多种环境的仿生爬壁机器人，其特征是：所述机器人腿部为齿轮传动系统的五连杆机构，由两个舵机分别控制五连杆机构的伸缩以及整体的升降。
4.根据权利要求3所述的一种能适应多种环境的仿生爬壁机器人，其特征是：所述的齿轮传动系统的五连杆机构主要由杆Ⅰ(11)、杆Ⅱ(12)、杆Ⅲ(13)、杆Ⅳ(14)、齿轮Ⅰ(15)、齿轮Ⅱ(16)、齿轮Ⅲ(17)和齿轮Ⅳ(18)组成，齿轮Ⅱ(16)和齿轮Ⅲ(17)共同安装在一个齿轮架上，该齿轮架固定在机器人主体部(2)上并与杆Ⅰ(11)、杆Ⅱ(12)、杆Ⅲ(13)、杆Ⅳ(14)依次铰接一起形成五连杆，齿轮Ⅰ(15)和齿轮Ⅳ(18)分别固定在与齿轮架铰接的杆Ⅳ(14)和杆Ⅰ(11)上，齿轮Ⅰ(15)、齿轮Ⅱ(16)、齿轮Ⅲ(17)和齿轮Ⅳ(18)依次啮合，齿轮Ⅲ(17)由安装在它与齿轮架之间的第一舵机(19)驱动实现五连杆的伸缩，在齿轮架和机器人主体部(2)之间安装有第二舵机(20)来控制实现机器人腿部的升降。
5.根据权利要求1或2所述的一种能适应多种环境的仿生爬壁机器人，其特征是：所述的仿生爬壁机器人还包括机器人头部(1)、机器人尾部(7)、控制系统(5)和电源(9)，机器人头部(1)和机器人尾部(7)分别安装在机器人主体部(2)的前后端，控制系统(5)和电源(9)安装在机器人主体部(2)之内。
6.根据权利要求1或2所述的一种能适应多种环境的仿生爬壁机器人，其特征是：所述的仿生爬壁机器人为四足的仿生爬壁机器人，四足是对称设置在机器人主体部(2)两侧的机器人右前腿部(4)、机器人右后腿部(6)、机器人左后腿部(8)以及机器人左前腿部(10)。
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