CN111422276B - 主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿及机器人与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿及机器人与方法,属于机器人应用技术领域。该变刚度自适应仿壁虎腿主要特点在于其仿生脚掌（10）。上述仿生脚掌（10）包括：牵线舵机（11）、牵线舵机上端固定件（12）、牵线舵机下端固定件（13）、旋转支撑架（14）、旋转法兰（15）、球头（16）、球关节上盖（17）、脚掌固定件（18）；还包括均匀布置于脚掌固定件（18）一圈的N个结构相同的脚掌单元；其中N为3‑9的自然数。本发明的自适应仿壁虎腿及机器人具有主动粘附和脱附运动功能、满足空间表面自适应要求，可应用于微小型粘附足式机器人结构设计中。

Description

主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿及机器人与方法

技术领域

本发明属于机器人应用技术领域，具体涉及一种主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿及机器人与方法，主要应用于微小型粘附足式机器人结构设计中。

技术背景

机器人是当今世界最重要的高技术之一，它集计算机、微电子、传感、自动控制等技术为一身，已成为衡量一个国家科技水平和综合国力的重要标志之一。微小型粘附机器人是机器人的重要分支，借鉴生物体某些机制，解决某些机械问题的设计，自然界中壁虎能在光滑的墙壁上行走自如，甚至能贴在天花板上快速爬行。以大壁虎作为仿生对象，以期研制出可实现三维空间无障碍运动的仿生机器人。

根据结构的不同可将微小型粘附机器人主要分为以下几种：轮式机器人、履带式机器人、轨道式机器人、以及足式机器人。轮式机器人运动速度快、稳定性好，但运动环境有限；履带式机器人结构简单易操控、负载能力较强，但不易转弯，且能耗高、壁面适应性差；轨道式机器人稳定可靠易控制，但不够灵活；足式机器人的足端结构以生物足部为原型，足端吸附材料可根据需求选用磁铁、吸盘或者干粘附材料等。该类机器人运动依靠多足轮流吸附与脱落，越障能力较强且环境适应性较好，但其结构相对复杂、速度慢、控制难。

国内外许多科研机构都展开了关于微小型粘附足式机器人的研究，其中最典型的是斯坦福大学研制的仿生爬壁机器人Stickybot，其足端有四片采用人造刚毛（特殊橡胶材料）结构的柔软脚趾，利用分子之间的范德华力使得机器人在墙壁上粘附并实现了在垂直粗糙平面上的爬行（Kim S, Spenko M, Trujillo S, et al. Smooth vertical surfaceclimbing with directional adhesion [J]. IEEE Transactions on robotics, 2008,24(1): 65-74.）。卡耐基梅隆大学研制了仿生足式爬壁机器人Geckobot，该机器人采用干粘附材料附着于脚掌，通过四足与壁面的交替粘附，已经实现了在85°的平面上的稳定粘附运动（Unver O, Uneri A, Aydemir A, et al. Geckobot: a gecko inspired climbingrobot using elastomer adhesives [C]. IEEE International Conference onRobotics and Automation. 2006: 2329-2335.）。韩国蔚山国家科学技术研究所的研究人员研制出了一款能在水下进行负表面爬行的仿壁虎机器人UNIclimb，该机器人主要由处于机体中间的身体框架、四条腿以及带有一种复制成型技术制成的粘附垫的四只脚掌三部分组成。身体和腿、腿和脚掌之间安装有伺服电机，粘附垫采用PDMS，用被动脱附方式的粘附脚掌增加了能量损耗（Ko H, Yi H, Jeong H E. Wall and ceiling climbing quadrupedrobot with superior water repellency manufactured using 3D printing(UNIclimb) [J]. International Journal of Precision Engineering andManufacturing-Green Technology, 2017, 4(3): 273-280.）。南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所研制了新款仿壁虎机器人，该机器人各关节由12个舵机分别驱动，脚掌采用带有干粘附材料的弹性基底结构，该机器人已实现了在竖直光滑表面的自由爬行，可以在静止的状态下粘附于光滑负表面（Yu Z, Wang Z, Liu R, et al. Stable gaitplanning for a gecko-inspired robot to climb on vertical surface [C]. IEEEInternational Conference on Mechatronics and Automation (ICMA). 2013: 307-311.）。

目前为止，相似的粘附机器人脚掌只具有简单的脱附拉线传动，不具有主动粘附功能，且在空间表面适应性方面并未开展研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿及机器人与方法，该机器人具有主动粘附和脱附运动功能、满足空间表面自适应要求，可应用于微小型粘附足式机器人结构设计中。

一种主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿，其特征在于：该变刚度自适应仿壁虎腿包括:Z轴向第一舵机、Z轴向第一舵机双U型连接件、X轴向第一舵机、X轴向第二舵机、X轴向舵机连接板、X轴向第二舵机U型连接件、固定帽、腿部支撑杆、仿生脚掌；上述仿生脚掌包括：牵线舵机、牵线舵机上端固定件、牵线舵机下端固定件、旋转支撑架、旋转法兰、球头、球关节上盖、脚掌固定件；还包括均匀布置于脚掌固定件一圈的N个结构相同的脚掌单元；其中N为3-9的自然数； 上述牵线舵机置于牵线舵机上端固定件与牵线舵机下端固定件内，两者固定并将牵线舵机包裹在内；旋转支撑架与牵线舵机上端固定件固连；牵线舵机旋转输出轴平行于Z轴，穿过旋转支撑架与旋转法兰固定；球头的杆端与牵线舵机下端固定件下端固连，球关节上盖与脚掌固定件将球头的球端包裹在内，球关节上盖与脚掌固定件用螺栓固连；上述每个脚掌单元包括一片脚掌片、一片脚掌片粘附材料、一个脚掌轴元件、一个多节式运动伸缩杆、一个复位弹簧、一根脚掌片形变线；上述脚掌片第一端插入脚掌固定件侧面凹槽内并固定，脚掌片粘附材料固定在脚掌片下面，多节式运动伸缩杆位于脚掌片上方，它的第一端通过脚掌轴元件与脚掌固定件连接；脚掌轴元件与牵线舵机输出轴垂直；复位弹簧一端固定于球关节上盖另一端固定于牵线舵机下端固定件；上述脚掌片形变线一端固定于脚掌片第二端，另一端从多节式运动伸缩杆的第二端进入，从内部穿过，从多节式运动伸缩杆的第一端穿出，再通过旋转支撑架上的孔后反向缠绕旋转法兰根部3-5圈，并固定于旋转法兰；上述脚掌片是一种整体为长条形的弹性金属片；弹性金属片的宽度方向上的截面为圆弧型，且未受力时宽度方向呈拱形支撑状态，此时弹性金属片长度方向上呈挺直状态；当对弹性金属片施加向下的压力，其宽度方向上的拱形支撑结构失效，长度方向上向上弯曲；上述Z轴向第一舵机旋转输出端与Z轴向第一舵机双U型连接件第一端中心固定连接；X轴向第一舵机旋转输出端与Z轴向第一舵机双U型连接件第二端中心固定连接，X轴向第二舵机沿X轴固定在X轴向第一舵机第二端对齐，X轴向舵机连接板将X轴向第一舵机及X轴向第二舵机固连在一起；X轴向第二舵机U型连接件第一端中心与X轴向第二舵机旋转输出端固定连接，固定帽与X轴向第二舵机U型连接件第二端固连，腿部支撑杆上端安装于固定帽内；上述仿生脚掌中的牵线舵机上端固定件或牵线舵机下端固定件与腿部支撑杆下端固连。

包括所述主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿的机器人，其特征在于：包括六组变刚度自适应仿壁虎腿；包括连接板；六组变刚度自适应仿壁虎腿采用左三条、右三条的方式对称安装于连接板上。

所述的包括主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿的机器人的运动方法，其特征在于：主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿的机器人腿部具有多自由度，通过控制机器人步态，即控制每一组变刚度自适应仿壁虎腿的运动顺序及轨迹，每一组变刚度自适应仿壁虎腿活动足通过三个舵机驱动关节，实现三个位置自由度运动，达到机器人运动规划的的仿生腿末端机器人脚掌在空间的某个位置，进而实现六足机器人步行机构稳定运行;当牵线舵机（11）旋转输出端绕着Z轴正向旋转一定角度时，脚掌形变线输出增加，多节式运动伸缩杆内部压缩的弹簧伸长，推动多节式运动伸缩杆伸长，进而推动脚掌片伸展开，脚掌向下运动，促使粘附材料与接触表面贴合粘附，实现主动粘附功能；

当牵线舵机（11）旋转输出端绕着Z轴反向旋转一定角度时，脚掌形变线输出减少，牵动多节式运动伸缩杆缩短，脚掌片向上卷曲，多节式运动伸缩杆内部弹簧压缩，为主动粘附时推动多节式运动伸缩杆伸长蓄能，脚掌向上运动，促使粘附材料与接触表面分离，实现主动脱附功能；

当脚掌抬起时，利用复位弹簧能够迅速恢复脚掌初始姿态。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、本发明可以主动驱动多个脚掌，实现主动粘附和主动脱附功能，方便微小型足式粘附机器人在目标表面的粘/脱附行走运动。

2、本发明采用复位弹簧约束自适应球关节，既保证了脚掌能与接触表面自适应贴合，又实现在不受力状态下脚掌能恢复到初始位置。

3、本发明以大壁虎为仿生对象，从结构-驱动一体化角度入手，研制仿生机器人实现三维空间运动的关键部件-脚掌的粘附结构和驱动机构，利用变刚度圆弧截面型的弹性金属片以及自适应球关节模拟壁虎单腿脚趾的外翻、内收和脚掌的扭转三种运动模式，从而进行简单、有效和精巧的运动控制。

4、本发明的结构巧妙、体积小、重量轻、加工方便、经济可行。

附图说明

图1是本发明所述的一种主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿机器人的立体视图；

图2是本发明所述的一种主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿机器人的爆炸图；

图3是本发明所述的一种主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿的立体视图；

图4是本发明所述的一种主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿的爆炸图；

图5是本发明所述的一种主动粘脱附的变刚度自适应仿生脚掌的立体视图；

图6是本发明所述的一种主动粘脱附的变刚度自适应仿生脚掌的爆炸图；

图7是本发明所述的一种主动粘脱附的变刚度自适应仿生脚掌粘附示意图；

图8是本发明所述的一种主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿机器人粘附示意图；

图9是本发明所述的一种主动粘脱附的变刚度自适应仿生脚掌脱附示意图；

图10是本发明所述的一种主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿机器人脱附示意图；

图1-10中标号名称：A、左前腿；B、左中腿;C、左后腿;D、右前腿;E、右中腿;F、右后腿;G、连接板;H、连接板;1、Z轴向第一舵机;2、Z轴向第一舵机双U型连接件;3、X轴向第一舵机;4、X轴向第二舵机;5、X轴向舵机连接板;6、X轴向舵机连接板;7、X轴向第二舵机U型连接件;8、固定帽;9、腿部支撑杆;10、仿生脚掌;11、牵线舵机;12、牵线舵机上端固定件;13、牵线舵机下端固定件;13a、牵线舵机下端固定件a孔;13b、牵线舵机下端固定件b孔;13c、牵线舵机下端固定件c孔;13d、牵线舵机下端固定件d孔;14、旋转支撑架;14a、旋转支撑架a孔;14b、旋转支撑架b孔;14c、旋转支撑架c孔;14d、旋转支撑架d孔;15、旋转法兰;15a、旋转法兰a孔;15b、旋转法兰b孔;15c、旋转法兰c孔;15d、旋转法兰d孔;16、球头;17、球关节上盖;17a、球关节上盖a孔;17b、球关节上盖b孔;17c、球关节上盖c孔;17d、球关节上盖d孔;18、脚掌固定件;19、一号脚掌片;19a、一号脚掌片a孔;20、二号脚掌片;20a、二号脚掌片a孔;21、三号脚掌片;21a、三号脚掌片a孔;22、四号脚掌片;22a、四号脚掌片a孔;23、一号三节式运动伸缩杆;23-1、一号伸缩杆外杆;23-2、一号伸缩杆a内杆;23-3、一号伸缩杆b内杆;23-4、一号伸缩杆a弹簧;23-5、一号伸缩杆b弹簧;24、二号三节式运动伸缩杆;24-1、二号伸缩杆外杆;24-2、二号伸缩杆a内杆;24-3、二号伸缩杆b内杆;24-4、二号伸缩杆a弹簧;24-5、二号伸缩杆b弹簧;25、三号三节式运动伸缩杆;25-1、三号伸缩杆外杆;25-2、三号伸缩杆a内杆;25-3、三号伸缩杆b内杆;25-4、三号伸缩杆a弹簧;25-5、三号伸缩杆b弹簧;26、四号三节式运动伸缩杆;26-1、四号伸缩杆外杆;26-2、四号伸缩杆a内杆;26-3、四号伸缩杆b内杆;26-4、四号伸缩杆a弹簧;26-5、四号伸缩杆b弹簧;27、一号脚掌轴元件;28、二号脚掌轴元件;29、三号脚掌轴元件;30、四号脚掌轴元件;31、一号脚掌片粘附材料;32、二号脚掌片粘附材料;33、三号脚掌片粘附材料;34、四号脚掌片粘附材料;35、一号复位弹簧;36、二号复位弹簧;37、三号复位弹簧;38、四号复位弹簧;39、一号脚掌片形变线;40、二号脚掌片形变线;41、三号脚掌片形变线;42、四号脚掌片形变线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明：

结合图1-10，本实施例为一种主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿及机器人与方法，包括左前腿A、左中腿B、左后腿C、右前腿D、右中腿E、右后腿F，连接板G、连接板H、Z轴向第一舵机1、Z轴向第一舵机双U型连接件2、X轴向第一舵机3、X轴向第二舵机4、X轴向舵机连接板5、X轴向舵机连接板6、X轴向第二舵机U型连接件7、固定帽8、腿部支撑杆9、仿生脚掌10、牵线舵机11、牵线舵机上端固定件12、牵线舵机下端固定件13、牵线舵机下端固定件a孔13a、牵线舵机下端固定件b孔13b、牵线舵机下端固定件c孔13c、牵线舵机下端固定件d孔13d、旋转支撑架14、旋转支撑架a孔14a、旋转支撑架b孔14b、旋转支撑架c孔14c、旋转支撑架d孔14d、旋转法兰15、旋转法兰a孔15a、旋转法兰b孔15b、旋转法兰c孔15c、旋转法兰d孔15d、球头16、球关节上盖17、球关节上盖a孔17a、球关节上盖b孔17b、球关节上盖c孔17c、球关节上盖d孔17d、脚掌固定件18、一号脚掌片19、一号脚掌片a孔19a、二号脚掌片20、二号脚掌片a孔20a、三号脚掌片21、三号脚掌片a孔21a、四号脚掌片22、四号脚掌片a孔22a、一号三节式运动伸缩杆23、一号伸缩杆外杆23-1、一号伸缩杆a内杆23-2、一号伸缩杆b内杆23-3、一号伸缩杆a弹簧23-4、一号伸缩杆b弹簧23-5、二号三节式运动伸缩杆24、二号伸缩杆外杆24-1、二号伸缩杆a内杆24-2、二号伸缩杆b内杆24-3、二号伸缩杆a弹簧24-4、二号伸缩杆b弹簧24-5、三号三节式运动伸缩杆25、三号伸缩杆外杆25-1、三号伸缩杆a内杆25-2、三号伸缩杆b内杆25-3、三号伸缩杆a弹簧25-4、三号伸缩杆b弹簧25-5、四号三节式运动伸缩杆26、四号伸缩杆外杆26-1、四号伸缩杆a内杆26-2、四号伸缩杆b内杆26-3、四号伸缩杆a弹簧26-4、四号伸缩杆b弹簧26-5、一号脚掌轴元件27、二号脚掌轴元件28、三号脚掌轴元件29、四号脚掌轴元件30、一号脚掌片粘附材料31、二号脚掌片粘附材料32、三号脚掌片粘附材料33、四号脚掌片粘附材料34、一号复位弹簧35、二号复位弹簧36、三号复位弹簧37、四号复位弹簧38、一号脚掌片形变线39、二号脚掌片形变线40、三号脚掌片形变线41、四号脚掌片形变线42。

结合图1-2，本实施例为一种主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿及机器人与方法，包括六组变刚度自适应仿壁虎腿：左前腿A、左中腿B、左后腿C、右前腿D、右中腿E、右后腿F以及连接板G、连接板H。定义三维坐标系，Z轴为机器人向上方向，X轴为机器人向前方向，Y轴为机器人向左方向。左前腿A、左中腿B、左后腿C、右前腿D、右中腿E以及右后腿F六组变刚度自适应仿壁虎腿结构相同，并采用左三条、右三条的方式对称安装于连接板G、H上。

结合图3-4，本实施例为一种主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿及机器人与方法，六组变刚度自适应仿壁虎腿A-F结构相同，以左前腿A为例,其中包括:Z轴向第一舵机1、Z轴向第一舵机双U型连接件2、X轴向第一舵机3、X轴向第二舵机4、X轴向舵机连接板5、X轴向舵机连接板6、X轴向第二舵机U型连接件7、固定帽8、腿部支撑杆9、仿生脚掌10。Z轴向第一舵机1旋转输出端与Z轴向第一舵机双U型连接件2第一端中心固定连接，X轴向第一舵机3旋转输出端与Z轴向第一舵机双U型连接件2第二端中心固定连接，X轴向第二舵机4沿X轴固定在X轴向第一舵机3第二端对齐，X轴向舵机连接板5的八个螺钉孔与X轴向第一舵机3及X轴向第二舵机4上端的盲孔通过螺钉固连，X轴向舵机连接板6的八个螺钉孔与X轴向第一舵机3及X轴向第二舵机4下端的盲孔通过螺钉固连，以此实现X轴向第一舵机3与X轴向第二舵机4的固连，X轴向第二舵机U型连接件7第一端中心与X轴向第二舵机4旋转输出端固定连接，固定帽8通过X轴向第二舵机U型连接件7第二端的四个通孔与X轴向第二舵机U型连接件7第二端螺栓固连，腿部支撑杆9上端安装于固定帽8内，仿生脚掌10中的牵线舵机下端固定件13与腿部支撑杆9下端通过螺栓固连。

结合图5-6，本实施例为一种主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿及机器人与方法，六组变刚度自适应仿壁虎腿A-F结构相同，以左前腿A的仿生脚掌10为例。其中牵线舵机11置于牵线舵机上端固定件12与牵线舵机下端固定件13内，两者固定并将牵线舵机11包裹在内，牵线舵机11旋转输出轴平行于Z轴，穿过旋转支撑架14，旋转支撑架14通过其四个通孔与牵线舵机上端固定件12固连，旋转法兰15与牵线舵机11旋转输出轴固定；球头16的杆端与牵线舵机下端固定件13下端固连，球关节上盖17与脚掌固定件18将球头16的球端包裹在内，球关节上盖17通过其四个通孔与脚掌固定件18用螺栓固连。一号脚掌片19、二号脚掌片20、三号脚掌片21、四号脚掌片22结构相同，且分别插入脚掌固定件18侧面四个凹槽并固定。一号脚掌片粘附材料31、二号脚掌片粘附材料32、三号脚掌片粘附材料33、四号脚掌片粘附材料34分别对应固定在一号脚掌片19、二号脚掌片20、三号脚掌片21、四号脚掌片22的下面。

一号三节式运动伸缩杆23、二号三节式运动伸缩杆24、三号三节式运动伸缩杆25以及四号三节式运动伸缩杆26结构相同，并且分别依次利用一号脚掌轴元件27、二号脚掌轴元件28、三号脚掌轴元件29及四号脚掌轴元件30以相同的方式与脚掌固定件18连接。以一号三节式运动伸缩杆23为例,三节式运动伸缩杆组件包括：一号伸缩杆外杆23-1、一号伸缩杆a内杆23-2、一号伸缩杆b内杆23-3、一号伸缩杆a弹簧23-4、一号伸缩杆b弹簧23-5；一号伸缩杆b内杆23-3套装于一号伸缩杆a内杆23-2，一号伸缩杆b弹簧23-5置于一号伸缩杆a内杆23-2内，一号伸缩杆a内杆23-2套装于一号伸缩杆外杆23-1，一号伸缩杆a弹簧23-4置于一号伸缩杆外杆23-1内，构成一号三节式运动伸缩杆23。二号三节式运动伸缩杆24、三号三节式运动伸缩杆25以及四号三节式运动伸缩杆26用一号三节式运动伸缩杆23的相同方法组装起来。一号三节式运动伸缩杆23卡入脚掌固定件18侧面凸起的两个小长方体之间，并将一号三节式运动伸缩杆23侧面的通孔与脚掌固定件18侧面凸起上的两个通孔对齐，将一号脚掌轴元件27插入通孔。二号三节式运动伸缩杆24、三号三节式运动伸缩杆25以及四号三节式运动伸缩杆26按照一号三节式运动伸缩杆23的组装方式依次固定在脚掌固定件18的其余三个侧面。

该脚掌设置有4个复位弹簧，分别为：一号复位弹簧35、二号复位弹簧36、三号复位弹簧37、四号复位弹簧38。一号复位弹簧35一端固定于球关节上盖a孔17a、另一端固定于牵线舵机下端固定件a孔13a；二号复位弹簧32一端固定于球关节上盖b孔17b、另一端固定于牵线舵机下端固定件b孔13b；三号复位弹簧37一端固定于球关节上盖c孔17c、另一端固定于牵线舵机下端固定件c孔13c；四号复位弹簧38一端固定于球关节上盖d孔17d、另一端固定于牵线舵机下端固定件d孔13d。

该脚掌设置有4根细线，分别为：一号脚掌片形变线39、二号脚掌片形变线40、三号脚掌片形变线41、四号脚掌片形变线42。一号脚掌片形变线39一端固定于一号脚掌片a孔19a，通过一号三节式运动伸缩杆23后从一号三节式运动伸缩杆23上方的小孔穿出，后通过旋转支撑架a孔14a后，反向缠绕旋转法兰15根部三圈，并固定于旋转法兰a孔15a；二号脚掌片形变线40一端固定于二号脚掌片a孔20a，通过二号三节式运动伸缩杆24后从二号三节式运动伸缩杆24上方的小孔穿出，后通过旋转支撑架b孔14b后，反向缠绕旋转法兰15根部三圈，并固定于旋转法兰b孔15b；三号脚掌片形变线41一端固定于三号脚掌片a孔21a，通过三号三节式运动伸缩杆25后从三号三节式运动伸缩杆25上方的小孔穿出，后通过旋转支撑架c孔14c后，反向缠绕旋转法兰15根部三圈，并固定于旋转法兰c孔15c；四号脚掌片形变线42一端固定于四号脚掌片a孔22a，通过四号三节式运动伸缩杆26后从四号三节式运动伸缩杆26上方的小孔穿出，后通过旋转支撑架d孔14d后，反向缠绕旋转法兰15根部三圈，并固定于旋转法兰d孔15d。

结合图7-10，所述的一种主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿及机器人与方法，其特征在于包括以下过程：上述脚掌片是一种整体为长条形的弹性金属片；弹性金属片的宽度方向上的截面为圆弧型，且未受力时宽度方向呈拱形支撑状态，此时弹性金属片长度方向上呈挺直状态；当对弹性金属片施加向下的压力，其宽度方向上的拱形支撑结构失效，长度方向上向上弯曲。利用牵线舵机11旋转输出端正/反向旋转一定角度时，4个脚掌形变线输出增加/减少，进而牵动三节式运动伸缩杆的伸长/缩短，实现变刚度圆弧截面型钢片的伸展/卷曲，进而实现主动粘/脱附功能。采用复位弹簧约束自适应球关节，自适应球关节实现三个姿态自由度转动，保证了脚掌能与接触表面贴合，且在不受力的情况下能够迅速恢复脚掌初始姿态。主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿的机器人腿部具有多自由度，通过控制机器人步态，即控制每一组变刚度自适应仿壁虎腿的运动顺序及轨迹，每一组变刚度自适应仿壁虎腿活动足通过三个舵机驱动关节，实现三个位置自由度运动，达到机器人运动规划的的仿生腿末端机器人脚掌在空间的某个位置，进而实现六足机器人步行机构稳定运行。

如图7-8所示，当机器人变刚度自适应仿壁虎腿落地主动粘附时，牵线舵机11旋转输出端绕着Z轴正向旋转一定角度时，4个脚掌形变线输出增加，三节式运动伸缩杆内部压缩的弹簧伸长，推动三节式运动伸缩杆伸长，进而推动脚掌片伸展开，4个脚掌向下运动，促使粘附材料与接触表面贴合粘附，实现主动粘附功能。

如图9-10所示，当机器人变刚度自适应仿壁虎腿抬起主动脱附时，当牵线舵机11旋转输出端绕着Z轴反向旋转一定角度时，4个脚掌形变线输出减少，牵动三节式运动伸缩杆缩短，脚掌片向上卷曲，三节式运动伸缩杆内部弹簧压缩，为主动粘附时推动三节式运动伸缩杆伸长蓄能，4个脚掌向上运动，促使粘附材料与接触表面分离，实现主动脱附功能。

Claims (3)

1.一种主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿，其特征在于：

该变刚度自适应仿壁虎腿包括:Z轴向第一舵机（1）、Z轴向第一舵机双U型连接件（2）、X轴向第一舵机（3）、X轴向第二舵机（4）、X轴向舵机连接板、X轴向第二舵机U型连接件（7）、固定帽（8）、腿部支撑杆（9）、仿生脚掌（10）；

上述仿生脚掌（10）包括：牵线舵机（11）、牵线舵机上端固定件（12）、牵线舵机下端固定件（13）、旋转支撑架（14）、旋转法兰（15）、球头（16）、球关节上盖（17）、脚掌固定件（18）；还包括均匀布置于脚掌固定件（18）一圈的N个结构相同的脚掌单元；其中N为3-9的自然数；

上述牵线舵机（11）置于牵线舵机上端固定件（12）与牵线舵机下端固定件（13）内，两者固定并将牵线舵机（11）包裹在内；旋转支撑架（14）与牵线舵机上端固定件（12）固连；牵线舵机（11）旋转输出轴平行于Z轴，穿过旋转支撑架（14）与旋转法兰（15）固定；球头（16）的杆端与牵线舵机下端固定件（13）下端固连，球关节上盖（17）与脚掌固定件（8）将球头（16）的球端包裹在内，球关节上盖（17）与脚掌固定件（18）用螺栓固连；

上述每个脚掌单元包括一片脚掌片、一片脚掌片粘附材料、一个脚掌轴元件、一个多节式运动伸缩杆、一个复位弹簧、一根脚掌片形变线；上述脚掌片第一端插入脚掌固定件（18）侧面凹槽内并固定，脚掌片粘附材料固定在脚掌片下面，多节式运动伸缩杆位于脚掌片上方，它的第一端通过脚掌轴元件与脚掌固定件（18）连接；脚掌轴元件与牵线舵机（11）输出轴垂直；复位弹簧一端固定于球关节上盖（17）另一端固定于牵线舵机下端固定件（13）；

上述脚掌片形变线一端固定于脚掌片第二端，另一端从多节式运动伸缩杆的第二端进入，从内部穿过，从多节式运动伸缩杆的第一端穿出，再通过旋转支撑架（14） 上的孔后反向缠绕旋转法兰（15）根部3-5圈，并固定于旋转法兰（15）；

上述脚掌片是一种整体为长条形的弹性金属片；弹性金属片的宽度方向上的截面为圆弧型，且未受力时宽度方向呈拱形支撑状态，此时弹性金属片长度方向上呈挺直状态；当对弹性金属片施加向下的压力，其宽度方向上的拱形支撑结构失效，长度方向上向上弯曲；

上述Z轴向第一舵机（1）旋转输出端与Z轴向第一舵机双U型连接件（2）第一端中心固定连接；X轴向第一舵机（3）旋转输出端与Z轴向第一舵机双U型连接件（2）第二端中心固定连接，X轴向第二舵机（4）沿X轴固定在X轴向第一舵机（3）第二端对齐，X轴向舵机连接板将X轴向第一舵机（3）及X轴向第二舵机（4）固连在一起；X轴向第二舵机U型连接件（7）第一端中心与X轴向第二舵机（4）旋转输出端固定连接，固定帽（8）与X轴向第二舵机U型连接件（7）第二端固连，腿部支撑杆（9）上端安装于固定帽（8）内；

上述仿生脚掌（10）中的牵线舵机上端固定件（12）或牵线舵机下端固定件（13）与腿部支撑杆（9）下端固连。

2.包括权利要求1所述主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿的机器人，其特征在于：

包括六组变刚度自适应仿壁虎腿；

包括连接板；

六组变刚度自适应仿壁虎腿采用左三条、右三条的方式对称安装于连接板上。

3.权利要求2所述的包括主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿的机器人的运动方法，其特征在于：主动粘脱附的变刚度自适应仿壁虎腿的机器人腿部具有多自由度，通过控制机器人步态，即控制每一组变刚度自适应仿壁虎腿的运动顺序及轨迹，每一组变刚度自适应仿壁虎腿活动足通过三个舵机驱动关节，实现三个位置自由度运动，达到机器人运动规划的的仿生腿末端机器人脚掌在空间的某个位置，进而实现六足机器人步行机构稳定运行;当牵线舵机（11）旋转输出端绕着Z轴正向旋转一定角度时，脚掌形变线输出增加，多节式运动伸缩杆内部压缩的弹簧伸长，推动多节式运动伸缩杆伸长，进而推动脚掌片伸展开，脚掌向下运动，促使粘附材料与接触表面贴合粘附，实现主动粘附功能；

当牵线舵机（11）旋转输出端绕着Z轴反向旋转一定角度时，脚掌形变线输出减少，牵动多节式运动伸缩杆缩短，脚掌片向上卷曲，多节式运动伸缩杆内部弹簧压缩，为主动粘附时推动多节式运动伸缩杆伸长蓄能，脚掌向上运动，促使粘附材料与接触表面分离，实现主动脱附功能；

当脚掌抬起时，利用复位弹簧能够迅速恢复脚掌初始姿态。

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