CN111591368A - 基于钩爪连续旋转抓附的机械脚掌及腿及机器人与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于钩爪连续旋转抓附的机械脚掌及腿及机器人与方法，属于机器人结构设计领域。该机械脚掌包括外侧旋转钩爪掌（15）、内侧旋转钩爪掌（18）和旋转舵机（13）。倒置的旋转舵机（13）旋转输出轴平行于Z轴，穿过外侧旋转钩爪掌（15），并与内侧旋转钩爪掌（18）固连。外侧旋转钩爪掌（15）和内侧旋转钩爪掌（18）边缘均匀设置钩爪，且旋向相反。本发明可以实现连续旋转抓附和主动脱附功能，方便足式钩爪机器人在粗糙表面的抓/脱附行走运动。

Description

基于钩爪连续旋转抓附的机械脚掌及腿及机器人与方法

技术领域

本发明属于机器人应用技术领域，具体涉及一种基于钩爪连续旋转抓附的机械脚掌及腿及机器人与方法，主要应用于足式钩爪机器人结构设计中。

技术背景

适应各种自然复杂环境的机器人是当今机器人研究领域最为前沿的课题之一，它集机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术及人工智能等多门学科于一体，反映了一个国家的智能化和自动化研究水平，同时也作为一个国家高科技实力的重要标志，各发达国家在该领域相继投入巨资开展研究。

钩爪机器人作为机器人的重要分支,具有功耗低、噪声小、附着稳定、脱附简单等优秀特性,对自然界中常见的粗糙的、不规则的、布满灰尘的表面有着较强的适应能力。因此国内外许多科研机构都展开了关于钩爪机器人的研究，其中波士顿动力的RISE机器人采用钩爪与腿结合驱动方式，是一种垂直爬行的机器人，该机器人脚部有小爪可以方便它在粗糙地面上牢固抓紧（Saunders A, Goldman D I, Full R J, et al. The riseclimbing robot: body and leg design[C]. Georgia Institute of Technology,2006）；美国凯斯西储大学Daltorio 团队的轮式钩爪爬壁机器人Mini-Whegs™，这款轮式爬壁机器人有两个轮式钩爪，每个轮式钩爪上装有三个钩爪脚掌，在轮式钩爪旋转过程中通过钩爪脚掌的变化完成抓附和脱附带动机器人向上攀爬(Daltorio K, Horchler A,Southard L, et al. Mini-Whegs TM Climbs Steep Surfaces Using Insect-inspiredAttachment Mechanisms[J]. International Journal of Robotics Research, 2007,28(2): 285-302.)；与凯斯西储大学在粗糙表面抓附的分布式向内对抓机理不同，宾夕法尼亚大学 Jonathan E.Clark 团队基于 FG 模型研制了两足钩爪式爬壁机器人DynoClimber，这款机器人钩爪脚掌设计采用了弹簧的设计增加钩爪与壁面接触的柔性，同时腿部也采用了弹簧的设计进行能量存储，最终这款两足钩爪爬壁机器人可以在粗糙竖直面实现 66cm/s 的快速爬行（Lynch G, Clark J, Lin P, et al. A BioinspiredDynamical Vertical Climbing Robot[J]. International Journal of RoboticsResearch, 2012, 31(8): 974-996.）；中国科学院合肥智能材料研究所2015年研制出了仿尺蠖两足爬壁机器人，该机器人单个足端结构采用了两个钩爪脚掌对抓的设计，每个钩爪脚掌上放置 20 个钩爪，通过舵机驱动凸轮带动两个钩爪脚掌反向旋转，同时通过连接两个钩爪脚掌的弹簧进行储能，两个对抓钩爪机构交替完成抓附和脱附动作实现机器人的向前爬行和壁面过渡（Liu G, Liu Y, Wang X. Design and Experiment of a BioinspiredWall-Climbing Robot Using Spiny Grippers[C]. IEEE International Conference onMechatronics and Automation, IEEE, 2016: 665-670.）。

目前为止，钩爪式机器人的钩爪主要采用单向钩附和对抓钩附的结构，钩爪的钩附能力有限，而基于钩爪连续旋转抓附的机械脚掌及腿及机器人与方法尚未报道过，也并未展开过研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于钩爪连续旋转抓附的机械脚掌及腿及机器人与方法，该机器人具有连续旋转抓附和脱附功能，主要应用于足式钩爪机器人结构设计中。

一种基于钩爪连续旋转抓附的机械脚掌，其特征在于：由上而下依次包括：球关节上盖、旋转舵机固定件、外侧旋转钩爪掌和内侧旋转钩爪掌；还包括旋转舵机和固定件连接板；其中旋转舵机倒置于旋转舵机固定件与外侧旋转钩爪掌内，固定件连接板将旋转舵机固定件与外侧旋转钩爪掌固连，两者将旋转舵机包裹在内，旋转舵机旋转输出轴平行于Z轴，穿过外侧旋转钩爪掌，并与内侧旋转钩爪掌固连；上述内侧旋转钩爪掌下端呈圆形，且边缘均匀设置内侧钩爪，所有内侧钩爪方向与对应切线夹角保持一致；上述外侧旋转钩爪掌下端呈圆形，且边缘均匀设置数量与上述内侧钩爪相同、方向与上述内侧钩爪相反的外侧钩爪；全部内侧钩爪呈现的旋向为逆时针方向或顺时针方向，全部外侧钩爪呈现的旋向与内侧钩爪呈现的旋向相反。

所述的基于钩爪连续旋转抓附的机械脚掌的机械腿，其特征在于：还包括：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、球头、复位弹簧；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轴与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；上述球头的杆端与腿部支撑杆下端固连，球关节上盖和旋转舵机固定件将球头的球端包裹在内，球关节上盖与旋转舵机固定件通过螺栓固连，以此实现腿部支撑杆与机械脚掌的连接；上述复位弹簧一端固定于腿部支撑杆，另一端固定于球关节上盖。

所述的基于钩爪连续旋转抓附的机械脚掌的机械腿的六足机器人，其特征在于：包括六组机械腿；包括连接板；六组机械腿采用左三条、右三条的方式对称安装于连接板上。

所述基于钩爪连续旋转抓附的机械脚掌的运动方法，其特征在于包括以下过程：当旋转舵机旋转输出轴正向旋转，内侧钩爪随其正向转动，一定角度后抓附接触表面；旋转舵机继续旋转时，旋转舵机旋转输出轴因内侧钩爪抓附接触表面固定，旋转舵机机身反向转动，带动外侧钩爪反向转动，转动一定角度后，外侧钩爪抓附住接触表面，从而实现每个内侧钩爪与对应的外侧钩爪锁合，进而实现钩爪主动抓附；当有内侧钩爪或外侧钩爪未能抓附住接触表面发生脱落现象时，旋转舵机继续旋转使内侧钩爪与外侧钩爪继续抓附接触面直至满足锁合条件；当旋转舵机旋转输出轴反向旋转，内侧钩爪随其反向转动，一定角度后脱附接触表面；旋转舵机继续旋转，破坏内侧钩爪与外侧钩爪的锁合关系，进而实现钩爪主动脱附。

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机械脚掌，实现连续旋转抓附和主动脱附功能，方便足式钩爪机器人在粗糙表面的抓/脱附行走运动。

2、本发明采用复位弹簧约束自适应球关节，既实现了三个姿态自由度转动，又实现在不受力状态下脚掌能恢复到初始位置。

3、本发明利用两个下端呈圆形，边缘均匀设置钩爪数量相同、钩爪方向相反的内外侧旋转钩爪掌分别转动抓附接触表面，多对钩爪互相锁合增大抓附能力。

4、本发明利用旋转舵机转动带动内外侧钩爪抓附接触表面，当有钩爪发生脱落现象时，旋转舵机继续旋转使内外侧旋转钩爪满足啮合条件；

5、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是本发明所述的基于钩爪连续旋转抓附的六足机器人的立体视图；

图2是本发明所述的基于钩爪连续旋转抓附的六足机器人的爆炸图；

图3是本发明所述的基于钩爪连续旋转抓附的机械腿的立体视图；

图4是本发明所述的基于钩爪连续旋转抓附的机械腿的爆炸图；

图5是本发明所述的机械脚掌的立体视图；

图6是本发明所述的机械脚掌的示意图；

图7是本发明所述的机械脚掌的爆炸图；

图8是本发明所述的机械脚掌抓附示意图；

图9是本发明所述的机械脚掌脱附示意图；

图1-9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；9a、腿部支撑杆a孔；9b、腿部支撑杆b孔；9c、腿部支撑杆c孔；9d、腿部支撑杆d孔；10、球头；11、机械脚掌；12、球关节上盖；12a、球关节上盖a孔；12b、球关节上盖b孔；12c、球关节上盖c孔；12d、球关节上盖d孔；13、旋转舵机；14、旋转舵机固定件；15、外侧旋转钩爪掌；16、固定件连接板；17、固定件连接板；18、内侧旋转钩爪掌；19、一号复位弹簧；20、二号复位弹簧；21、三号复位弹簧；22、四号复位弹簧。

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1-9，本实施例为一种基于钩爪连续旋转抓附的机械脚掌及腿及机器人与方法，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、腿部支撑杆a孔9a、腿部支撑杆b孔9b、腿部支撑杆c孔9c、腿部支撑杆d孔9d、球头10、机械脚掌11、球关节上盖12、球关节上盖a孔12a、球关节上盖b孔12b、球关节上盖c孔12c、球关节上盖d孔12d、旋转舵机13、旋转舵机固定件14、外侧旋转钩爪掌15、固定件连接板16、固定件连接板17、内侧旋转钩爪掌18、一号复位弹簧19、二号复位弹簧20、三号复位弹簧21、四号复位弹簧22。

结合图1-2，本实施例为一种基于钩爪连续旋转抓附的六足机器人，包括六组机械腿：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、H。左前腿A、左中腿B、左后腿C、右前腿D、右中腿E、右后腿F六组机械腿结构相同，并按照左三条、右三条的方式对称安装于连接板G、H上。

结合图3-4，本实施例为一种基于钩爪连续旋转抓附的机械腿，定义三维坐标系，Z轴为机械腿向上方向，X轴为机械腿向左方向，Y轴为机械腿向前方向。其中包括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轴与X轴向第一舵机3第二端对齐固定，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，球头10的杆端与腿部支撑杆9下端固连，机械脚掌11中的球关节上盖12和旋转舵机固定件14将球头10的球端包裹在内，球关节上盖12与旋转舵机固定件14通过螺栓固连，以此实现腿部支撑杆9与机械脚掌11的连接。

结合图5-7，本实施例为一种基于钩爪连续旋转抓附的机械脚掌，其中旋转舵机13倒置于旋转舵机固定件14与外侧旋转钩爪掌15内，旋转舵机连接板16的四个螺钉孔与旋转舵机固定件14及外侧旋转钩爪掌15左端的盲孔通过螺钉固连，旋转舵机连接板17的四个螺钉孔与旋转舵机固定件14及外侧旋转钩爪掌15右端的盲孔通过螺钉固连，以此实现旋转舵机固定件14与外侧旋转钩爪掌15的固连，两者固连并将旋转舵机13包裹在内，旋转舵机13旋转输出轴平行于Z轴，穿过外侧旋转钩爪掌15，并与内侧旋转钩爪掌18固连。

该脚掌设置有4个复位弹簧，分别为：一号复位弹簧、二号复位弹簧、三号复位弹簧、四号复位弹簧。一号复位弹簧一端固定于球关节上盖a孔12a、另一端固定于腿部支撑杆a孔9a；二号复位弹簧一端固定于球关节上盖b孔12b、另一端固定于腿部支撑杆b孔9b；三号复位弹簧一端固定于球关节上盖c孔12c、另一端固定于腿部支撑杆c孔9c；四号复位弹簧一端固定于球关节上盖d孔12d、另一端固定于腿部支撑杆d孔9d。

结合图8-9，所述的一种基于钩爪连续旋转抓附的机械脚掌的运动方法，其特征在于包括以下过程：每一组机械腿通过三个舵机驱动关节，拥有三个位置自由度，通过控制六足机器人十八个舵机进而控制机器人步态，即控制机械腿的运动顺序及轨迹，可以实现机器人的多种运动模式，进而实现六足机器人步行机构稳定运行。上述内侧旋转钩爪掌18下端呈圆形，且边缘均匀设置内侧钩爪，所有内侧钩爪方向与对应切线夹角保持一致；上述外侧旋转钩爪掌15下端呈圆形，且边缘均匀设置数量与上述内侧钩爪相同、方向与上述内侧钩爪相反的外侧钩爪；全部内侧钩爪呈现的旋向为逆时针方向或顺时针方向，全部外侧钩爪呈现的旋向与内侧钩爪呈现的旋向相反；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，且在不受力的情况下能够迅速恢复旋转钩爪初始姿态。

如图7所示，当机械脚掌钩爪主动抓附时，旋转舵机13旋转输出轴绕着Z轴正向旋转，内侧旋转钩爪掌18随旋转舵机13旋转输出轴正向转动，一定角度后内侧钩爪抓附接触表面，旋转舵机13继续旋转时，旋转舵机13旋转输出轴因内侧旋转钩爪掌18抓附接触表面固定，旋转舵机13机身反向转动，带动外侧旋转钩爪掌15反向转动，转动一定角度后，外侧钩爪抓附住接触表面，从而实现每个内侧钩爪与对应的外侧钩爪锁合，进而实现机械脚掌钩爪主动抓附。当有内侧钩爪或外侧钩爪未能抓附住接触表面发生脱落现象时，旋转舵机13继续旋转使内侧钩爪与外侧钩爪继续抓附接触面直至满足锁合条件。

如图8所示，当机械脚掌主动脱附时，旋转舵机13旋转输出轴绕着Z轴反向旋转，内侧旋转钩爪掌18随旋转舵机13旋转输出轴反向转动，一定角度后内侧钩爪脱附接触表面，旋转舵机13继续旋转，破坏内侧钩爪与外侧钩爪的锁合关系，进而实现机械脚掌钩爪主动脱附。

Claims (4)

1.一种基于钩爪连续旋转抓附的机械脚掌，其特征在于：

由上而下依次包括：球关节上盖（12）、旋转舵机固定件（14）、外侧旋转钩爪掌（15）和内侧旋转钩爪掌（18）；

还包括旋转舵机（13）和固定件连接板；其中旋转舵机（13）倒置于旋转舵机固定件（14）与外侧旋转钩爪掌（15）内，固定件连接板将旋转舵机固定件（14）与外侧旋转钩爪掌（15）固连，两者将旋转舵机（13）包裹在内，旋转舵机（13）旋转输出轴平行于Z轴，穿过外侧旋转钩爪掌（15），并与内侧旋转钩爪掌（18）固连；

上述内侧旋转钩爪掌（18）下端呈圆形，且边缘均匀设置内侧钩爪，所有内侧钩爪方向与对应切线夹角保持一致；上述外侧旋转钩爪掌（15）下端呈圆形，且边缘均匀设置数量与上述内侧钩爪相同、方向与上述内侧钩爪相反的外侧钩爪；全部内侧钩爪呈现的旋向为逆时针方向或顺时针方向，全部外侧钩爪呈现的旋向与内侧钩爪呈现的旋向相反。

2.利用权利要求1所述的基于钩爪连续旋转抓附的机械脚掌的机械腿，其特征在于：

还包括：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）、球头（10）、复位弹簧；

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轴与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；

上述球头（10）的杆端与腿部支撑杆（9）下端固连，球关节上盖（12）和旋转舵机固定件（14）将球头（10）的球端包裹在内，球关节上盖（12）与旋转舵机固定件（14）通过螺栓固连，以此实现腿部支撑杆（9）与机械脚掌的连接；

上述复位弹簧一端固定于腿部支撑杆（9），另一端固定于球关节上盖（12）。

3.包括权利要求2所述的基于钩爪连续旋转抓附的机械脚掌的机械腿的六足机器人，其特征在于：

包括六组机械腿；

包括连接板；

六组机械腿采用左三条、右三条的方式对称安装于连接板上。

4.根据权利要求1所述基于钩爪连续旋转抓附的机械脚掌的运动方法，其特征在于包括以下过程：

当旋转舵机（13）旋转输出轴正向旋转，内侧钩爪随其正向转动，一定角度后抓附接触表面；旋转舵机（13）继续旋转时，旋转舵机旋转输出轴因内侧钩爪抓附接触表面固定，旋转舵机机身反向转动，带动外侧钩爪反向转动，转动一定角度后，外侧钩爪抓附住接触表面，从而实现每个内侧钩爪与对应的外侧钩爪锁合，进而实现钩爪主动抓附；当有内侧钩爪或外侧钩爪未能抓附住接触表面发生脱落现象时，旋转舵机（13）继续旋转使内侧钩爪与外侧钩爪继续抓附接触面直至满足锁合条件；

当旋转舵机（13）旋转输出轴反向旋转，内侧钩爪随其反向转动，一定角度后脱附接触表面；旋转舵机（13）继续旋转，破坏内侧钩爪与外侧钩爪的锁合关系，进而实现钩爪主动脱附。

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