CN112092942A - 具有高自由度单腿结构和大负载能力的黏附机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有高自由度单腿结构和大负载能力的黏附机器人，包括机身、主控制板、分控制板、大容量锂电池、四个四自由度单腿和四个小尺寸力传感一体化黏附脚掌，四个四自由度单腿分为两两一组设置在机身的前后两端的侧面上；主控制板、分控制板和大容量锂电池都设置在机身上，主控制板与分控制板电连接，大容量锂电池供电，四个小尺寸力传感一体化黏附脚掌分别设置在四个四自由度单腿的末端。优点：本发明机器人四自由度单腿通过各驱动电机地的合理布局，加大了肩关节抬起下落的范围，使其可以自由调节机身高度；一体化黏附脚掌，利用仿生干黏附材料发挥最好地黏附性能，实现小尺寸脚掌产生大的黏附力，获得支撑大质量机器人和大负载的能力。
Description
技术领域
本发明涉及仿生机器人领域，具体为一种具有高自由度单腿结构和大负载能力的黏附机器人。
背景技术
仿生黏附机器人因其独特的爬墙能力和灵活的运动能力受到越来越多的关注。黏附机器人的黏附原理有多种，主要是磁吸式、压力式和干黏附方式，相对来说，利用干黏附材料的脚掌机构最为简单易用，而且通用性和适应性更好。
现有机器人单腿结构一般都是三个主动自由度，腕关节的被动自由度往往受到关节球轴承或弹簧的很限制，导致黏附末端对不同环境和基底形式的适应性差，此外肩关节自由度很有限，无法实现机身大范围的抬起或下落。
目前大部分使用干黏附材料的爬壁机器人都具有轻质轻载的特点，主要原因是单一柔性或单一刚性的黏附末端结构，不能充分发挥仿生干黏附材料的黏附性能，尽管有些黏附机构通过增加黏附末端个数或者直接加大黏附末端的黏附材料面积来提高黏附力实现大的载荷，但是，高效利用仿生干黏附材料的黏附性能来实现大质量并且高负载的黏附机器人是提高仿生黏附机器人的高效性和稳定性的关键。
发明内容
本发明目的是，针对背景技术中的问题，提出一种具有高自由度单腿结构和大负载能力的黏附机器人，通过对黏附末端机构结构的设计改良和单腿自由度的增加，提高机器人运动的灵活性和对环境的适应性，增大对黏附材料的有效使用率，从而实现黏附爬壁机器人应对大载荷的任务要求。
采用的技术方案是：一种具有高自由度单腿结构和大负载能力的黏附机器人，包括机身、主控制板、分控制板、大容量锂电池、四个四自由度单腿和四个小尺寸力传感一体化黏附脚掌，四个四自由度单腿分为两两一组设置在机身的前后两端的侧面上，且一组内的两个四自由度单腿对称；主控制板、分控制板和大容量锂电池都设置在机身上，主控制板与分控制板电连接，大容量锂电池分别连接主控制板和分控制板供电，四个小尺寸力传感一体化黏附脚掌分别设置在四个四自由度单腿的末端；
每个四自由度单腿都包括腿前后旋转驱动电机、腿起落驱动电机、脚掌前后摆动驱动电机、黏附脚掌左右摆动驱动电机、五个电机连接件和黏附脚掌连接件，腿前后旋转驱动电机、腿起落驱动电机、脚掌前后摆动驱动电机和黏附脚掌左右摆动驱动电机分别电连接分控制板，大容量锂电池分别连接腿前后旋转驱动电机、腿起落驱动电机、脚掌前后摆动驱动电机和黏附脚掌左右摆动驱动电机供电；
腿前后旋转驱动电机固定在机身上，腿前后旋转驱动电机的电机轴垂直于机身平面，腿起落驱动电机与腿前后旋转驱动电机之间通过第一电机连接件连接，腿起落驱动电机的电机轴与腿前后旋转驱动电机的电机轴垂直；腿前后旋转驱动电机上的输出端法兰和连接端端板都与第一电机连接件固定，腿起落驱动电机上电机壳与第一电机连接件固定，腿起落驱动电机上的输出端法兰和连接端端板分别连接两个第二电机连接件的一端，两个第二电机连接件的另一端分别对称固定在脚掌前后摆动驱动电机两侧的电机壳上，脚掌前后摆动驱动电机的输出端法兰和连接端端板都固定在第三电机连接件上， 脚掌前后摆动驱动电机的电机轴与腿起落驱动电机的电机轴垂直；黏附脚掌左右摆动驱动电机上电机壳固定在第三电机连接件上，黏附脚掌左右摆动驱动电机的电机轴与脚掌前后摆动驱动电机的电机轴垂直，且黏附脚掌左右摆动驱动电机的电机轴与腿起落驱动电机的电机轴平行；黏附脚掌连接件同时连接到黏附脚掌左右摆动驱动电机的输出端法兰和连接端端板上；小尺寸力传感一体化黏附脚掌通过黏附脚掌固定销连接在黏附脚掌连接件上；
每个小尺寸力传感一体化黏附脚掌都包括上层的与黏附脚掌连接件连接的小腿脚掌单元、中间层的脚掌柔性层和底层的黏附材料层；中间层的脚掌柔性层粘合在小腿单元内的脚掌下表面上，黏附材料层粘合在脚掌柔性层的下表面上；脚掌柔性层采用聚二甲基硅氧烷材料制成，脚掌柔性层的厚度为5-10mm，脚掌柔性层采用室温固化硅橡胶与小腿脚掌单元粘合；黏附材料层采用仿生干黏附材料制成，黏附材料层的厚度为0.5-2mm黏附材料层通过二甲基硅氧烷与二氧化硅的混合粘合剂与脚掌柔性层粘合。
对本发明技术方案的优选，机身由上中下三块碳纤维板组成，上层碳纤维板和中层碳纤维板之间通过四个单腿固定件连接，四个四自由度单腿分别连接四个单腿固定件；中层碳纤维板和下层碳纤维板之间由多个铜柱连接；主控制板固定在中层碳纤维板的上表面，分控制板和大容量锂电池固定在下层碳纤维板的上表面。本发明技术方案中电池固定方式选用尼龙搭扣，方便拆卸。主控制板和分控制板通过金属铜柱固定，有利于散热并且牢固。
对本发明技术方案中，主控制板根据分控板的反馈信息做计算，然后发送指令信息通过分控板控制电机。分控制板分别用来连接传感器和实现主控板与传感器和电机的通信。
对本发明技术方案的优选，小腿脚掌单元为铝合金组合件，包括腿柱、测量机器人足底力的压力传感器、压力传递盖、弹簧、转轴、三个被动自由度万向轴承和铝合金脚掌，腿柱为两个子腿柱连接构成，压力传感器装在两个子腿柱之间，两个子腿柱限制住压力传感器，压力传感器电连接分控制板；定义两个子腿柱分别为上子腿柱和下子腿柱，上子腿柱下子腿柱内开设轴向台阶通孔，下子腿柱上端面的台阶通孔的空口直径小，压力传递盖装入台阶通孔内，压力传递盖的两个板面上都设置圆台，一个圆台伸出下子腿柱上端面的空口抵住压力传感器的测量面；弹簧装入台阶通孔内，弹簧一端抵住压力传递盖的另一个圆台，弹簧另一端抵住转轴上端；转轴装入台阶通孔内，转轴下端插入三个被动自由度万向轴承的轴孔内，三个被动自由度万向轴承装在铝合金脚掌内。小腿脚掌单元为铝合金组件，特殊的小腿脚掌单元结构，上半部分内部安装一个压力传感器用于测量机器人的足底力,而且该结构下半的圆柱腔体内部安装一个弹簧，与弹簧相连接的是一个直径更小的柱状结构的转轴，转轴下端插入三个被动自由度万向轴承的轴孔内，使得铝合金腿柱在一定程度上可改变高度。与铝合金腿柱连接的是一个具有三个被动自由度内径为5mm的万向轴承，使脚掌在与不同倾斜程度的表面相接触时都具备一定的自适应性。并且当脚掌上的铝合金腿柱达到球关节的活动度限制时，脚掌会由一个活动关节变成一个固定关节，固定关节可以更好地向脚掌施加特定方向的力。
对本发明技术方案的优选，转轴上端面设置定位圆台，弹簧另一端套入定位圆台。
对本发明技术方案的优选，上子腿柱的顶部延伸设置凸柱，凸柱设置插入黏附脚掌固定销的销孔。
对本发明技术方案的优选，铝合金脚掌的脚掌面为圆面。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
本发明机器人，四自由度单腿通过各驱动电机地的合理布局，很大程度地加大了肩关节抬起下落的范围，使其可以自由调节机身高度；小尺寸力传感一体化黏附脚掌，高效利用仿生干黏附材料，使其发挥最好地黏附性能，实现小尺寸脚掌产生大的黏附力，从而获得支撑大质量机器人和大负载的能力。
附图说明
图1是本发明机器人的结构示意图。
图2是本发明机器人的侧视图。
图3是机身的上层碳纤维板的主视图。
图4是机身的中层碳纤维板的主视图。
图5是机身的下层碳纤维板的主视图。
图6是四自由度单腿与小尺寸力传感一体化黏附脚掌的装配示意图。
图7是第一电机连接件的示意图。
图8是第二电机连接件的示意图。
图9是第三电机连接件的示意图。
图10是第四电机连接件的示意图。
图11是电机的外形图。
图12是电机的侧视图。
图13是本实施例机器人在高空间作业的姿态示意图。
图14是本实施例机器人在矮空间作业的姿态示意图。
图15是本实施例机器人在倾斜面作业的姿态示意图。
图16是小尺寸力传感一体化黏附脚掌的结构示意图。
图17是小尺寸力传感一体化黏附脚掌的爆炸视图。
图18是本小腿脚掌单元收缩状态的示意图。
图19是本小腿脚掌单元伸出状态的示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图1-图19和具体实施方式做进一步的描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例提出一种具有高自由度单腿结构和大负载能力的黏附机器人，包括机身1、主控制板2、分控制板3、大容量锂电池4、四个四自由度单腿6和四个小尺寸力传感一体化黏附脚掌7，四个四自由度单腿6分为两两一组设置在机身1的前后两端的侧面上，且一组内的两个四自由度单腿6对称；主控制板2、分控制板3和大容量锂电池4都设置在机身1上，主控制板2与分控制板3电连接，大容量锂电池4分别连接主控制板2和分控制板3供电，四个小尺寸力传感一体化黏附脚掌7分别设置在四个四自由度单腿6的末端。
如图2、3、4和5所示，机身1由上中下三块碳纤维板组成，上层碳纤维板1-1和中层碳纤维板1-2之间通过四个单腿固定件5连接，四个四自由度单腿6分别连接四个单腿固定件5；中层碳纤维板1-2和下层碳纤维板1-3之间由多个铜柱1-4连接。
主控制板2固定在中层碳纤维板1-2的上表面，分控制板3和大容量锂电池4固定在下层碳纤维板1-3的上表面。
主控制板根据分控板的反馈信息做计算，然后发送指令信息通过分控板控制电机。分控制板分别用来连接传感器和实现主控板与传感器和电机的通信。
本实施例中主控制板采用由英国产的树莓派4B型，分控制板由ARDUINO的UNO和韩国dynamixel公司出产的U2D2构成；两块分控制板分别用来连接传感器和实现主控板与传感器和电机的通信。腿前后旋转驱动电机6-1、腿起落驱动电机6-3、脚掌前后摆动驱动电机6-5和黏附脚掌左右摆动驱动电机6-7电连接分控制板中的U2D2。
本实施例中大容量锂电池4固定方式选用尼龙搭扣，方便拆卸。搭扣用双面胶带直接固定在电池上，搭扣的另一面用胶水黏在机身上。
如图1所示，四自由度单腿6共4个分别以机身为准左右对称且前后对称布置，如图6所示，每个四自由度单腿6都包括腿前后旋转驱动电机6-1、腿起落驱动电机6-3、脚掌前后摆动驱动电机6-5、黏附脚掌左右摆动驱动电机6-7、五个电机连接件和黏附脚掌连接件6-8。
腿前后旋转驱动电机6-1、腿起落驱动电机6-3、脚掌前后摆动驱动电机6-5和黏附脚掌左右摆动驱动电机6-7分别电连接分控制板3中的U2D2，大容量锂电池4分别连接腿前后旋转驱动电机6-1、腿起落驱动电机6-3、脚掌前后摆动驱动电机6-5和黏附脚掌左右摆动驱动电机6-7供电。
如图6、7、8、9和10所示，腿前后旋转驱动电机6-1固定在机身1上，腿前后旋转驱动电机6-1的电机轴垂直于机身平面，腿起落驱动电机6-3与腿前后旋转驱动电机6-1之间通过第一电机连接件6-2连接，腿起落驱动电机6-3的电机轴与腿前后旋转驱动电机6-1的电机轴垂直；腿前后旋转驱动电机6-1上的输出端法兰和连接端端板都与第一电机连接件6-2固定，腿起落驱动电机6-3上电机壳与第一电机连接件6-2固定，腿起落驱动电机6-3上的输出端法兰和连接端端板分别连接两个第二电机连接件6-4的一端，两个第二电机连接件6-4的另一端分别对称固定在脚掌前后摆动驱动电机6-5两侧的电机壳上，脚掌前后摆动驱动电机6-5的输出端法兰和连接端端板都固定在第三电机连接件6-6上， 脚掌前后摆动驱动电机6-5的电机轴与腿起落驱动电机6-3的电机轴垂直；黏附脚掌左右摆动驱动电机6-7上电机壳固定在第三电机连接件6-6上，黏附脚掌左右摆动驱动电机6-7的电机轴与脚掌前后摆动驱动电机6-5的电机轴垂直，且黏附脚掌左右摆动驱动电机6-7的电机轴与腿起落驱动电机6-3的电机轴平行；黏附脚掌连接件6-8同时连接到黏附脚掌左右摆动驱动电机6-7的输出端法兰和连接端端板上；小尺寸力传感一体化黏附脚掌7通过黏附脚掌固定销6-9连接在黏附脚掌连接件6-8上。
如图11和12所示，腿前后旋转驱动电机6-1、腿起落驱动电机6-3、脚掌前后摆动驱动电机6-5和黏附脚掌左右摆动驱动电机6-7都为外购件，直接购买获得，本实施例中优选采用的是韩国dynamixel公司的高性能智能电机型号为XM430-W350-R。
本实施例中高自由度的单腿结构，一方面通过各驱动电机地的合理布局，很大程度地加大了肩关节抬起下落的范围，使其可以自由调节机身高度，如图13和图14中机器人姿态①和②所示，以应对不同的运动空间和特殊环境（如高度矮的空间、地面上有大凸起或障碍物的环境等）。另外，单腿具有四个主动自由度，确保了黏附末端脚掌应对不同的倾斜面时能够使脚掌平面与基底表面保持平行贴合，如图15所示，图中机器人姿态③所示，从而提高机器人运动的稳定性和适应性。
如图13所示，每个小尺寸力传感一体化黏附脚掌7都包括上层的与黏附脚掌连接件6-8连接的小腿脚掌单元、中间层的脚掌柔性层7-8和底层的黏附材料层7-9；中间层的脚掌柔性层7-8粘合在小腿单元内的脚掌下表面上，黏附材料层7-9粘合在脚掌柔性层7-8的下表面上。脚掌柔性层7-8采用聚二甲基硅氧烷材料制成，脚掌柔性层7-8的厚度为5-10mm，脚掌柔性层7-8采用室温固化硅橡胶与小腿脚掌单元粘合。黏附材料层7-9采用仿生干黏附材料制成，黏附材料层7-9的厚度为0.5-2mm黏附材料层7-9通过二甲基硅氧烷与二氧化硅的混合粘合剂与脚掌柔性层7-8粘合。
如图16和17所示，小腿脚掌单元为铝合金组合件，包括腿柱7-1、测量机器人足底力的压力传感器7-2、压力传递盖7-3、弹簧7-4、转轴7-5、三个被动自由度万向轴承7-6和铝合金脚掌7-7。
腿柱7-1为两个子腿柱连接构成，压力传感器7-2装在两个子腿柱之间，两个子腿柱限制住压力传感器7-2，压力传感器7-2电连接分控制板3；定义两个子腿柱分别为上子腿柱和下子腿柱，上子腿柱下子腿柱内开设轴向台阶通孔，下子腿柱上端面的台阶通孔的空口直径小，压力传递盖7-3装入台阶通孔内，压力传递盖7-3的两个板面上都设置圆台，一个圆台伸出下子腿柱上端面的空口抵住压力传感器7-2的测量面；弹簧7-4装入台阶通孔内，弹簧7-4一端抵住压力传递盖7-3的另一个圆台，弹簧7-4另一端抵住转轴7-5上端；转轴7-5装入台阶通孔内，转轴7-5下端插入三个被动自由度万向轴承7-6的轴孔内，三个被动自由度万向轴承7-6装在铝合金脚掌7-7内。
本小腿脚掌单元为铝合金组件，特殊的小腿脚掌单元结构，上半部分内部安装一个压力传感器用于测量机器人的足底力,而且该结构下半的圆柱腔体内部安装一个弹簧，与弹簧相连接的是一个直径更小的柱状结构的转轴，转轴下端插入三个被动自由度万向轴承的轴孔内，使得铝合金腿柱在一定程度上可改变高度。如图18和19所示。
与铝合金腿柱连接的是一个具有三个被动自由度内径为5mm的万向轴承，使脚掌在与不同倾斜程度的表面相接触时都具备一定的自适应性。并且当脚掌上的铝合金腿柱达到球关节的活动度限制时，脚掌会由一个活动关节变成一个固定关节，固定关节可以更好地向脚掌施加特定方向的力。
如图17所示，本实施例中，转轴7-5上端面设置定位圆台，弹簧7-4另一端套入定位圆台。上子腿柱的顶部延伸设置凸柱，凸柱设置插入黏附脚掌固定销6-9的销孔。
如图17所示，铝合金脚掌7-7的脚掌面为圆面。中间层的脚掌柔性层7-8采用聚二甲基硅氧烷材料制成，脚掌柔性层7-8的厚度为5-10mm，脚掌柔性层7-8采用室温固化硅橡胶与铝合金脚掌7-7的脚掌面粘合。
本实施例中脚掌柔性层7-8在四自由度单腿6内四个电机的作用，使得脚掌柔性层7-8发生形变，使得黏附材料层7-9在形变较大区域首先发生脱附，从而达到逐渐将脚掌从黏附表面撕脱的效果。
如图17所示，黏附材料层7-9采用仿生干黏附材料制成，仿生干黏附材料为已知材料，直接购买获得。黏附材料层7-9的厚度为0.5-2mm黏附材料层7-9通过二甲基硅氧烷与二氧化硅的混合粘合剂与脚掌柔性层7-8粘合。
小尺寸力传感一体化黏附脚掌7高效利用仿生干黏附材料，使其发挥最好地黏附性能，实现小尺寸脚掌产生大的黏附力，从而获得支撑大质量机器人和大负载的能力。
本实施例中小尺寸力传感一体化黏附脚掌7，黏-脱附过程进行如下描述：
小尺寸力传感一体化黏附脚掌7的黏-脱附动作过程为三个阶段，分别为黏附初始接触阶段、支撑阶段和脱附阶段。
机器人黏附阶段，四自由度单腿6内的四个电机协调运动使脚掌平面与黏附表面平行，垂直下落，通过小尺寸力传感一体化黏附脚掌7内的铝合金的小腿脚掌单元内的金属杆件（腿柱7-1和转轴7-5）向脚掌平面传递预压力，使得黏附材料较好地与黏附表面贴合在一起。
机器人运动阶段（支撑阶段），脚掌与黏附表面粘合牢固，四个电机转动向后拉动脚掌使得身体前向运动。
脱附阶段，四个电机协调运动，使得铝合金的小腿脚掌单元内的腿柱7-1与转轴7-5之间移动到极限位置，金属脚掌由活动件变为固定件，与黏附表面成一定倾斜角度的金属杆件（腿柱7-1和转轴7-5）向脚掌的金属圆盘施加非法相的脱附力，使得脚掌中间的脚掌柔性层发生不同程度的形变，致使底层的黏附材料层在形变较大区域首先发生脱附，从而达到逐渐将脚掌从黏附表面撕脱的效果。
本实施例中，小尺寸力传感一体化黏附脚掌7的性能测试结果：
1）显著增加了对仿生干黏附材料的利用率，从有效黏附面积的测试中看到，总体的黏附面积能达到黏附材料总面积的70%—95%。有效黏附面积的增加，意味着过在机器人使用脚掌过程中黏附力的增加。
2）从垂直面上的黏附力测试中看出，单脚掌的最大黏附力在25N+4N（单腿重量）左右，最小黏附力也在10N+4N（单腿重量）左右。
本实施例中涉及的主控制板、分控制板以及电机电路、传感器电路部分均为本技术领域内的已知技术，本实施例不作说明。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (6)
1.一种具有高自由度单腿结构和大负载能力的黏附机器人，其特征在于，包括机身（1）、主控制板（2）、分控制板（3）、大容量锂电池（4）、四个四自由度单腿（6）和四个小尺寸力传感一体化黏附脚掌（7），四个四自由度单腿（6）分为两两一组设置在机身（1）的前后两端的侧面上，且一组内的两个四自由度单腿（6）对称；主控制板（2）、分控制板（3）和大容量锂电池（4）都设置在机身（1）上，主控制板（2）与分控制板（3）电连接，大容量锂电池（4）分别连接主控制板（2）和分控制板（3）供电，四个小尺寸力传感一体化黏附脚掌（7）分别设置在四个四自由度单腿（6）的末端；
每个四自由度单腿（6）都包括腿前后旋转驱动电机（6-1）、腿起落驱动电机（6-3）、脚掌前后摆动驱动电机（6-5）、黏附脚掌左右摆动驱动电机（6-7）、五个电机连接件和黏附脚掌连接件（6-8），
腿前后旋转驱动电机（6-1）、腿起落驱动电机（6-3）、脚掌前后摆动驱动电机（6-5）和黏附脚掌左右摆动驱动电机（6-7）分别电连接分控制板（3），大容量锂电池（4）分别连接腿前后旋转驱动电机（6-1）、腿起落驱动电机（6-3）、脚掌前后摆动驱动电机（6-5）和黏附脚掌左右摆动驱动电机（6-7）供电；
腿前后旋转驱动电机（6-1）固定在机身（1）上，腿前后旋转驱动电机（6-1）的电机轴垂直于机身平面，腿起落驱动电机（6-3）与腿前后旋转驱动电机（6-1）之间通过第一电机连接件（6-2）连接，腿起落驱动电机（6-3）的电机轴与腿前后旋转驱动电机（6-1）的电机轴垂直；腿前后旋转驱动电机（6-1）上的输出端法兰和连接端端板都与第一电机连接件（6-2）固定，腿起落驱动电机（6-3）上电机壳与第一电机连接件（6-2）固定，腿起落驱动电机（6-3）上的输出端法兰和连接端端板分别连接两个第二电机连接件（6-4）的一端，两个第二电机连接件（6-4）的另一端分别对称固定在脚掌前后摆动驱动电机（6-5）两侧的电机壳上，脚掌前后摆动驱动电机（6-5）的输出端法兰和连接端端板都固定在第三电机连接件（6-6）上， 脚掌前后摆动驱动电机（6-5）的电机轴与腿起落驱动电机（6-3）的电机轴垂直；黏附脚掌左右摆动驱动电机（6-7）上电机壳固定在第三电机连接件（6-6）上，黏附脚掌左右摆动驱动电机（6-7）的电机轴与脚掌前后摆动驱动电机（6-5）的电机轴垂直，且黏附脚掌左右摆动驱动电机（6-7）的电机轴与腿起落驱动电机（6-3）的电机轴平行；黏附脚掌连接件（6-8）同时连接到黏附脚掌左右摆动驱动电机（6-7）的输出端法兰和连接端端板上；小尺寸力传感一体化黏附脚掌（7）通过黏附脚掌固定销（6-9）连接在黏附脚掌连接件（6-8）上；
每个小尺寸力传感一体化黏附脚掌（7）都包括上层的与黏附脚掌连接件（6-8）连接的小腿脚掌单元、中间层的脚掌柔性层（7-8）和底层的黏附材料层（7-9）；中间层的脚掌柔性层（7-8）粘合在小腿单元内的脚掌下表面上，黏附材料层（7-9）粘合在脚掌柔性层（7-8）的下表面上；
脚掌柔性层（7-8）采用聚二甲基硅氧烷材料制成，脚掌柔性层（7-8）的厚度为5-10mm，脚掌柔性层（7-8）采用室温固化硅橡胶与小腿脚掌单元粘合；
黏附材料层（7-9）采用仿生干黏附材料制成，黏附材料层（7-9）的厚度为0.5-2mm黏附材料层（7-9）通过二甲基硅氧烷与二氧化硅的混合粘合剂与脚掌柔性层（7-8）粘合。
2.根据权利要求1所述的具有高自由度单腿结构和大负载能力的黏附机器人，其特征在于，机身（1）由上中下三块碳纤维板组成，上层碳纤维板（1-1）和中层碳纤维板（1-2）之间通过四个单腿固定件（5）连接，四个四自由度单腿（6）分别连接四个单腿固定件（5）；中层碳纤维板（1-2）和下层碳纤维板（1-3）之间由多个铜柱（1-4）连接；
主控制板（2）固定在中层碳纤维板（1-2）的上表面，分控制板（3）和大容量锂电池（4）固定在下层碳纤维板（1-3）的上表面。
3.根据权利要求1所述的具有高自由度单腿结构和大负载能力的黏附机器人，其特征在于，小腿脚掌单元为铝合金组合件，包括腿柱（7-1）、测量机器人足底力的压力传感器（7-2）、压力传递盖（7-3）、弹簧（7-4）、转轴（7-5）、三个被动自由度万向轴承（7-6）和铝合金脚掌（7-7），
腿柱（7-1）为两个子腿柱连接构成，压力传感器（7-2）装在两个子腿柱之间，两个子腿柱限制住压力传感器（7-2），压力传感器（7-2）电连接分控制板（3）；定义两个子腿柱分别为上子腿柱和下子腿柱，上子腿柱下子腿柱内开设轴向台阶通孔，下子腿柱上端面的台阶通孔的空口直径小，压力传递盖（7-3）装入台阶通孔内，压力传递盖（7-3）的两个板面上都设置圆台，一个圆台伸出下子腿柱上端面的空口抵住压力传感器（7-2）的测量面；弹簧（7-4）装入台阶通孔内，弹簧（7-4）一端抵住压力传递盖（7-3）的另一个圆台，弹簧（7-4）另一端抵住转轴（7-5）上端；转轴（7-5）装入台阶通孔内，转轴（7-5）下端插入三个被动自由度万向轴承（7-6）的轴孔内，三个被动自由度万向轴承（7-6）装在铝合金脚掌（7-7）内。
4.根据权利要求3所述的具有高自由度单腿结构和大负载能力的黏附机器人，其特征在于，转轴（7-5）上端面设置定位圆台，弹簧（7-4）另一端套入定位圆台。
5.根据权利要求3所述的具有高自由度单腿结构和大负载能力的黏附机器人，其特征在于，上子腿柱的顶部延伸设置凸柱，凸柱设置插入黏附脚掌固定销（6-9）的销孔。
6.根据权利要求3所述的具有高自由度单腿结构和大负载能力的黏附机器人，其特征在于，铝合金脚掌（7-7）的脚掌面为圆面。
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| CN202011061468.3A CN112092942A (zh) | 2020-09-30 | 2020-09-30 | 具有高自由度单腿结构和大负载能力的黏附机器人 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
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2020
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113335414A (zh) * | 2021-05-28 | 2021-09-03 | 武汉理工大学 | 一种基于猫爪仿生式足端装置 |
| CN113335414B (zh) * | 2021-05-28 | 2022-05-06 | 武汉理工大学 | 一种基于猫爪仿生式足端装置 |
| CN113335408A (zh) * | 2021-05-31 | 2021-09-03 | 重庆邮电大学 | 一种自感知自适应的夹层式磁敏橡胶足掌装置 |
| CN113335408B (zh) * | 2021-05-31 | 2023-03-14 | 重庆邮电大学 | 一种自感知自适应的夹层式磁敏橡胶足掌装置 |
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