CN113184075B - 一种仿安乐蜥的抗风振爬附机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能机器人领域，涉及一种仿安乐蜥的抗风振爬附机器人，由躯体功能模组、足掌功能模组、腿部功能模组以及控制与驱动功能模组和电源装置组成。躯体功能模组包括头部、通过弯曲完成交叉步态前进功能的脊柱、采用磁敏橡胶制备的柔性腹部薄膜、通过弯曲形变将风能转换为前进动力的尾部、肋骨框架；足掌功能模组由包含爪刺和多节趾骨的脚趾以及脚趾连接件组成；腿部功能模组包括气动功能部分和运动功能部分。本机器人借鉴安乐蜥在强风中的结构变化特点，设计了可调节气动性能的柔性腹部和尾部，设计了提升附着能力的黏附足掌，使其能够解决强风环境下稳定攀附的问题，且能适应一定曲率的壁面，能适应更广泛和复杂的场景。

Description

一种仿安乐蜥的抗风振爬附机器人

技术领域

本发明属于智能机器人领域，涉及一种仿安乐蜥的抗风振爬附机器人。

背景技术

爬壁机器人领域的关键点之一是爬附性能的问题，世界各国对仿生机理都有一定的研究成果，针对各种吸附方式进行了较为深入的研究，来提升机器人的爬附性能。在国外，有美国斯坦福大学研制的Stickybo机器人，采用仿壁虎的人造刚毛作为黏附材料，其干吸附方式虽然带来良好的平整表面攀附性能，但是缺少抗风扰的能力，不能满足复杂环境的作业需求。卡耐基梅隆大学研制的微小型机器人Waalbot、履带式爬壁机器人以及Geckobo等一系列机器人，产生的黏附力不足，且无调控能力来适应复杂环境的干扰，也难以在复杂壁面爬行；国内研制的爬壁机器人中，有哈尔滨工业大学的气动吸盘式爬壁机器人、永磁履带式爬壁机器人等，中国科学院常州先进制造所利用制备的仿壁虎的黏附材料实现了干性黏附机器人等。但目前的爬壁机器人针对环境变化的应变能力较差，抗扰能力较差导致大部分爬壁机器人只能局限于室内较为稳定环境下的应用。因此，各国开发的爬壁机器人在室外的基础设施，如大型路桥壁面等复杂环境下使用均有较大的局限性。例如在检测桥墩健康状况时，作业环境经常会有风场的变化，即强风干扰条件下，传统爬壁机器人的攀附能力严重下降，不仅难以在此环境下正常作业，还可能因为抗扰能力的不足而无法正常行走，甚至有脱落的可能，无法满足复杂环境的工作需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种仿安乐蜥的抗风振爬附机器人，以解决现有爬壁机器人在强风复杂环境下抗风能力不足，攀爬性能不高、不具备可调控适应环境的能力、灵活性不高、爬壁环境局限性大的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种仿安乐蜥的抗风振爬附机器人，包括躯体功能模组、足掌功能模组、腿部功能模组以及控制与驱动功能模组；所述躯体功能模组包括依次相连的头部、脊柱、尾部、设置在脊柱两侧的肋骨、覆盖在肋骨上的腹部薄膜、以及尾部；所述腿部功能模组设置在躯体功能模组上，所述足掌功能模组连接在所述腿部功能模组上；还包括气动功能部分，用于向爬附壁面施加正压，所述气动功能部分设置在所述躯体功能模组或腿部功能模组上。

可选的，所述仿安乐蜥的抗风振爬附机器人通过腹部形变增加对爬附壁面的正压力、通过尾部弯曲利用障碍物后端的振荡能量提供被动向前的动力、通过带爪刺的黏附足掌增强攀附能力。

可选的，所述躯体功能模组以头部连接脊柱，脊柱被肋骨包围，肋骨下方包裹了柔性的腹部薄膜，脊柱连接尾部，所述腿部功能模组与所述躯体功能模组通过步进电机的转动轴进行连接。

可选的，所述足掌功能模组包括由柔性基体材料制备的模拟安乐蜥足掌刚毛的各向异性黏附特性设计的仿生脚趾及脚趾连接件，所述仿生脚趾包括多节趾骨，使其具备连续弯曲变形能力，并且以牵引线穿过各节趾骨代替肌肉，通过拉动牵引线来实现脚趾的弯曲变形；所述趾骨下方贴合具备黏附能力的仿生足垫，所述仿生足垫上设有刚毛结构，通过改变足垫与接触面之间的范德华力改变其黏附能力。

可选的，还包括嵌入仿生脚趾前端的刚性爪刺。

可选的，尾部采用多节尾骨设计，将牵引绳穿过各节尾骨，通过步进电机拉动牵引绳，协助柔性的腹部薄膜完成整机气动特性的调节。

可选的，所述头部和脊柱连接处嵌入了驱动电机，用于驱动前肢运动，以及脊柱的弯曲动作；所述脊柱与尾部连接处嵌入了驱动电机，用于驱动后肢运动，以及尾部的弯曲动作。

可选的，所述腹部薄膜形状为肋骨与脊柱共同构成的平面，向远离脊柱和肋骨的方向凸起，在磁场作用下改变凸起程度。

可选的，所述腿部功能模组是具备D形运动轨迹的平面单自由度8连杆机构。

可选的，所述的柔性腹部薄膜是采用磁敏材料制备成的可发生形变器件，所述腹部薄膜上方的肋骨内设有用于调节柔性腹部薄膜磁场的磁场施加装置。

本发明的有益效果在于：

1、本发明对安乐蜥的形体结构和攀附方式进行研究后，模仿了安乐蜥在强风环境下，通过腹部发生形变调节自身气动特性，进而增加身体对壁面的正压力；通过尾部弯曲后利用障碍物后端的振荡能量提供被动向前的动力；通过脊柱弯曲完成交叉步态方式前进运动；和通过其带爪刺的黏附足掌具有良好的附着和脱附性能等特点来加强机器人的抗风性能。由此设计了一种仿安乐蜥的抗风振爬附机器人。为复杂环境、强风环境下进行基建的表面检测作业需求提供了一种新的解决方案。

2、本发明中，其形体改变包括机器人腹部形变程度的调节和尾部弯曲，充分利用风能来提供前进动力和对壁面的正压力、黏附力。其腹部是利用磁敏橡胶黏附材料在磁场作用下黏附能力的提升和在磁场作用下可以发生形变的特性，设计出了可发生弹性形变的柔性可黏附腹部。其带爪刺的黏附足掌是将多节趾骨构成的脚趾和带细微刚毛结构的黏附足垫共同构成的足掌与爪刺相结合，增加了对壁面的抓附性能。此外，其尾部的可弯曲设计也满足了通过本体结构调节身体气动特性的需求。通过上述有益效果的结合，使本发明的机器人相对其他机器人而言，在能够实现连贯的爬壁运动的同时，还能抵抗强风的干扰。总体而言，本发明结构巧妙，抗扰性强，爬壁性能显著提升，可适应的环境更加复杂且广泛。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的头部结构示意图。

图3为本发明的腹部上视结构示意图。

图4为本发明的腹部前视结构示意图。

图5为本发明的尾部结构示意图。

图6为本发明的腿部结构示意图。

图7为本发明的足掌结构示意图。

图8为本发明的脚趾结构示意图。

图9为本发明的腿部各关节连接方式示意图。

图10为本发明一个周期内的交叉步态运动过程示意图。

图11为本发明的运动过程流程图。

附图标记：头部1、腹部2、尾部3、腿部功能模组4、足掌功能模组5、第一步进电机6、第二步进电机7、第三步进电机8、第四步进电机9、风速传感器10、第五步进电机11、第六步进电机12、左前肢13、右前肢14、右后肢15、左后肢16、初始状态17，左转髋18、右转髋19、驱动控制模块1-1、电源装置1-2、气动功能性股骨1-3、电磁铁线圈2-1、肋骨2-2、脊柱2-3、第一牵引点2-4、第二牵引点2-5、第一牵引绳2-6、第一绳孔2-7、第二绳孔2-8、腹部薄膜2-9、第二牵引绳3-1、第三绳孔3-2、第三牵引点3-3、多节尾骨3-4、气动功能股骨4-1、腿与足掌装配孔电机与腿装配孔4-2、腿部连杆4-3、D形运动轨迹4-4、腿与足掌装配孔4-5、腿部连杆4-6、装配孔5-1、铆钉5-2、脚趾连接件5-3、脚趾5-4、趾骨5-4-1、黏附足垫5-4-3、爪刺5-4-2、电机输出轴6-1。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图11，为一种仿安乐蜥的抗风振爬附机器人，包括仿安乐蜥机器人躯体功能模组、腿部功能模组4、足掌功能模组5、控制与驱动功能模组模块1-1以及电源装置1-2。

仿安乐蜥机器人躯体功能模组包括放置控制与驱动功能模组和电源装置以及传感器和步进电机的头部1，头部与腹部连接处放置了第一步进电机6和第五步进电机11，其下方带有一定的弧度，为腿部功能模组4的气动功能部分，为模拟的安乐蜥气动功能性股骨4-1，利用其上下表面风速的不同而带来的压强差来加强机器人的腿部抓附力；以及包括腹部2，腹部2再包含可以被电机牵引发生弯曲形变的可弯曲脊柱2-3、可以放置电磁铁线圈的肋骨框架2-2、以及在磁场作用下具有弹性形变能力和黏附能力可控的磁敏橡胶薄膜制备柔性腹部薄膜2-9，通过磁场的控制，进而控制腹部薄膜2-9的收缩达到机器人运动形态的改变；最后还包括可绕y轴弯曲的尾部3，可以利用障碍物后气流震荡产生的能量来保持自身被动向前。

控制与驱动功能模组1-1放置在头部1上方，电源装置1-2嵌设与头部与腹部连接处之间。电源装置1-2与嵌设与肋骨间的8个电磁铁连接，控制与驱动功能模组1-1与电源装置1-2用于控制和驱动第一步进电机6、第二步进电机7、第三步进电机8、第四步进电机9、第五步进电机11和第六步进电机12。还包括与驱动控制模块连接的风速检测传感器10，采集的风速信息用于控制机器人的形体和步态变化。所述的步进电机根据其较好的位置精度和运动重复性，来完成机器人交叉步态前进，驱动脊柱和尾部弯曲。

如图3和图4所示，机器人脊柱2-3和肋骨2-2共同构成机器人的腹部2，由腹部2下方包裹了柔性腹部薄膜2-9，所述腹部薄膜2-9是采用磁敏橡胶材料制备成的磁控可形变薄膜，对机器人腹部下方的整个平面形成包裹且呈向下凸起状态，使得所述腹部薄膜2-9与肋骨2-2与脊柱2-3构成的机器人腹部2之间存在一定的空间。此腹部薄膜2-9在磁场作用下可发生弹性形变，通过控制磁场即可控制机器人腹部的形体变化，调节整机气动特性，以适应风的干扰。

机器人尾部3如图5所示，本机器人考虑到尾部3需要绕y轴重复弯曲，进行了多节尾骨3-4结构的设计，并以牵引线3-1穿过各节尾骨3-4来代替肌肉，只需拉动牵引线3-1即可带动尾部转动。

如图6所示，腿部功能模组4是包含气动功能部分和运动功能部分，其中气动功能部分为气动功能股骨4-1，用于调节气动特性，协助加强整个机器人躯体对壁面的正压力。运动功能部分是仿安乐蜥足掌D型运动轨迹的行进方式，而建立了具备D型运动轨迹的平面单自由度8连杆机构——Jansen-leg机构，可完成D形运动轨迹4-4运动。各连杆之间全部都是转动副连接，只需要一个电机连续驱动就可以整个仿生腿机构10个转动副的运动。在本仿安乐蜥爬壁机器人中包含4个腿部功能模组，其结构一致。

足掌功能模组5如图7所示，其包括整个脚趾5-4和脚趾连接件5-3。脚趾采用PDMS作为基底，包含多级趾骨5-4-1、爪刺5-4-2、黏附足垫5-4-3；脚趾连接件5-3采用光敏树脂材料打印出的刚性连接件，将一个5只脚趾连接成为一个足掌。脚趾如图8所示，将安乐蜥本身长趾骨结构以多节短小趾骨5-4-1代替，设计出的仿生脚趾。此外，与脚趾底部相结合的部分是具备一定弹性的柔性黏附材料层构成的黏附足垫5-4-3，其表面平整，但带有细微的刚毛结构，黏附方向具备各向异性，用以代替多层刚毛结构的安乐蜥黏附足垫。将刚性爪刺5-4-2嵌入趾骨前端，代替安乐蜥的脚趾前端修长的爪刺结构，有利于机器人在平整表面的附着。各趾骨之间通过较好韧性的牵引线连接，利于足掌对壁面的附着与脱附。

如图9所示为仿安乐蜥爬壁机器人的腿部各关节连接方式示意图。仿安乐蜥躯体功能模组与仿生腿部功能模组是通过步进电机传动轴来连接，即步进电机传动输出轴6-1作为步进电机与仿生腿之间的连接件，作为髋关节。电机传动输出轴嵌入到形状为D型的腿部装配孔4-2，完成腿部与机器人躯体功能模组的连接。

如图9所示，腿部功能模组与黏附足掌是通过踝关节5-2连接。即腿与足掌装配孔4-5足掌装配孔5-1同轴，再将空心铆钉嵌入到两个装配孔中构成踝关节5-2。同时需要保持腿部连杆4-3以及4-6间的相对位置不变，仅需腿部完成Jansen-leg机构的D型平面运动4-4来带动足掌进行相应的抓附和脱附动作。

要完成脊柱和尾部的转动，需要将第一牵引绳2-6把第一牵引点2-4、第一绳孔2-7、第六步进电机12、第二绳孔2-8和第二牵引点2-5按照逆时针顺序串联起来；将第二牵引绳3-1把第三步进电机8、第三绳孔3-2和第三牵引点3-3和各节尾骨3-4中心按照顺序串联起来。此时，第六步进电机12和第三步进电机8转动即可带动脊柱2-3和尾部3的弯曲。

进一步的，如图1所示，此仿安乐蜥机器人整体结构具有四个腿部功能模组，且每条腿均有一只仿生黏附足掌与之相连接，构成四条仿生肢。假设机器人以四足掌均着地为初始状态17，即左前肢13和右前肢14的各关节位置处于同一水平线上，左后肢16和右后肢15的各关节位置处于同一水平线上，构成相对静止状态。当前进时，其脊2-3弯曲带动髋部转动，如图10所示，髋部左转17，左后肢16和右前肢14抬起伸出，左前肢13和右后肢15保持不动，髋部转动到位的同时，左后肢16和右前肢14也放下落位，利用其黏附特性和爪刺5-4-2来附着于壁面；然后髋部右转19，左前肢13和右后肢15抬起伸出，左后肢16和右前肢14保持不动，髋部转动到位的同时，左前肢13和右后肢15也放下落位，附着于壁面。以此为一个运动周期并不断重复，即可完成仿安乐蜥机器人的前进运动。前进过程中，当风速检测传感器10检测到风速变化时，驱动控制电路1-1发出控制信号，驱动电磁铁线圈2-1产生磁场，使磁敏材料制备成的柔性腹部薄膜2-9发生弹性形变而隆起，导致流过机器人上方的气流速度大于流过机器人腹部2下方的气流速度，从而增加了机器人对壁面的正压力和粘附力。与此同时，第六步进电机12受控制来拉动第一牵引绳2-6，带动脊柱2-3弯曲；第三步进电机拉动第二牵引绳3-1带动尾部弯曲。使机器人的形体能够被动的减小风阻以保障机器人能够承受更强的风力影响。通过所述的控制策略，满足机器人在复杂环境下的作业需求。

如图11所示为此仿安乐蜥机器人的控制流程示意图，首先整机控制系统会收到人为给出的一个运动控制指令，将系统上的传感器以及各标志位初始化机器人状态，然后检测机器人当前的姿态和步态并且通过传感器获取风速和风向。若机器人的运动受到风速的影响，则通过调整机器人的步态以及腹部和尾部的转动以达到适应强风干扰；若没有风速干扰后则机器人继续前进，通过输出的PWM信号来驱动机器人的运动。如果检测到系统运动停止的标志位，则先检测机器人状态，然后与静止的的标准状态对比，然后不断调整，直到回归初始状态17后再停止机器人的运动控制。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种仿安乐蜥的抗风振爬附机器人，其特征在于：包括躯体功能模组、足掌功能模组、腿部功能模组以及控制与驱动功能模组；

所述躯体功能模组包括依次相连的头部、脊柱、尾部、设置在脊柱两侧的肋骨、覆盖在肋骨上的腹部薄膜、以及尾部；所述腿部功能模组设置在躯体功能模组上，所述足掌功能模组连接在所述腿部功能模组上；还包括气动功能部分，用于向爬附壁面施加正压，所述气动功能部分设置在所述躯体功能模组或腿部功能模组上；所述仿安乐蜥的抗风振爬附机器人通过腹部形变增加对爬附壁面正压、通过尾部弯曲利用障碍物后端的振荡能量提供被动向前的动力、通过带爪刺的黏附足掌增强攀附能力。

2.根据权利要求1所述的仿安乐蜥的抗风振爬附机器人，其特征在于：所述躯体功能模组以头部连接脊柱，脊柱被肋骨包围，肋骨下方包裹了柔性的腹部薄膜，脊柱连接尾部，所述腿部功能模组与所述躯体功能模组通过步进电机的转动轴进行连接。

3.根据权利要求1所述的仿安乐蜥的抗风振爬附机器人，其特征在于：所述足掌功能模组包括由柔性基体材料制备的模拟安乐蜥足掌刚毛的各向异性黏附特性设计的仿生脚趾及脚趾连接件，所述仿生脚趾包括多节趾骨，使其具备连续弯曲变形能力，并且以牵引线穿过各节趾骨代替肌肉，通过拉动牵引线来实现脚趾的弯曲变形；所述趾骨下方贴合具备黏附能力的仿生足垫，所述仿生足垫上设有刚毛结构，通过改变足垫与接触面之间的范德华力改变其黏附能力。

4.根据权利要求3所述的仿安乐蜥的抗风振爬附机器人，其特征在于：还包括嵌入仿生脚趾前端的刚性爪刺。

5.根据权利要求2所述的仿安乐蜥的抗风振爬附机器人，其特征在于：尾部采用多节尾骨设计，将牵引绳穿过各节尾骨，通过步进电机拉动牵引绳，协助柔性的腹部薄膜完成整机气动特性的调节。

6.根据权利要求1所述的仿安乐蜥的抗风振爬附机器人，其特征在于：所述头部和脊柱连接处嵌入了驱动电机，用于驱动前肢运动，以及脊柱的弯曲动作；所述脊柱与尾部连接处嵌入了驱动电机，用于驱动后肢运动，以及尾部的弯曲动作。

7.根据权利要求1所述的仿安乐蜥的抗风振爬附机器人，其特征在于：所述腹部薄膜形状为肋骨与脊柱共同构成的平面，向远离脊柱和肋骨的方向凸起，在磁场作用下改变凸起程度。

8.根据权利要求1所述的仿安乐蜥的抗风振爬附机器人，其特征在于：所述腿部功能模组是具备D形运动轨迹的平面单自由度8连杆机构。

9.根据权利要求1所述的仿安乐蜥的抗风振爬附机器人，其特征在于：所述的腹部薄膜是采用磁敏材料制备成的可发生形变器件，所述腹部薄膜上方的肋骨内设有用于调节腹部薄膜磁场的磁场施加装置。

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