CN113212584A - 一种柔性多足协同作业攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性多足协同作业攀爬机器人，包括主躯干、若干肢体、脚掌，以及舵机驱动系统、气驱系统和电气控制系统；电气控制系统分别与舵机驱动系统和气驱系统相连接，舵机驱动系统与机器人肢体连通，驱动机器人攀爬；气驱系统与机器人脚掌连通，驱动机器人攀爬过程中的稳定黏附或快速脱附；气驱系统包括气动单元、以及空腔结构和柔性皮瓣结构；气动单元对空腔结构正压充气，脚掌的脚趾下压，柔性皮瓣结构黏附附着面；气动单元对空腔结构负压吸气，脚掌的脚趾上抬，柔性皮瓣结构脱附附着面。本发明能有效解决现有足式攀爬机器人结构复杂、体积和重量大，机器人作业过程中机动性低、刚性末端执行器对附着面的表面适用性较差的问题。

Description

一种柔性多足协同作业攀爬机器人

技术领域

本发明涉及攀爬机器人技术领域，具体涉及一种柔性多足协同作业攀爬机器人。

背景技术

特种机器人的三维空间无障碍运动是未来机器人技术的主要发展方向之一，在灾难搜救、空间探测、危险环境作业、军事侦察等领域具有重要的应用价值。然而机器人的三维空间无障碍运动仍需攻克许多关键问题，其中实现机器人竖直表面的攀爬运动是完成机器人的三位空间的无障碍运动关键难点之一。目前攀爬机器人主要分为轮式、履带式和足式，其中轮式爬壁速度高；履带式承载能力强；足式机器人结构复杂，自由度多，对地形的适应性能力较好，有着较强的越障能力。但目前足式攀爬机器人本体机构与末端执行器的设计主要是以刚性材料为主，其承载能力和运动精度较高，结构复杂，体积和重量偏大，难以实现机器人的轻量化和小型化，在爬行过程中机器人所受重力较大，从而降低了机器人作业过程中的机动性，同时刚性末端执行器对附着面的表面适应性不佳，不适用于光滑平整或有曲率的圆弧表面。因此，亟需设计一种新的技术方案，以综合解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性多足协同作业攀爬机器人，能有效解决现有足式攀爬机器人结构复杂、体积和重量大，机器人作业过程中机动性低、刚性末端执行器对附着面的表面适用性较差的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种柔性多足协同作业攀爬机器人，包括主躯干、安装在主躯干上的若干肢体、分别安装在肢体上的脚掌，以及安装在主躯干上与各肢体相配合的舵机驱动系统、气驱系统和电气控制系统；所述电气控制系统分别与舵机驱动系统和气驱系统相连接，所述舵机驱动系统与机器人肢体连通，驱动机器人攀爬；所述气驱系统与机器人脚掌连通，驱动机器人攀爬过程中的稳定黏附或快速脱附；

所述气驱系统包括能够供气和抽气的气动单元、以及设在脚掌脚趾远附着面的空腔结构和设在脚掌脚趾近附着面的柔性皮瓣结构；所述气动单元对空腔结构正压充气，脚掌的脚趾下压，柔性皮瓣结构黏附附着面；所述气动单元对空腔结构负压吸气，脚掌的脚趾上抬，柔性皮瓣结构脱附附着面。

优选地，空腔结构包括若干沿脚趾长度方向间距布置的凸起，各凸起均中空且连通；柔性皮瓣结构为若干沿脚趾长度方向间距布置的皮瓣，皮瓣近附着面的一端为仿壁虎黏附材料。

优选地，所述气动单元包括供气装置、换向阀、电磁阀和气压传感器，供气装置通过安装支架固定在主躯干上，所述供气装置上设有用于充气的排气端和用于抽气的抽气端，所述排气端和抽气端的主气路上分别设有换向阀，换向阀将主气路分为若干与肢体数量对应的支气路，各支气路分别与自身对应的脚掌进气口连通，且各所述支气路上均设有电磁阀，所述气压传感器设在脚掌进气口处。

优选地，所述舵机驱动系统包括舵机和支架，所述舵机包括控制髋关节的舵机以及控制膝关节的舵机；所述肢体包括髋关节、大腿连杆、膝关节、小腿连杆以及脚掌，所述髋关节一端连接与自身对应的舵机输出轴，髋关节另一端与大腿连杆的一端连接，大腿连杆的另一端与膝关节的一端连接，膝关节的输出轴作为膝关节的另一端与小腿连杆的一端相连，小腿连杆的另一端与脚掌固定连接；控制髋关节的舵机通过支架安装在主躯干上，控制膝关节的舵机通过支架安装在大腿连杆上。

优选地，所述髋关节为二自由度髋关节，所述膝关节为单自由度膝关节。

优选地，所述电气控制系统包括设在主躯干上的主控单元和供电电源，所述舵机驱动系统和气驱系统舵机均与主控单元和供电电源连接。

上述技术方案中提供的柔性多足协同作业攀爬机器人，其电气控制系统分别与舵机驱动系统和气驱系统相连接，通过舵机驱动系统与机器人肢体的连通，实现机器人的攀爬动作；通过气驱系统与机器人脚掌的连通，实现机器人攀爬过程中的稳定黏附与快速脱附；提高机动性和稳定性的同时还提高了机器人的工作效率。

本发明机器人的末端执行器采用柔性仿生脚掌，气驱系统采用气动单元以及设在脚趾远附着面的空腔结构和设在脚趾近附着面的柔性皮瓣结构，利用气动单元对空腔结构进行正压充气，空腔结构受压变形驱动柔性皮瓣结构内收，配合柔性皮瓣结构下端的仿壁虎黏附材料的使用实现仿生脚掌与附着面之间的稳固粘结，实现自主黏附；同理利用气动单元对空腔结构进行负压抽气，空腔结构受压变形驱动脚趾上翘脱附动作，实现自主脱附；有效解决机器人作业过程中机动性低、刚性末端执行器对附着面的表面适用性较差的问题。

同时，本发明合理布置气动单元、舵机驱动系统以及电气控制系统的位置，将气动元器件和相应连接气路集成于机器人主躯干内，其大大节约了气动系统的占用空间，使得肢体结构更加紧凑。

最后，本发明的机器人在生产时可采用刚、柔、软材料，采用3D打印、模具成型、粘合加工技术，使得机器人本体机构融合刚、柔、软材料的共同特性，即在保证具有足够的承载能力和韧性，减轻机器人本体的重量。

附图说明

图1为本发明柔性多足协同作业攀爬机器人的整体结构示意图；

图2为本发明所述肢体和脚掌的结构示意图；

图3为本发明所述脚趾的结构示意图；

图4为本发明所述脚趾正压黏附状态示意图；

图5为本发明所述脚趾负压脱附状态示意图；

图6为本发明所述气动单元的安装结构示意图；

图7为本发明所述气动单元正压气路示意图；

图8为本发明所述气动单元负压气路示意图；

图9为本发明柔性多足协同作业攀爬机器人的气压驱动原理框图；

图10为本发明柔性多足协同作业攀爬机器人的肢体协同作业示意图；

图11为本发明柔性多足协同作业攀爬机器人运行周期状态变化示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。

本发明采取的技术方案如图1～11所示，一种柔性多足协同作业攀爬机器人，包括主躯干1、安装在主躯干1上的四条结构相同的肢体、分别安装在肢体上的脚掌，以及安装在主躯干上与各肢体相配合的舵机驱动系统、气驱系统和电气控制系统；电气控制系统分别与舵机驱动系统和气驱系统相连接，舵机驱动系统与机器人肢体连通，驱动机器人攀爬；气驱系统与机器人脚掌连通，驱动机器人攀爬过程中的稳定黏附或快速脱附；电气控制系统包括设在主躯干上的主控单元和供电电源，舵机驱动系统和气驱系统舵机均与主控单元和供电电源连接；其中舵机驱动系统包括舵机和舵机支架，舵机包括控制髋关节的舵机以及控制膝关节的舵机。

下面以左前方的肢体为例(下称左前肢)，对其结构进行说明。如图2所示，左前肢依次包括左前肢二自由度髋关节2-1(该部分可参考发明专利申请CN108583941A中公开的差动齿轮传动机构)、左前肢大腿连杆2-2、左前肢单自由度膝关节2-3、左前肢小腿连杆2-4、左前脚2-5和三个控制关节运动的舵机，具体为一对左前肢髋关节控制舵机2-6和2-8、一个左前肢膝关节控制舵机2-10；左前肢二自由度髋关节2-1一端连接于左前肢髋关节控制舵机2-6与2-8的输出轴上，同时左前肢髋关节舵机2-6与2-8分别通过左前肢舵机支架2-7与2-9安装固定于机器人机身前端左侧，左前肢二自由度髋关节2-1的另一端与左前肢大腿连杆2-2的一端固定连接，左前肢大腿连杆2-2的另一端与左前肢单自由度膝关节2-3的一端固定连接，左前肢单自由度膝关节2-3由左前肢膝关节控制舵机2-10控制，左前肢膝关节控制舵机2-10安装固定于左前肢大腿连杆2-2上，左前肢单自由度膝关节2-3的输出轴作为膝关节另一端与左前肢小腿连杆2-4的一段相连，左前肢小腿连杆2-4的另一端与左前脚2-5固定连接。

由于机器人的其余肢体与左前肢均相同，此处不做过多详述：右前肢依次包括右前肢二自由度髋关节3-1、右前肢大腿连杆3-2、右前肢单自由度膝关节3-3、右前肢小腿连杆3-4、右前脚3-5、右前肢髋关节舵机3-6与3-8、右前肢舵机支架3-7与3-9、右前肢膝关节控制舵机3-10；右后肢依次包括右后肢二自由度髋关节4-1、右后肢大腿连杆4-2、右后肢单自由度膝关节4-3、右后肢小腿连杆4-4、右后脚4-5、右后肢髋关节舵机4-6与4-8、右后肢舵机支架4-7与4-9、右后肢膝关节控制舵机4-10；左后肢依次包括左后肢二自由度髋关节5-1、左后肢大腿连杆5-2、左后肢单自由度膝关节5-3、左后肢小腿连杆5-4、左后脚5-5、左后肢髋关节舵机5-6与5-8、左后肢舵机支架5-7与5-9、左后肢膝关节控制舵机5-10；

本发明机器人采用仿生脚掌作为末端执行器，气驱系统包括能够供气和抽气的气动单元、以及设在脚掌脚趾远附着面的空腔结构和设在脚掌脚趾近附着面的柔性皮瓣结构；如图3所示，图3(a)是脚掌和脚趾的俯视图，图3(b)是图3(a)A-A方向的剖视图，空腔结构包括若干沿脚趾长度方向间距布置的凸起，各凸起均中空且连通，同时本实施例中凸起的纵截面均为等腰梯形，等腰梯形的大头端与脚趾上表面连接，这样在正压充气和负压抽气时，能够增加脚趾的变形程度，便于快速黏附和脱附；柔性皮瓣结构为若干沿脚趾长度方向间距布置的皮瓣，皮瓣近附着面的一端为仿壁虎黏附材料，以提高脚趾对附着面的附着力。

图4和图5分别为本实施例脚趾正压黏附和负压脱附的状态图，仿生脚掌的黏附和脱附原理如下：气动单元对空腔结构正压充气，脚掌的脚趾下压，柔性皮瓣结构黏附附着面；所述气动单元对空腔结构负压吸气，脚掌的脚趾上抬，柔性皮瓣结构脱附附着面。如图6所示，气动单元包括供气装置(本实施例采用微型气泵6-1)、气泵支架6-2、电磁阀(本实施例采用正压气路二位三通换向阀6-3和负压气路二位三通换向阀6-4)、换向阀集成阀座6-5、多个用于正压通断控制的二位二通电磁阀6-6、多个用于负压通断控制的二位二通电磁阀6-7、电磁阀集成阀座6-8和微型气压传感器6-9；气泵支架6-2、换向阀集成阀座6-5和电磁阀集成阀座6-8安装在主躯干1上，微型气泵6-1安装在气泵支架6-2上，两个二位三通换向阀安装在换向阀集成阀座6-5上，两个二位二通电磁阀安装在电磁阀集成阀座6-8上；整个气动单元连接着左前脚2-5、右前脚3-5、右后脚4-5和左后脚5-5，气动单元与每个脚掌相连气路相同且都合理分布在机器人主躯干1内。

如图7～9所示，微型气泵6-1有排气口和抽气口两个端口，分别对应着正压充气和负压吸气，整个气路的正压气路分布如下：气体从微型气泵6-1排气口流出经过正一口7-1到达换向阀集成阀座6-5的正二口7-2，气体经过正压气路二位三通换向阀6-3流入正三口7-3，随后主气路被分为四条支气路分别与正四口7-4(连接左前脚)、正五口7-5(连接右前脚)、正六口7-6(连接右后脚)、正七口7-7(连接左后脚)连接；整个气路的负压气路分布如下：气体分别从负一口7-11(连接左前脚)、负二口7-12(连接右前脚)、负三口7-13(连接右后脚)、负四口7-14(连接左后脚)四个口进入四条负压支气路，最终汇成主气路流入换向阀集成阀座6-5的负五口7-10，气体经过负压气路二位三通换向阀6-4流入负六口7-9，最终气体经过负七口7-8流入气泵抽气口。同时连接于同一脚掌的正压支气路与负压支气路汇成主气路与脚掌相连，同时在主气路连接管道中安装微型气压传感器6-9实现对脚掌气压的监测，多个二位二通电磁阀、二位三通换向阀、多个微型气压传感器6-9以及锂电池8-2均与主控单元8-1连接。

以左前脚2-5为例，正压充气时，气体从微型气泵6-1排气口流出经过正一口7-1进入到达换向阀集成阀座6-5的正二口7-2，气体经过正压气路二位三通换向阀6-3流入正三口7-3，接着气体进入正压支气路流入电磁阀集成阀座6-8的正四口7-4，气体经过用于正压通断控制的二位二通电磁阀6-6最终流向左前脚2-5的进气口实现对左前脚的正压充气；负压抽气时，气体从左前脚2-5空腔结构内经过用于负压通断控制的二位二通电磁阀6-7流入电磁阀集成阀座6-8的负一口7-11，接着气体沿着负压支路汇入主气路达到换向阀集成阀座6-5的负五口7-10，气体经过负压气路二位三通换向阀6-4流入负六口7-9，最终气体经过负七口7-8流入微型气泵6-1的抽气口从而实现对左前脚2-5的负压吸气，同时在电磁阀集成阀座6-8上安装固定微型气压传感器6-9实现对左前脚空腔结构内气压的实施监测。其他脚掌的连接气路连接方式与元器件使用与本实施例相同。

参考图9，在本实施方案中，左前脚可以实现三种工作状态，第一种为正压充气状态：此时正压气路二位三通换向阀6-3和用于正压通断控制的二位二通电磁阀6-6得电，同时负压气路二位三通换向阀6-4和用于负压通断控制的二位二通电磁阀6-7断电；第二种为保压状态：此时两个二位三通换向阀与两个二位二通电磁阀都保持断电状态；第三种为负压吸气状态：此时负压气路二位三通换向阀6-4和用于负压通断控制的二位二通电磁阀6-7得电，同时正压气路二位三通换向阀6-3和用于正压通断控制的二位二通电磁阀6-6断电。其他脚掌可实现工作状态与左前脚相同。

如图10所示，本发明柔性多足协同作业攀爬机器人的刚性腿与柔性脚掌之间的协同作业过程分析如下：机器人每条肢体都会经历从支撑相到摆动相最后到支撑相的转变，而在此过程中仿生脚掌的状态也会随之变化，以左前肢为例，当左前肢位处于未工作状态时，左前脚2-5处于常压状态；当左前肢处于支撑相时，为了提供稳定的黏附力，左前脚2-5处于正压充气状态；当左前肢从支撑相开始向摆动相转变时，左前脚2-5需要脱离附着面，此时左前脚2-5需负压吸气，实现脚趾的外翻脱附，随即左前肢舵机控制系统控制其向前摆动；当左前肢摆动结束时，即左前肢从摆动相向支撑相转变时，为了提供稳定的黏附力，左前脚2-5状态转换为正压充气状态。机器人其他肢体的单腿协同作业过程与左前肢相同。

如图11所示，本发明柔性多足协同作业攀爬机器人多足之间的协同作业过程分析如下：机器人以对角步态爬行，整个步态周期内机器人左前肢与右后肢状态保持一致，右前肢与左后肢状态保持一致，相对应的左前脚2-5与右后脚4-5的工作状态保持一致，右前脚3-5与左后脚5-5的工作状态保持一致，即当左前肢与右后肢处于支撑相时，右前肢与左后肢处于摆动相，而当左前肢与右后肢处于摆动相时，右前肢与左后肢处于支撑相。四肢在不同相位时刚性腿与仿生脚掌之间的作业过程变化与前段实施方式相同。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种柔性多足协同作业攀爬机器人，其特征在于：包括主躯干、安装在主躯干上的若干肢体、分别安装在肢体上的脚掌，以及安装在主躯干上与各肢体相配合的舵机驱动系统、气驱系统和电气控制系统；所述电气控制系统分别与舵机驱动系统和气驱系统相连接，所述舵机驱动系统与机器人肢体连通，驱动机器人攀爬；所述气驱系统与机器人脚掌连通，驱动机器人攀爬过程中的稳定黏附或快速脱附；

所述气驱系统包括具备供气和抽气功能的气动单元、以及设在脚掌脚趾远附着面的空腔结构和设在脚掌脚趾近附着面的柔性皮瓣结构；所述气动单元对空腔结构正压充气，脚掌的脚趾下压，柔性皮瓣结构黏附附着面；所述气动单元对空腔结构负压吸气，脚掌的脚趾上抬，柔性皮瓣结构脱附附着面。

2.根据权利要求1所述的柔性多足协同作业攀爬机器人，其特征在于：所述空腔结构包括若干沿脚趾长度方向间距布置的凸起，各凸起均中空且连通；所述柔性皮瓣结构为若干沿脚趾长度方向间距布置的皮瓣，所述皮瓣近附着面的一端为仿壁虎黏附材料。

3.根据权利要求1所述的柔性多足协同作业攀爬机器人，其特征在于：所述气动单元包括供气装置、换向阀、电磁阀和气压传感器，供气装置通过安装支架固定在主躯干上，所述供气装置上设有用于充气的排气端和用于抽气的抽气端，所述排气端和抽气端的主气路上分别设有换向阀，换向阀将主气路分为若干与肢体数量对应的支气路，各支气路分别与自身对应的脚掌进气口连通，且各所述支气路上均设有电磁阀，所述气压传感器设在脚掌进气口处。

4.根据权利要求1所述的柔性多足协同作业攀爬机器人，其特征在于：所述舵机驱动系统包括舵机和支架，所述舵机包括控制髋关节的舵机以及控制膝关节的舵机；所述肢体包括髋关节、大腿连杆、膝关节、小腿连杆以及脚掌，所述髋关节一端连接与自身对应的舵机输出轴，髋关节另一端与大腿连杆的一端连接，大腿连杆的另一端与膝关节的一端连接，膝关节的输出轴作为膝关节的另一端与小腿连杆的一端相连，小腿连杆的另一端与脚掌固定连接；控制髋关节的舵机通过支架安装在主躯干上，控制膝关节的舵机通过支架安装在大腿连杆上。

5.根据权利要求1所述的柔性多足协同作业攀爬机器人，其特征在于：所述电气控制系统包括设在主躯干上的主控单元和供电电源，所述舵机驱动系统和气驱系统均与主控单元和供电电源连接。

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