CN113998024B - 一种高适应性复合抓附结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高适应性复合抓附结构，包括干粘附系统，用于利用范德华力完成接触表面的干粘附的抓附；吸盘吸附系统，用于利用负压吸附光滑表面；爪刺对抓系统，用于与粗糙表面的抓附；外壳驱动装置，套接在磁力吸附系统上，用于驱动干粘附系统和吸盘吸附系统的上下运动，并带动爪刺对抓系统的张开动作；磁力吸附系统，用于通电后与磁性表面的磁力吸附，下行时与吸盘吸附系统接触对吸盘吸附系统进行密封，上行时与吸盘吸附系统脱离；并用于带动爪刺对抓系统的收缩动作。本发明可在多类型复杂表面完成抓附。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，特别是一种高适应性复合抓附结构。
背景技术
爬壁机器人可以在竖直甚至负角度进行无障碍运动，大大拓展了机器人的工作范围，可以满足复杂环境下作业的需求。爬壁机器人应用领域广泛，可应用于星际探险、军事侦察、紧急救援(地震、火灾等)、建筑物外墙清洁以及空间站的舱外检修等复杂非结构环境。而爬壁机器人的核心在于其粘附能力。通常，不同的粘附方式对应不同的目标表面，而粘附方式也一定程度影响了微小型机器人的运动方式。目前主流的粘附方式有正压或负压吸附、磁力吸附、粘接剂吸附、静电吸附、干粘附以及爪刺抓附等。其中正压和负压吸附方式依靠大气压力，需要光滑表面。磁力吸附依靠磁力，需要金属表面。粘接剂吸附依靠黏性液体，需要洁净表面。静电吸附依靠静电吸附力，产生吸附力较小，适用于较轻的机器人。干粘附方式依靠范德华力，适用于较光滑表面。爪刺抓附依靠摩擦力，适用于粗糙表面。
目前压力吸附、磁力吸附、静电吸附比较受本身限制，需要对应的配套设备，体积较大且耗能。静电吸附需要较大电压，吸附能力弱。较为优秀的是干粘附方式和爪刺抓附方式，前者如戴振东教授在《仿蝗虫脚掌的机器人脚结构设计及其优化》一文中，模仿壁虎的微米级刚毛阵列；后者模仿金龟科甲虫爪足尖端，如刘彦伟教授在《爪刺式爬壁机器人仿生机理与系统研究》一文中，采用仿生爪刺抓附式原理设计制造了爬壁机器人。以上吸附方式都有许多较为优秀的机器人样机。但所有方式的不足在于，上述抓附方式适用的表面范围较为狭窄，通常只能在固定的一种或几种表面使用。而现实中存在的表面非常复杂，自然和人造的表面中，不同材料，不同粗糙度，不同硬度，不同角度的表面类型非常多，有的表面甚至是多种类型混合。为了适应如此复杂的情况，壁虎同时使用微小刚毛阵列的干粘附方式和爪子的爪刺抓附，且苍蝇同时使用干粘附方式，爪刺抓附方式，真空吸附方式和黏液粘附。虽然目前有可以更换粘附机构和同时使用干粘附足和爪刺足的机器人，但还没有能真正将几种吸附方式高度集成的相关研究，而这正是使爬壁机器人能像苍蝇或者壁虎自由在多种表面运动的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高适应性复合抓附结构，解决了传统抓附结构单一的抓附方式，可在多类型复杂表面完成抓附。通过结构接触感知不同表面，自动切换对应的抓附方式。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种高适应性复合抓附结构，包括：
干粘附系统，用于利用范德华力完成接触表面的干粘附的抓附；
吸盘吸附系统，用于利用负压吸附光滑表面；
爪刺对抓系统，用于与粗糙表面的抓附；
外壳驱动装置，套接在磁力吸附系统上，用于驱动干粘附系统和吸盘吸附系统的上下运动，并带动爪刺对抓系统的张开动作；
磁力吸附系统，用于通电后与磁性表面的磁力吸附，下行时与吸盘吸附系统接触对吸盘吸附系统进行密封，上行时与吸盘吸附系统脱离；并用于带动爪刺对抓系统的收缩动作。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)传统的抓附结构只能抓附单一性质表面，而本发明可以抓附多种复杂类型表面；本发明高度集成爪刺抓附、干粘附、负压吸附和磁力吸附结构，同时拥有抓附粗糙表面、光滑表面和金属表面的能力。
(2)对于不同的表面，只需要使用同一种简单的控制方式就可以完成粘附与脱落。
(3)拓展性强，可通过改变尺寸和阵列排布，应用于各种尺寸的爬壁机器人的抓附系统。
附图说明
图1为本发明的高适应性复合抓附结构的整体结构示意图。
图2为本发明的外壳驱动装置的结构示意图。
图3为本发明的爪刺对抓系统中单个爪足的结构示意图。
图4为本发明的磁力吸附系统的结构示意图。
图5为本发明的干粘附系统和吸盘吸附系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1-图5，本发明将爪刺抓附、干粘附、负压吸附和磁吸附结构高度集成，实现多种抓附方式混合的结构，在多类型复杂表面都能展现较强的粘附力，设计高适应性复合抓附结构。
结合图1，本发明高适应性复合抓附结构，包括外壳驱动装置I、爪刺对抓系统II、干粘附系统III、吸盘吸附系统IV、磁力吸附系统V；
所述外壳驱动装置I包括第一舵机1、套筒2；所述第一舵机1与机器人本体(或机器人腿部)固定，所述第一舵机1与拉杆上端转动连接，拉杆下端与套筒2连接，套筒2套接在吸盘吸附系统III的下压轴16上。所述吸盘吸附系统III固定在套筒2下端，所述干粘附系统III设置在吸盘吸附系统III一周。
所述磁力吸附系统V包括导线13、第二舵机15、下压轴16、圆柱状电磁铁14，所述第二舵机15与机器人本体(或机器人腿部)固定，所述第二舵机15与下压轴16相连，用于带动下压轴16上下移动，所述下压轴16下端设有圆柱状电磁铁14，圆柱状电磁铁14通过导线13与机器人本体上的电池连接，通过导线13实现圆柱状电磁铁14的磁性控制。所述圆柱状电磁铁14外圆上设有一圈橡胶圈15，用于与吸盘吸附系统IV配合，完成密封。所述圆柱状电磁铁14上端沿周向等间隔的设有多个楔形块17，用于连接爪刺对抓系统II。
所述爪刺对抓系统II包括沿外壳驱动装置I周向均匀布置的多个爪足，单个爪足由外壳6、两个弹簧7、两个爪刺8、两个金属爪钩9组成。其中外壳6后端设有滑动槽5，外壳6后端穿过套筒2的导向槽4后与楔形块17相连，楔形块17上端穿过滑动槽5，对外壳6后端进行限位，外壳6后端通过滑动槽5能够相对楔形块17滑动，但无法脱开。所述套筒2底部设有一圈支撑轴3，所述爪刺8后端设有通孔12，支撑轴3穿过爪刺8上的通孔12，所述爪刺8中间设有弧形槽10，弧形槽圆心与支撑轴3或通孔12事物轴心相同，所述外壳8前端设有导向轴11，导向轴11穿过两个爪刺8上的弧形槽10，爪刺8前端底部设有金属爪钩9。所述爪刺8与外壳6之间设有弹簧7。
所述干粘附系统III所含的干粘附片19环绕在吸盘吸附系统IV外部，干粘附片19内部整齐排列微型刚毛列阵，吸盘吸附系统IV由橡胶20构成，连接于套筒2内部。
机器人的每个腿部均设置有一个复合抓附结构，机器人腿部下行过程中，外壳驱动装置I和磁力吸附系统V一起随机器人腿部下行；爪刺对抓系统II首先接触地面，然后干粘附系统III、吸盘吸附系统IV依次接触地面，第一舵机1推动套筒2下行，套筒2通过外壳6带动爪刺8下压，同时套筒2下压吸盘吸附系统IV，将空气从中间向上排出，第二舵机12驱动下压轴16下行，圆柱状电磁铁14接触地面，导线13通电，同时圆柱状电磁铁14上的橡胶圈18与吸盘吸附系统IV顶端接触，对吸盘吸附系统IV顶端进行密封。器人腿部上行时，套筒2断电，第一舵机1和第二舵机15同时反向驱动，圆柱状电磁铁14先上行将橡胶圈18与吸盘吸附系统IV顶端分离，使得空气能够进入吸盘吸附系统IV，第一舵机1带动套筒2上下行，干粘附系统III、吸盘吸附系统IV与地面脱离。
本发明的抓附机构采用刚柔耦合结构，拥有一定的韧性和延展性，且具备一定的抗冲击能力，能够抵抗部分外力的影响，可在多种复杂表面切换不同吸附模式实现抓附。第一舵机1控制套筒2下压，六个爪足的爪刺8随套筒2上的支撑轴3移动，爪刺8通过弧形槽10和导向轴11向上翘起呈张开状态。然后第二舵机15下行，带动外壳6并通过导向轴11下压爪刺8，使绕支撑轴3转动并收缩，六个爪足与接触表面接触时整体对呈称阵列收缩，爪刺尖端的金属爪钩9与粗糙表面发生摩擦自锁，完成抓附。干粘附片19随着套筒2下压接触表面，干粘附片19上的微型刚毛阵列收缩利用范德华力完成干粘附的抓附方式。当接触光滑表面，橡胶吸盘20利用负压吸附抓附表面。舵机12控制下压轴16下压，与下压轴16相连的电磁铁14外接导线装置13，实现在磁性表面的粘附-脱附运动。六个爪足整体对称阵列张开，依次完成脱附。第二舵机12控制下压轴16上拉，橡胶圈18脱离橡胶19，完成吸盘脱附。第一舵机1控制套筒2上拉，干粘附片19上的微型刚毛阵列张开。
Claims (4)
1.一种高适应性复合抓附结构，其特征在于，包括：
干粘附系统，用于利用范德华力完成接触表面的干粘附的抓附；
吸盘吸附系统，用于利用负压吸附光滑表面；
爪刺对抓系统，用于与粗糙表面的抓附；
外壳驱动装置，套接在磁力吸附系统上，用于驱动干粘附系统和吸盘吸附系统的上下运动，并带动爪刺对抓系统的张开动作；
磁力吸附系统，用于通电后与磁性表面的磁力吸附，下行时与吸盘吸附系统接触对吸盘吸附系统进行密封，上行时与吸盘吸附系统脱离；并用于带动爪刺对抓系统的收缩动作；
所述磁力吸附系统包括第二舵机、下压轴、圆柱状电磁铁；
所述第二舵机与下压轴相连，用于带动下压轴上下移动，所述下压轴下端设有圆柱状电磁铁所述圆柱状电磁铁外圆上设有一圈橡胶圈，用于下行时与吸盘吸附系统配合完成密封，且上行时与吸盘吸附系统分离；
所述外壳驱动装置包括第一舵机、套筒；所述第一舵机与拉杆铰接，拉杆与套筒连接，套筒套接在下压轴上；
所述爪刺对抓系统包括沿外壳驱动装置周向均匀布置的多个爪足，单个爪足包括外壳、弹簧、爪刺、爪钩；
所述圆柱状电磁铁上端沿周向等间隔的设有多个楔形块，所述外壳后端设有滑动槽，楔形块上端穿过滑动槽，外壳后端通过滑动槽能够相对楔形块滑动，但无法脱开；所述套筒底部设有支撑轴，所述爪刺后端套接在支撑轴上；所述爪刺中间设有弧形槽，弧形槽圆心与支撑轴轴心相同，所述外壳前端设有导向轴，导向轴穿过爪刺上的弧形槽，爪刺前端底部设有爪钩；所述爪刺上与外壳之间设有弹簧。
2.根据权利要求1所述的高适应性复合抓附结构，其特征在于，所述爪刺、爪钩、弹簧的数量均为两个。
3.根据权利要求1所述的高适应性复合抓附结构，其特征在于，吸盘吸附系统采用橡胶制成。
4.根据权利要求1所述的高适应性复合抓附结构，其特征在于，其控制方法为：
下行时，外壳驱动装置首先下行，干粘附系统、吸盘吸附系统依次接触待抓附表面，并带动爪刺对抓系统的爪刺张开，然后磁力吸附系统下行，与吸盘吸附系统接触并密封，并带动爪刺对抓系统的收缩；
上行时，磁力吸附系统断电并上行，与吸盘吸附系统分离解除密封，并带动爪刺对抓系统的张开，然后外壳驱动装置上行，完成干粘附系统、吸盘吸附系统与待抓附表面的分离。
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