CN114030535A

CN114030535A - 一种基于钩爪与黏附足垫协同作用的仿生爬壁机器人

Info

Publication number: CN114030535A
Application number: CN202111270642.XA
Authority: CN
Inventors: 吉爱红; 韩青非
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2021-10-29
Filing date: 2021-10-29
Publication date: 2022-02-11
Anticipated expiration: 2041-10-29
Also published as: CN114030535B

Abstract

本发明提供了一种基于钩爪与黏附足垫协同作用的仿生爬壁机器人，爬壁机器人的前机体与后机体之间设置有柔性脊椎作为腰部关节，柔性脊椎由万向节、弹簧和脊椎架组成，使得爬壁机器人在爬行过程中能够实现小半径转弯功能。本发明所述爬壁机器人的附着装置中的脚掌包括了钩爪式脚掌和黏附垫式脚掌，在俯仰舵机和进退舵机的综合控制下，使得爬壁机器人不仅能实现在竖直的砖墙面、混凝土表面等粗糙壁面爬行，还能实现在竖直的玻璃面、亚克力板面等光滑壁面爬行，具有良好的环境适应能力和爬行能力。本发明通过阻尼转轴将爬壁机器人尾巴与后机体连接，可以调节尾巴角度，抵抗爬行时的倾覆力矩，保证爬行的稳定性。

Description

一种基于钩爪与黏附足垫协同作用的仿生爬壁机器人

技术领域

本发明属于攀爬机器人技术领域，尤其涉及一种基于钩爪与黏附足垫协同作用的仿生爬壁机器人。

背景技术

爬壁机器人是指能够在地面、墙面或天花板上自如运动的可控移动平台系统，是特种机器人的重要分支。爬壁机器人在反恐、救援、首脑保卫、特种侦察等有关公共和国家安全领域以及在狭小空间检测、城市市容服务等行业均具有广泛的应用。

目前，针对能够在不同粗糙度壁面甚至是天花板爬行的机器人的研究成果已有不少，但是距离真正实用还有较长的一段路要走，其中关键就在于大多数爬壁机器人仅能完成单一壁面的爬壁功能，无法像自然界诸多爬壁生物一样可以同时在粗糙与光滑表面爬行，更无法如同壁虎等生物一样在壁面上弯曲爬行，以上这些都制约着爬壁机器人技术的进一步发展和实际应用前景，成为了爬壁机器人领域亟待突破的技术问题。

目前国内外比较有代表性的能够在光滑与粗糙壁面爬行的机器人，包括中国科学技术大学的多模式轮履型仿生爬壁机器人和美国JPL（喷气推进实验室）的LEMUR 3机器人。这些机器人可以在一定程度上实现不同壁面爬行功能，但也存在着以下方面的不足：

（1）爬壁机器人没有腰部关节，难以实现壁面小半径转弯功能；

（2）爬壁机器人整体结构与控制相对复杂，制作工艺较难，不易于实现。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于钩爪与黏附足垫协同作用的仿生爬壁机器人，基于俯仰舵机和进退舵机的综合控制，利用钩爪式脚掌或黏附式脚掌，能够实现在粗糙壁面或光滑壁面的爬行动作，具有良好的环境适应能力。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于钩爪与黏附足垫协同作用的仿生爬壁机器人，包括安装有控制装置的前机体，前机体通过柔性脊椎与后机体连接；前机体两侧、后机体两侧均对称安装有一组附着装置，前机体以及后机体上均对称安装有两个进退舵机，附着装置通过连接板与进退舵机连接；

附着装置包括俯仰舵机架，仰舵机架相对的两侧壁上均安装有俯仰舵机，两个俯仰舵机的输出轴均分别连接有齿轮组，靠近柔性脊椎的齿轮组通过连杆与钩爪式脚掌连接，远离柔性脊椎的齿轮组通过第二L型连片与黏附垫式脚掌连接；进退舵机、俯仰舵机架均与控制装置信号连接。

进一步地，靠近所述柔性脊椎的俯仰舵机输出轴与第一主动齿轮连接，第一主动齿轮与安装在俯仰舵机架一侧的第一被动齿轮啮合传动，第一被动齿轮上固定有连杆，连杆另一端固定有钩爪式脚掌，钩爪式脚掌末端下表面安装有钩爪。

进一步地，远离所述柔性脊椎的俯仰舵机输出轴与第二主动齿轮连接，第二主动齿轮与安装在俯仰舵机架另一侧的第二被动齿轮啮合传动；第二主动齿轮以及第二被动齿轮上均固定有第二L型连片，第二L型连片另一端下表面均安装有黏附垫式脚掌，黏附垫式脚掌下表面均安装有仿生黏附垫。

进一步地，所述俯仰舵机架底部安装有第一连接板，第一连接板另一端对称安装有两个第二连接板，第二连接板均与进退舵机的输出轴连接。

进一步地，所述后机体的后端通过阻尼转轴安装有尾巴，尾巴为倒三角结构，尾巴末端贴在爬行壁面上。

进一步地，所述柔性脊椎包括万向节、弹簧以及脊椎架，脊椎架分为前端脊椎架、后端脊椎架、中部脊椎架，其中，前端脊椎架一侧、后端脊椎架一侧、中部脊椎架两侧均设置有用于安装万向节的空心圆柱状凸起，脊椎架之间通过万向节相连，弹簧套设在万向节上。

进一步地，所述脊椎架由树脂材料经3D打印制成。

进一步地，所述柔性脊椎两端均通过第一L型连片分别固定在前机体和后机体上。

进一步地，所述控制装置是以STM32为主控芯片的主控制板。

进一步地，所述爬壁机器人中的舵机驱动板采用5V供电，由7.4V的锂电池经过稳压模块后供给。

本发明具有如下有益效果：

本发明所提供的爬壁机器人附着装置中的脚掌包括了钩爪式脚掌和黏附垫式脚掌，使得爬壁机器人不仅能实现在竖直的砖墙面、混凝土表面等粗糙壁面爬行，还能实现在竖直的玻璃面、亚克力板面等光滑壁面爬行，适用范围更广。本发明在前机体与后机体之间设置了柔性脊椎作为爬壁机器人的腰部关节，使得爬壁机器人在爬行过程中能够实现小半径转弯功能，运动更加灵活。

此外，本发明通过阻尼转轴将爬壁机器人尾巴与后机体连接，可以调节尾巴角度，抵抗爬行时的倾覆力矩，保证爬行的稳定性。本发明所提供的爬壁机器人整体结构易于设计，爬行稳定性好，易于控制，附着机构安排合理，具有良好的环境适应能力和爬行能力。

附图说明

图1为本发明所述爬壁机器人结构示意图；

图2为本发明所述柔性脊椎结构示意图；

图3为本发明所述附着装置结构示意图；

图4为本发明所述爬壁机器人俯视图；

图5为本发明所述爬壁机器人侧面结构示意图。

图中：1-前机体；2-控制装置；3-附着装置；300-俯仰舵机架；301-俯仰舵机；302-第一主动齿轮；303-第一被动齿轮；304-第二主动齿轮；305-第二被动齿轮；306-钩爪式脚掌；307-黏附垫式脚掌；308-第二L型连片；309-连杆；310-第一连接板；311-第二连接板；4-柔性脊椎；400-万向节；401-弹簧；402-脊椎架；5-后机体；6-进退舵机；7-尾巴。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“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，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”的使用也均是为了区分各名称相同的部件，因此不能理解为对本发明的限制；术语“安装”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通；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在本发明中的具体含义。

如图1、4、5所示，本发明所述的基于钩爪与黏附足垫协同作用的仿生爬壁机器人，包括前机体1、控制装置2、柔性脊椎4、后机体5、附着装置3以及尾巴7。控制装置2安装在前机体1上，前机体1与后机体5之间通过柔性脊椎4连接，后机体5的后端安装有尾巴7；前机体1两侧、后机体5两侧均对称安装有一组附着装置3，且爬壁机器人上的所有附着装置3结构完全相同。

如图2所示，柔性脊椎4包括万向节400、弹簧401以及脊椎架402，本实施例中，优选地，万向节400、弹簧401的数量均为四个，脊椎架402的数量为五个。脊椎架402为带有空心圆柱状凸起的板状结构，由树脂材料经3D打印制成，脊椎架402分为前端脊椎架、后端脊椎架以及中部脊椎架，其中，前端脊椎架一侧、后端脊椎架一侧、中部脊椎架两侧均设置有用于安装万向节400的空心圆柱状凸起。脊椎架402之间通过万向节400相连，万向节400通过螺丝固定在脊椎架402的空心圆柱状凸起结构中，万向节400的存在使得爬壁机器人能够实现在竖直壁面小半径转弯功能。弹簧401套设在万向节400上，用于防止爬壁机器人腰部关节随意转动，增强爬壁机器人爬行的稳定性。前端脊椎架、后端脊椎架均通过第一L型连片以及螺丝分别固定在前机体1和后机体5上。

如图3、4、5所示，附着装置3包括俯仰舵机架300、两个俯仰舵机301、一个钩爪式脚掌306、两个黏附垫式脚掌307；俯仰舵机架300截面为凹字形，两个俯仰舵机301分别通过螺栓螺母安装在俯仰舵机架300相对的两侧壁上。靠近爬壁机器人机体的俯仰舵机301输出轴与第一主动齿轮302连接，第一主动齿轮302与安装在俯仰舵机架300一侧的第一被动齿轮303啮合传动，第一被动齿轮303上固定有连杆309，连杆309另一端为扇形，且通过螺栓螺母固定有钩爪式脚掌306，钩爪式脚掌306末端下表面安装有钩爪。远离爬壁机器人机体的俯仰舵机301输出轴与第二主动齿轮304连接，第二主动齿轮304与安装在俯仰舵机架300另一侧的第二被动齿轮305啮合传动；第二主动齿轮304以及第二被动齿轮305上均固定有第二L型连片308，第二L型连片308另一端下表面均通过螺栓螺母安装有黏附垫式脚掌307，黏附垫式脚掌307下表面均安装有仿生黏附垫。俯仰舵机架300底部安装有第一连接板310，第一连接板310另一端对称安装有两个第二连接板311，第二连接板311均与进退舵机6的输出轴连接。

进退舵机6工作时，其输出轴做前后方向的运动，从而控制附着装置3做前进或后退的动作，俯仰舵机301工作时，其输出轴做旋转运动，带动相应齿轮转动，从而控制附着装置3中相应脚掌做抬起或落下的动作。实际使用中，在粗糙壁面上，爬壁机器人基于钩爪式脚掌306实现爬行功能，且以对角步态爬行；在光滑壁面上，爬壁机器人基于黏附垫式脚掌307实现爬行功能，且以三角步态爬行；改变俯仰舵机301的输出角度可以调节相应脚掌间的夹角以及脚掌与爬壁机器人机身所在平面的角度。

如图4所示，本发明所述爬壁机器人共有四个附着装置3，每个附着装置3由一个进退舵机6和两个俯仰舵机301进行控制，四个进退舵机6均通过螺栓螺母分别固定在前机体1和后机体5上。

俯仰舵机301、进退舵机6均与控制装置2信号连接，控制装置2是以STM32为主控芯片的主控制板，控制装置2输出控制信号控制各个舵机的动作，从而控制爬壁机器人在不同的壁面上实现爬行动作；爬壁机器人中的舵机驱动板采用5V供电，由7.4V的锂电池经过稳压模块后供给。

如图1、4所示，后机体5的后端通过阻尼转轴安装有尾巴7，尾巴7为倒三角结构，通过阻尼转轴转动尾巴7能够使尾巴7末端贴在爬行壁面上，可以抵消爬壁机器人壁面爬行的倾覆力矩，提高爬行稳定性。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于钩爪与黏附足垫协同作用的仿生爬壁机器人，其特征在于，包括安装有控制装置（2）的前机体（1），前机体（1）通过柔性脊椎（4）与后机体（5）连接；前机体（1）两侧、后机体（5）两侧均对称安装有一组附着装置（3），前机体（1）以及后机体（5）上均对称安装有两个进退舵机（6），附着装置（3）通过连接板与进退舵机（6）连接；

附着装置（3）包括俯仰舵机架（300），仰舵机架（300）相对的两侧壁上均安装有俯仰舵机（301），两个俯仰舵机（301）的输出轴均分别连接有齿轮组，靠近柔性脊椎（4）的齿轮组通过连杆（309）与钩爪式脚掌（306）连接，远离柔性脊椎（4）的齿轮组通过第二L型连片（308）与黏附垫式脚掌（307）连接；进退舵机（6）、俯仰舵机架（300）均与控制装置（2）信号连接。

2.根据权利要求1所述的基于钩爪与黏附足垫协同作用的仿生爬壁机器人，其特征在于，靠近所述柔性脊椎（4）的俯仰舵机（301）输出轴与第一主动齿轮（302）连接，第一主动齿轮（302）与安装在俯仰舵机架（300）一侧的第一被动齿轮（303）啮合传动，第一被动齿轮（303）上固定有连杆（309），连杆（309）另一端固定有钩爪式脚掌（306），钩爪式脚掌（306）末端下表面安装有钩爪。

3.根据权利要求2所述的基于钩爪与黏附足垫协同作用的仿生爬壁机器人，其特征在于，远离所述柔性脊椎（4）的俯仰舵机（301）输出轴与第二主动齿轮（304）连接，第二主动齿轮（304）与安装在俯仰舵机架（300）另一侧的第二被动齿轮（305）啮合传动；第二主动齿轮（304）以及第二被动齿轮（305）上均固定有第二L型连片（308），第二L型连片（308）另一端下表面均安装有黏附垫式脚掌（307），黏附垫式脚掌（307）下表面均安装有仿生黏附垫。

4.根据权利要求1所述的基于钩爪与黏附足垫协同作用的仿生爬壁机器人，其特征在于，所述柔性脊椎（4）包括万向节（400）、弹簧（401）以及脊椎架（402），脊椎架（402）分为前端脊椎架、后端脊椎架、中部脊椎架，其中，前端脊椎架一侧、后端脊椎架一侧、中部脊椎架两侧均设置有用于安装万向节（400）的空心圆柱状凸起，脊椎架（402）之间通过万向节（400）相连，弹簧（401）套设在万向节（400）上。