CN114940224A - 一种基于形状可重构屈曲梁驱动的爬行机器人 - Google Patents

Abstract

一种基于形状可重构屈曲梁驱动的爬行机器人，涉及一种爬行机器人。爬行腿由圆柱体腿部和L形滑块组成，两个圆柱体腿部布置在负载平台两侧，侧壁沿轴向凹设滑槽，滑槽边缘设置n个带孔凸起，两个L形滑块短端部滑动放置在对应的滑槽内，长端部设置与圆柱体腿部数量相等并错位排布的带孔凸起，薄壁梁包括并列排布的2n个窄条梁，窄条梁一端形成公共端部与负载平台固连，另一端设置接孔形成离散端部与对应的带孔凸起铰接，控制模块控制两个L形滑块的相对位移，进而使薄壁梁侧向屈曲变形实现爬行腿水平和竖直方向的位置变化。采用薄壁梁作为柔性结构，通过驱动其侧向屈曲变形调控爬行腿动作，保证负载的同时具备良好的变形能力。

Description

一种基于形状可重构屈曲梁驱动的爬行机器人

技术领域

本发明涉及一种爬行机器人，尤其是一种基于形状可重构屈曲梁驱动的爬行机器人，属于机器人技术领域。

背景技术

传统的机器人大多是刚性模块组装而成，由于其变形机构多为刚性结构、尺寸及重量较大且结构相对复杂，对工作环境具有较强的依赖性。而相比于传统刚性机器人，柔性机器人近年来成为机器人技术领域的重要分支，其具有变形空间大、灵活性高和抗冲击能力强等特点，能够更好的适应各种环境，可通过单一的驱动方式完成一些复杂的动作。然而，目前柔性机器人中采用的柔性机构多为智能材料、绳驱动器以及流体驱动器等，具有价格昂贵、体积大、难以组合使用以及需要复杂的外部辅助系统等缺点。

爬行机器人常规的移动方式主要有车轮式、履带式和足式。其中，车轮式移动方式的障碍通过能力比较差，对路况有很高的要求，而履带式移动方式有较好的通过性，但其结构复杂，维护困难。相比之下，足式移动方式具有越障能力强、携带负载能力强的优点，但当前的足式爬行机器人大多是通过设计多连杆驱动的多足部满足运动要求，其结构以及驱动控制系统过于复杂，对机器人的维护提出了很高的要求。

中国专利CN 114102555A公开了一种基于复合薄膜应激变形的仿生微型机器人，采用足式移动方式，大幅提升了机器人的运动能力，具备结构重量轻、柔性可变的优点，但是薄膜弯曲和展开两种变形模式限制了其在复杂路况的爬行。

中国专利CN 114343543A公开了一种柔性驱动器和软体爬行机器人，能够实现直线伸缩运动和多个方向的弯曲运动，灵活性高，但其柔性结构承载能力低，工作时需外部电源加载，无法具备机载电源的能力。

因此，亟需一种足式爬行机器人来综合柔性机器人的优点，解决大负载力和变形灵活性矛盾的问题，实现机器人负载足够大的同时具备良好的变形能力。

发明内容

为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种基于形状可重构屈曲梁驱动的爬行机器人，它采用薄壁梁作为柔性结构，通过驱动其侧向屈曲变形调控爬行腿动作，保证负载的同时具备良好的变形能力，简单高效。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种基于形状可重构屈曲梁驱动的爬行机器人，包括负载平台、控制模块、两组薄壁梁以及两个爬行腿，所述负载平台为爬行机器人的躯干部位用于搭载控制模块及外部重物，所述两个爬行腿分别由圆柱体腿部和L形滑块两部分组成，两个所述圆柱体腿部水平并列布置在负载平台两侧，圆柱体腿部侧壁朝向负载平台位置沿轴向凹设有一条滑槽，圆柱体腿部侧壁位于所述滑槽边缘一体设置n个带孔凸起，n为正整数，两个所述L形滑块对称设置且短端部分别滑动放置在对应圆柱体腿部的滑槽内，L形滑块长端部一体设置与圆柱体腿部数量相等的带孔凸起，且L形滑块与圆柱体腿部的所述带孔凸起错位排布，所述两组薄壁梁为弹簧钢片切割制成的一体式构件，且初始为无应力的水平状态，每组薄壁梁包括并列排布的2n个窄条梁，所述窄条梁一端横向连接为一体形成公共端部与负载平台固定连接，窄条梁另一端设置接孔形成离散端部与圆柱体腿部及L形滑块对应的带孔凸起铰接配合，所述控制模块能够控制两个L形滑块在滑槽内的相对位移，进而使薄壁梁侧向屈曲变形实现爬行腿水平和竖直方向的位置变化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用薄壁梁作为柔性结构有助于轻量化设计，结合其与爬行腿的装配形式，仅需通过微型直线电机驱动其侧向屈曲变形，即可调控出多个可重构形状，进而调控两个爬行腿抬起和放下动作，具有较好的障碍通过性，降低对爬行路径的要求，负载平台搭载控制模块及外部重物，能够实现无绳约束，通过薄壁梁变形程度的控制即可调控负载平台的承载力，使机器人保证负载的同时具备良好的变形能力，整体结构简单高效，具有良好的推广应用价值。

附图说明

图1是本发明的整体结构轴测图，控制模块未示出；

图2是本发明的拆分结构示意图，控制模块未示出；

图3是本发明爬行机器人一个爬行腿抬起另一个爬行腿伸直状态示意图；

图4是本发明爬行机器人一个爬行腿着地另一个爬行腿伸直状态示意图；

图5是本发明爬行机器人一个爬行腿抬起另一个爬行腿着地状态示意图；

图6是本发明爬行机器人两个爬行腿着地状态示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～图2所示，一种基于形状可重构屈曲梁驱动的爬行机器人，包括负载平台1、控制模块、两组薄壁梁2以及两个爬行腿3。

所述负载平台1可设置为内部空心的长方体形状，为爬行机器人的躯干部位用于搭载控制模块及外部重物，负载平台1两侧设置条状突起便于与薄壁梁2的公共端部22进行连接。

所述两个爬行腿3分别由圆柱体腿部31和L形滑块32两部分组成，两个所述圆柱体腿部31水平并列布置在负载平台1两侧，圆柱体腿部31侧壁朝向负载平台1位置沿轴向凹设有一条滑槽，圆柱体腿部31侧壁位于所述滑槽边缘一体设置n个带孔凸起，n为正整数，本实施方式中n取3，两个所述L形滑块32对称设置且短端部分别滑动放置在对应圆柱体腿部31的滑槽内，L形滑块32长端部一体设置与圆柱体腿部31数量相等的带孔凸起，且L形滑块32与圆柱体腿部31的所述带孔凸起错位排布。

所述两组薄壁梁2为高弹性的弹簧钢片切割制成的一体式构件，且初始为无应力的水平状态，每组薄壁梁2包括并列排布的2n个窄条梁21，所述窄条梁21一端横向连接为一体形成公共端部22与负载平台1固定连接，窄条梁21另一端设置接孔形成离散端部23与圆柱体腿部31及L形滑块32对应的带孔凸起铰接配合。高弹性的弹簧钢片制成薄壁梁2，可使离散端部23受到大的侧向位移时，窄条梁21不产生塑性变形或破坏。其中，公共端部22宜采用可拆卸形式的固定连接，离散端部23宜采用可拆卸形式的铰接，以便于薄壁梁2的更换，实现可重复组装与维护。

所述控制模块能够控制两个L形滑块32在滑槽内的相对位移，进而使薄壁梁2侧向屈曲变形实现爬行腿3水平和竖直方向的位置变化。具体的，控制模块包括电源、控制系统及两个微型直线电机，所述电源及所述控制系统搭载在负载平台1上，所述两个微型直线电机分别沿轴向布置固定在两个圆柱体腿部31的滑槽内同一端，微型直线电机伸缩端与对应的L形滑块32短端部固定连接，电源为控制系统和微型直线电机供电，控制系统控制微型直线电机的伸缩动作，可通过编程制定微型直线电机的伸缩量和动作时间间隔等参数，进而调控薄壁梁2的多种可重构形状。微型直线电机仅是本方案的一种优选形式，其它能够控制L形滑块32位移的等效机构均应属于本发明的保护范围。

值得注意的是，爬行机器人在初始状态下，薄壁梁2与负载平台1的连接位置宜高于薄壁梁2与爬行腿3的连接位置，从而使爬行机器人的薄壁梁2在第一次变形时(两个微型直线电机伸长移动L形滑块32使薄壁梁2的2n个窄条梁21侧向屈曲变形)是向下屈曲，使两个爬行腿3着地将负载平台1拱起，整体呈n形结构。

此外，为增加爬行腿3与地面的摩擦，在圆柱体腿部31两端分别设置方向性刚毛足部4，所述方向性刚毛足部4为圆环状与圆柱体腿部31端部套装固定，方向性刚毛足部4外表面设置多个刚毛尖刺，进一步的，刚毛尖刺宜设置有倾斜角，使薄壁梁2变形时带动方向性刚毛足部4与地面产生不同摩擦力，利于实现定向运动。

负载平台1、爬行腿3及方向性刚毛足部4宜采用由3D打印尼龙材料制备，有助于提高生产效率的同时降低生产成本。

结合图1所示、图3～图6所示，爬行机器人的动作包括：爬行机器人由初始状态下，参照图1所示，通过两个微型直线电机伸长移动两个爬行腿3的L形滑块32，L形滑块32和圆柱体腿部31与窄条梁21铰接点位置变化，使薄壁梁2的窄条梁21侧向屈曲变形，两个爬行腿3向下屈曲着地将负载平台1拱起，为两个爬行腿3着地状态，参照图6所示；其中一个微型直线电机收缩带动L形滑块32恢复原位，则其对应的薄壁梁2重新伸直，为一个爬行腿3着地另一个爬行腿3伸直状态，参照图4所示；由于此时负载平台1仍保持悬空并向着地一侧的爬行腿3倾斜，对重新伸直的薄壁梁2存在下压作用，其中一个微型直线电机再次伸长移动时，在重力作用下此次重新伸直的薄壁梁2向上屈曲抬起对应的爬行腿3，为一个爬行腿3抬起另一个爬行腿3着地状态，参照图5所示；当着地的爬行腿3对应的微型直线电机收缩带动L形滑块32恢复原位，则其对应的薄壁梁2重新伸直，为一个爬行腿3抬起另一个爬行腿3伸直状态，参照图3所示；当两个微型直线电机均收缩带动L形滑块32恢复原位，则两个薄壁梁2均伸直回到爬行机器人初始状态，重复动作即可实现爬行机器人的爬行动作。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种基于形状可重构屈曲梁驱动的爬行机器人，其特征在于：包括负载平台(1)、控制模块、两组薄壁梁(2)以及两个爬行腿(3)，所述负载平台(1)为爬行机器人的躯干部位用于搭载控制模块及外部重物，所述两个爬行腿(3)分别由圆柱体腿部(31)和L形滑块(32)两部分组成，两个所述圆柱体腿部(31)水平并列布置在负载平台(1)两侧，圆柱体腿部(31)侧壁朝向负载平台(1)位置沿轴向凹设有一条滑槽，圆柱体腿部(31)侧壁位于所述滑槽边缘一体设置n个带孔凸起，n为正整数，两个所述L形滑块(32)对称设置且短端部分别滑动放置在对应圆柱体腿部(31)的滑槽内，L形滑块(32)长端部一体设置与圆柱体腿部(31)数量相等的带孔凸起，且L形滑块(32)与圆柱体腿部(31)的所述带孔凸起错位排布，所述两组薄壁梁(2)为弹簧钢片切割制成的一体式构件，且初始为无应力的水平状态，每组薄壁梁(2)包括并列排布的2n个窄条梁(21)，所述窄条梁(21)一端横向连接为一体形成公共端部(22)与负载平台(1)固定连接，窄条梁(21)另一端设置接孔形成离散端部(23)与圆柱体腿部(31)及L形滑块(32)对应的带孔凸起铰接配合，所述控制模块能够控制两个L形滑块(32)在滑槽内的相对位移，进而使薄壁梁(2)侧向屈曲变形实现爬行腿(3)水平和竖直方向的位置变化。

2.根据权利要求1所述的一种基于形状可重构屈曲梁驱动的爬行机器人，其特征在于：所述控制模块包括电源、控制系统及两个微型直线电机，所述电源及所述控制系统搭载在负载平台(1)上，所述两个微型直线电机分别沿轴向布置固定在两个圆柱体腿部(31)的滑槽内同一端，微型直线电机伸缩端与对应的L形滑块(32)短端部固定连接，电源为控制系统和微型直线电机供电，控制系统控制微型直线电机的伸缩动作。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于形状可重构屈曲梁驱动的爬行机器人，其特征在于：所述圆柱体腿部(31)两端分别设置方向性刚毛足部(4)，所述方向性刚毛足部(4)为圆环状与圆柱体腿部(31)端部套装固定，方向性刚毛足部(4)外表面设置多个刚毛尖刺。

4.根据权利要求3所述的一种基于形状可重构屈曲梁驱动的爬行机器人，其特征在于：所述负载平台(1)、爬行腿(3)及方向性刚毛足部(4)均由3D打印尼龙材料制备。

5.根据权利要求3所述的一种基于形状可重构屈曲梁驱动的爬行机器人，其特征在于：所述方向性刚毛足部(4)的刚毛尖刺设置有倾斜角。

6.根据权利要求1所述的一种基于形状可重构屈曲梁驱动的爬行机器人，其特征在于：所述爬行机器人在初始状态下，薄壁梁(2)与负载平台(1)的连接位置高于薄壁梁(2)与爬行腿(3)的连接位置。

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