CN115056878B - 基于步态分析能实现负压攀爬的多功能仿生蜘蛛 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及仿生机械领域，具体为一种基于步态分析能实现负压攀爬的多功能仿生蜘蛛。其包括作为蜘蛛主体的仿生蜘蛛头部主板和仿生蜘蛛腹部主板以及仿生蜘蛛分段连接机构和仿生蜘蛛腿部机构。仿生蜘蛛以双电机微型负压发生器为负压源，通过控制电磁阀配合一进四出的气排，控制仿生蜘蛛腿部吸盘的吸附作用，克服了现有技术中局限于通过电磁吸附仅能在金属材质上吸附爬行的功能，从而实现了仿生蜘蛛能够在坡面和壁面上灵活爬行的功能。仿生蜘蛛的分段机构，增加了仿生蜘蛛空间上的自由度，因此克服了现有技术中仿生蜘蛛于平面上爬行的局限。
Description
技术领域
本发明涉及仿生机械领域，具体涉及一种基于步态分析能实现负压攀爬的多功能仿生蜘蛛。
背景技术
仿生是模仿生物系统的功能和行为，用于建造技术系统的一种科学方法。它打破了生物和机器的界限，将各种不同的系统沟通起来。仿生蜘蛛就是利用仿生学，将生物学机理和机械相互结合设计出来的。它是基于类蛛形纲节肢动物蜘蛛的生理结构，模仿其运动原理以及行为方式系统，设计出的能够平衡行走、判断方向、感受外界刺激的机械。仿生蜘蛛在结构上有别于人型或轮式机械，使其在路况较差条件下的行走成为可能，能够适应各种各样的恶劣环境，可在凹凸不平的地面移动、完成避障，能代替人在危险的环境下执行高难度、高危险的任务。仿生蜘蛛在众多行业中都具有很高的实际价值，拥有非常广阔的发展前景，所以一直是国内外仿生机械领域的研究热点。
国内外已有对于仿生机械的研究，市面上已有的仿生爬行类的产品大多采用四足或六足机构，在复杂地形中尚显不足；且不具备在坡面和垂直墙壁上的爬行能力。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种基于步态分析能实现负压攀爬的多功能仿生蜘蛛，包括仿生蜘蛛头部主板、仿生蜘蛛腹部主板、用于连接仿生蜘蛛头部主板和仿生蜘蛛腹部主板的仿生蜘蛛分段连接机构、仿生蜘蛛腿部机构；仿生蜘蛛头部主板、仿生蜘蛛腹部主板构成蜘蛛主体；
所述仿生蜘蛛头部主板上设置有电源、单片机主板、舵机控制器和继电器；所述电源为单片机主板、舵机控制器和继电器供电；单片机主板分别与舵机控制器和继电器连接并进行控制；
所述仿生蜘蛛腹部主板上设置有微型负压发生器、第一气排、第二气排、第一电磁阀和第二电磁阀；所述微型负压发生器的两个出气孔通过PU管分别与第一电磁阀和第二电磁阀的进气孔相连接；第一电磁阀的出气孔通过PU管与第一气排连接，第二电磁阀的出气孔通过PU管与第二气排连接；所述的第一气排和第二气排均为一进四出的气排；所述电磁阀的进气孔和出气孔由单片机主板控制开闭；所述第一电磁阀、第二电磁阀和微型负压发生器均通过继电器与电源连接；
所述的仿生蜘蛛腿部机构包括四条仿生蜘蛛腿A和四条仿生蜘蛛腿B；其中，蜘蛛主体的两侧分别设置有两条仿生蜘蛛腿A和两条仿生蜘蛛腿B；且同侧的仿生蜘蛛腿A和仿生蜘蛛腿B为交替间隔设置；
作为本发明的优选方案，所述仿生蜘蛛头部主板(1)一侧设置有两条仿生蜘蛛腿A与一条仿生蜘蛛腿B，另一侧设置有两条仿生蜘蛛腿B与一条仿生蜘蛛腿A；仿生蜘蛛腹部主板(15)一侧设置有一条仿生蜘蛛腿A，另一侧设置有一条仿生蜘蛛腿B。
仿生蜘蛛腿A和仿生蜘蛛腿B的结构相同，其内部均设置有吸盘；四条仿生蜘蛛腿A的吸盘分别与第一气排通过气路连接，微型负压发生器通过第一电磁阀配合第一气排实现仿生蜘蛛腿A的负压吸附功能，四条仿生蜘蛛腿B的吸盘分别与第二气排通过气路连接，微型负压发生器通过第二电磁阀配合第二气排实现仿生蜘蛛腿B的负压吸附功能。
作为本发明的优选方案，所述仿生蜘蛛腿A均包括舵机A、十字支架、仿生蜘蛛大腿零件、窄U支架A、仿生蜘蛛小腿零件、吸盘金具和吸盘；所述舵机A的一端固定在蜘蛛主体上，舵机A另一端的舵盘与十字支架的一端连接；十字支架的另一端与仿生蜘蛛大腿零件的一端固定连接；仿生蜘蛛大腿零件的另一端与窄U支架A的两臂连接；窄U支架A的底端与仿生蜘蛛小腿零件的上端外圆侧面连接；所述仿生蜘蛛小腿零件下端开设有螺纹孔用于连接吸盘金具的中部，吸盘金具的底端与吸盘连接；所述仿生蜘蛛腿B的结构与仿生蜘蛛腿A的结构相同；仿生蜘蛛腿A的吸盘金具通过PU管与第一气排连接，仿生蜘蛛腿B的吸盘金具通过PU管与第二气排连接；仿生蜘蛛腿部机构的舵机A均通过导线与舵机控制器连接。单片机主板通过舵机控制器控制各舵机A的转动角度和时间从而实现仿生蜘蛛的爬行，单片机主板控制电磁阀的开闭，进而控制第一气排和第二气排，从而实现了仿生蜘蛛负压吸附功能。
作为本发明的优选方案，所述仿生蜘蛛分段连接机构包括舵机B、窄U支架B和斜U支架；所述舵机B一端的舵盘与斜U支架的两臂连接，斜U支架的底端固定设置在仿生蜘蛛腹部主板上；舵机B的另一端通过窄U支架B(18)固定在仿生蜘蛛头部主板上；单片机主板通过舵机控制器与舵机B连接并控制舵机B，实现仿生蜘蛛头部机构和仿生蜘蛛腹部机构之间的相对运动。所述仿生蜘蛛分段连接机构设置一个或多个。
作为本发明的优选方案，所述微型负压发生器为具有两个电机的微型负压发生器。
作为本发明的优选方案，所述仿生蜘蛛大腿零件(8)与蜘蛛主体通过舵机A(18)和十字支架(7)连接，仿生了蜘蛛的转节和腿节，仿生蜘蛛大腿零件(8)和仿生蜘蛛小腿零件(5)通过一个窄U支架连接，仿生了蜘蛛的膝节，一条蜘蛛腿共有三个自由度。仿生蜘蛛总共有四条仿生蜘蛛腿A和四条仿生蜘蛛腿B，一共则有24个自由度，实现了仿生蜘蛛高自由度的灵活爬行。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果有：
(1)因为本发明设计了八足的仿生蜘蛛，通过总线舵机控制总共具有24个自由度的仿生蜘蛛腿部爬行系统，步态上更加灵活、稳定，克服了现有技术中六足仿生蜘蛛机械灵活度较低，六足爬行的现状，从而实现了仿生蜘蛛八足灵活在复杂地形下爬行的功能。
(2)因为本发明设计了仿生蜘蛛的分段机构，增加了仿生蜘蛛空间上的自由度，因此克服了现有技术中仿生蜘蛛于平面上爬行的局限，从而实现了仿生蜘蛛能够从平面爬行到空间爬行的功能。
(3)因为本发明设计了仿生蜘蛛的负压攀爬系统，实现了仿生蜘蛛能够灵活地配合爬行系统实现坡面和壁面的灵活爬行，因此克服了现有技术中局限于通过电磁吸附仅能在金属材质上吸附爬行的功能，从而实现了仿生蜘蛛能够灵活在坡面和壁面爬行的功能。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的仿生蜘蛛腿部机构结构示意图。
图3是本发明仿生蜘蛛分段连接机构结构示意图。
图4是本发明仿生蜘蛛腿部机构的部分装配示意图。
图5是本发明实施例中多功能仿生蜘蛛结构的俯视示意图。
图中：1、仿生蜘蛛头部主板；2、电源；3、吸盘；4、吸盘金具；5、仿生蜘蛛小腿零件；6、窄U支架A；7、十字支架；8、仿生蜘蛛大腿零件；9、单片机；10、舵机控制器；11、继电器；12、斜U支架；13、第一电磁阀；14、第一气排；15、仿生蜘蛛腹部主板；16、微型负压发生器；17、舵机A；18、窄U支架B；19舵机B；20第二电磁阀；21第二气排。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
本实施例中，一种基于步态分析能实现负压攀爬的多功能仿生蜘蛛，包括仿生蜘蛛头部主板1、仿生蜘蛛腹部主板15、用于连接仿生蜘蛛头部主板1和仿生蜘蛛腹部主板15的仿生蜘蛛分段连接机构、仿生蜘蛛腿部机构；仿生蜘蛛头部主板1、仿生蜘蛛腹部主板15构成蜘蛛主体；如图3所示，所述仿生蜘蛛分段连接机构包括舵机B19、窄U支架B18和斜U支架12；所述舵机B19一端的舵盘与斜U支架12的两臂连接，斜U支架12的底端固定设置在仿生蜘蛛腹部主板15上；舵机B19的另一端通过窄U支架B(18)固定在仿生蜘蛛头部主板1上；其他零件均装配于蜘蛛主体上。如图1所示，腿部机构均装配于蜘蛛主体上，腿部机构上的舵机A17由总线串联于单片机主板9，通过单片机主板9控制仿生蜘蛛腿部机构实现仿生蜘蛛步态爬行，为了保证正常工作，单片机主板9工作电压为12V，舵机A17和舵机B19工作电压为8.4V。图4所示吸附系统也装配于蜘蛛主体上，为了保证正常工作，继电器(11)工作电压为12V。
本实施例中，如图5所示，所述的仿生蜘蛛腿部机构包括四条仿生蜘蛛腿A和四条仿生蜘蛛腿B；其中，蜘蛛主体的两侧分别设置有两条仿生蜘蛛腿A和两条仿生蜘蛛腿B；且同侧的仿生蜘蛛腿A和仿生蜘蛛腿B为交替间隔设置；所述仿生蜘蛛头部主板1一侧设置有两条仿生蜘蛛腿A与一条仿生蜘蛛腿B，另一侧设置有两条仿生蜘蛛腿B与一条仿生蜘蛛腿A；仿生蜘蛛腹部主板15一侧设置有一条仿生蜘蛛腿A，另一侧设置有一条仿生蜘蛛腿B。
本实施例中，如图2所示，所述仿生蜘蛛腿A包括舵机A18、十字支架7、仿生蜘蛛大腿零件8、窄U支架A6、仿生蜘蛛小腿零件5、吸盘金具4和吸盘3；所述舵机A18的一端固定在仿生蜘蛛头部机构或仿生蜘蛛腹部机构上，舵机A18另一端的舵盘与十字支架7的一端连接；十字支架7的另一端与仿生蜘蛛大腿零件8的一端固定连接；仿生蜘蛛大腿零件8的另一端与窄U支架A6的两臂连接；窄U支架A6的底端与仿生蜘蛛小腿零件5的上端外圆侧面连接；所述仿生蜘蛛小腿零件5下端开设有螺纹孔用于连接吸盘金具4的中部，吸盘金具4的底端与吸盘3连接。所述仿生蜘蛛大腿零件8与蜘蛛主体通过舵机A18和十字支架7连接，仿生了蜘蛛的转节和腿节，仿生蜘蛛大腿零件8和仿生蜘蛛小腿零件5通过一个窄U支架连接，仿生了蜘蛛的膝节，一条蜘蛛腿共有三个自由度。仿生蜘蛛总共有四条仿生蜘蛛腿A和四条仿生蜘蛛腿B，一共则有24个自由度。
如图3所示，头部主板1和腹部主板13通过两组仿生蜘蛛分段连接机构连接；通过单片机主板9控制舵机的转动，实现仿生蜘蛛头部主板1和仿生蜘蛛腹部主板15的相对运动，增加了仿生蜘蛛爬行运动空间高度上的自由度，便于坡面和墙壁的灵活攀爬。
如图4所示，将一个具有两个电机的微型负压发生器16作为负压源，双电机微型负压发生器16设置在仿生蜘蛛头部主板1内部；所述微型负压发生器16的两个出气孔通过PU管分别与第一电磁阀13和第二电磁阀21的进气孔相连接；第一电磁阀13的出气孔通过PU管与第一气排14连接，第二电磁阀20的出气孔通过PU管与第二气排21连接；所述的第一气排14和第二气排20均为一进四出的气排；所述电磁阀13的进气孔和出气孔由单片机主板9控制开闭；所述第一电磁阀13和第二电磁阀21和微型负压发生器16均通过继电器11与电源2连接；当需要实现吸附功能时，打开微型负压发生器16，通过单片机主板9控制第一电磁阀13和第二电磁阀21的开闭，即控制了吸盘4是否吸附，实现了仿生蜘蛛负压吸附功能。为了保证正常工作，单片机主板(9)工作电压为12V，舵机A(18)工作电压为8.4V，微型负压发生器(16)工作电压为12V。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于步态分析能实现负压攀爬的多功能仿生蜘蛛，其特征在于，包括仿生蜘蛛头部主板（1）、仿生蜘蛛腹部主板（15）、用于连接仿生蜘蛛头部主板（1）和仿生蜘蛛腹部主板（15）的仿生蜘蛛分段连接机构、仿生蜘蛛腿部机构；仿生蜘蛛头部主板（1）、仿生蜘蛛腹部主板（15）构成蜘蛛主体；
所述仿生蜘蛛头部主板（1）上设置有电源（2）、单片机主板（9）、舵机控制器（10）和继电器（11）；所述电源（2）为单片机主板（9）、舵机控制器（10）和继电器（11）供电；单片机主板（9）分别与舵机控制器（10）和继电器（11）连接并进行控制；
所述仿生蜘蛛腹部主板（15）上设置有微型负压发生器（16）、第一气排（14）、第二气排（21）、第一电磁阀（13）和第二电磁阀（20）；所述微型负压发生器（16）的两个出气孔通过PU管分别与第一电磁阀（13）和第二电磁阀（20）的进气孔相连接；第一电磁阀（13）的出气孔通过PU管与第一气排（14）连接，第二电磁阀（20）的出气孔通过PU管与第二气排（21）连接；所述的第一气排（14）和第二气排（21）均为一进四出的气排；所述电磁阀（13）的进气孔和出气孔由单片机主板（9）控制开闭；所述第一电磁阀（13）、第二电磁阀（20）和微型负压发生器（16）均通过继电器（11）与电源（2）连接；
所述的仿生蜘蛛腿部机构包括四条仿生蜘蛛腿A和四条仿生蜘蛛腿B；其中，蜘蛛主体的两侧分别设置有两条仿生蜘蛛腿A和两条仿生蜘蛛腿B；且同侧的仿生蜘蛛腿A和仿生蜘蛛腿B为交替间隔设置；
仿生蜘蛛腿A和仿生蜘蛛腿B的结构相同，其内部均设置有吸盘；四条仿生蜘蛛腿A的吸盘分别与第一气排（14）通过气路连接；四条仿生蜘蛛腿B的吸盘分别与第二气排（21）通过气路连接；
所述仿生蜘蛛分段连接机构包括舵机B（19）、窄U支架B（18）和斜U支架（12）；所述舵机B（19）一端的舵盘与斜U支架（12）的两臂连接，斜U支架（12）的底端固定设置在仿生蜘蛛腹部主板（15）上；舵机B（19）的另一端通过窄U支架B(18)固定在仿生蜘蛛头部主板（1）上；单片机主板（9）通过舵机控制器（10）与舵机B（19）连接并控制舵机B（19），实现仿生蜘蛛头部机构和仿生蜘蛛腹部机构之间的相对运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于步态分析能实现负压攀爬的多功能仿生蜘蛛，其特征在于，所述仿生蜘蛛腿A包括舵机A（17）、十字支架（7）、仿生蜘蛛大腿零件（8）、窄U支架A（6）、仿生蜘蛛小腿零件（5）、吸盘金具（4）和吸盘（3）；所述舵机A（17）固定在蜘蛛主体上，舵机A（17）的舵盘与十字支架（7）的一端连接；十字支架（7）的另一端与仿生蜘蛛大腿零件（8）的一端固定连接；仿生蜘蛛大腿零件（8）的另一端与窄U支架A（6）的两臂连接；窄U支架A（6）的底端与仿生蜘蛛小腿零件（5）的上端外圆侧面连接；所述仿生蜘蛛小腿零件（5）下端开设有螺纹孔用于连接吸盘金具（4）的中部，吸盘金具（4）的底端与吸盘（3）连接；所述仿生蜘蛛腿B的结构与仿生蜘蛛腿A的结构相同；仿生蜘蛛腿A的吸盘金具（4）通过PU管与第一气排（14）连接，仿生蜘蛛腿B的吸盘金具（4）通过PU管与第二气排（21）连接；单片机主板（9）通过舵机控制器（10）与舵机A（17）连接并控制舵机A（17）。
3.根据权利要求1所述的一种基于步态分析能实现负压攀爬的多功能仿生蜘蛛，其特征在于，所述仿生蜘蛛分段连接机构设置一个或多个。
4.根据权利要求1所述的一种基于步态分析能实现负压攀爬的多功能仿生蜘蛛，其特征在于，所述微型负压发生器（16）为一个具有两个电机的微型负压发生器。
5.根据权利要求2所述的一种基于步态分析能实现负压攀爬的多功能仿生蜘蛛，其特征在于，所述仿生蜘蛛大腿零件（8）与蜘蛛主体通过舵机A（17）和十字支架（7）连接，仿生了蜘蛛的转节和腿节，仿生蜘蛛大腿零件（8）和仿生蜘蛛小腿零件（5）通过一个窄U支架连接，仿生了蜘蛛的膝节，一条蜘蛛腿共有三个自由度；仿生蜘蛛总共有四条仿生蜘蛛腿A和四条仿生蜘蛛腿B，一共则有24个自由度。
6.根据权利要求1所述的一种基于步态分析能实现负压攀爬的多功能仿生蜘蛛，其特征在于，所述仿生蜘蛛头部主板（1）一侧设置有两条仿生蜘蛛腿A与一条仿生蜘蛛腿B，另一侧设置有两条仿生蜘蛛腿B与一条仿生蜘蛛腿A；仿生蜘蛛腹部主板（15）一侧设置有一条仿生蜘蛛腿A，另一侧设置有一条仿生蜘蛛腿B。
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