CN202987325U

CN202987325U - 仿生攀爬机器人

Info

Publication number: CN202987325U
Application number: CN 201220361811
Authority: CN
Inventors: 张义; 张鸿阳; 管贻生
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2012-07-24
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2022-07-24

Abstract

本实用新型公开了一种仿生攀爬机器人，包括躯干、设置躯干后端的尾部与覆盖于躯干上的外壳。躯干上对称设有若干腿部，每个腿部末端相应设有脚部；脚部包括铰关节、零位弹簧、电磁铁、脚掌外壳、钩爪、柔性片和倒刺形刀片；铰关节一端与腿部连接，另一端与置于脚掌外壳内的电磁铁的一端连接；零位弹簧设于铰关节与脚掌外壳之间，且零位弹簧与电磁铁同轴心；另外，脚掌外壳底部的后端设有柔性片，柔性片上嵌有倒刺形钢制刀片；钩爪通过光轴安装在脚掌外壳的前端。本实用新型结构简单、控制容易、成本低、系统易于搭建、步态灵活可改。

Description

仿生攀爬机器人

技术领域

本实用新型涉及攀爬机器人的技术领域，特别涉及一种仿生攀爬机器人。

背景技术

目前,机器人在各行各业中得到广泛应用。无论是军事、制造、航天，还是教育、娱乐、医疗、抢险救灾、家庭服务和社会服务领域，机器人起到举足轻重的作用。在这些行业中，难免有很多高空危险作业，例如建筑物表面清洁；轮船表面喷漆、维护；铁塔和桁架桥梁的检修等等。人们期望这些高空作业由机器人代替人来执行和从事。这就要求机器人具有在钢铁、桁架、墙壁、树等对象上面的攀爬和作业功能。

目前，国内外开发出了很多爬壁机器人，如浙江大学的空气吸盘式壁虎；斯坦福大学的仿生壁虎Stickybot；波士顿动力（Boston Dynamics）的RiSE攀爬机器人。这些机器人虽然都具有一定的爬行功能，但还有较大的局限和不足，主要体现在：

1）攀爬对象单一:要么只能爬粗糙墙壁或者树皮（RiSE），要么只能攀爬光滑墙壁（空气吸盘式壁虎），而不能实现在具有多种表面结构的对象上攀爬；

2）带负载能力差：大部分机器人只是简单的附着在攀爬对象表面，而不能提供足够的抓紧力，难以使机器人带负载工作；

3）结构复杂、控制复杂、成本高，实用性较低。

实用新型内容

本实用新型的发明目的是针对现有攀爬机器人的技术不足，提供一种便于在多种表面结构的对象上攀爬的仿生攀爬机器人。

为实现上述发明目的，本实用新型采用的技术方案为：

提供一种仿生攀爬机器人，包括躯干、设置于躯干后端的尾部与覆盖于躯干上的外壳；所述躯干上对称设有若干腿部，所述每个腿部末端相应设有脚部；所述脚部包括柔性片、铰关节、零位弹簧、电磁铁、脚掌外壳和钩爪；所述电磁铁置于脚掌外壳内；所述铰关节一端安装于腿部上，另一端穿过零位弹簧套入电磁铁内且与电磁铁螺纹配合；零位弹簧与电磁铁同轴心，且该零位弹簧设于脚掌外壳的顶端面与铰关节的突出部之间；另外，所述脚掌外壳底部设有柔性片，所述柔性片上嵌有倒刺形钢制刀片；所述钩爪通过光轴安装在外壳脚掌的前端。

优选地，所述电磁铁与脚掌外壳螺纹配合。

优选地，所述钩爪包括若干钩爪零件；所述钩爪零件由两段粗细不同的钢丝焊接而形成，分别为粗部与细部；所述粗部磨制成钩刺状；所述细部首端与粗部连接，所述细部的中间绕制成圆环状，形成圆孔；若干所述钩爪零件并列成一排，所述光轴穿过每个钩爪零件的圆孔，将若干所述钩爪零件并排安装在脚掌外壳上；所述细部的尾端向外延伸，所述脚掌外壳前端相应设有光孔，所述细部嵌入所述光孔中。

优选地，所述铰关节为球铰。

优选地，所述腿部包括腿下部零件、大舵机、舵机输出圆盘、腿上半部零件、转动关节轴、小舵机、大齿轮与小齿轮；所述大舵机装于躯干上，所述舵机输出圆盘套于大舵机的输出轴上；所述腿上半部零件安装于舵机输出圆盘上；所述腿下部零件通过转动关节轴铰接于腿上半部零件的末端，且所述转动关节轴贯穿所述腿上半部零件并向外延伸；所述小舵机安装于腿下部零件上；所述大齿轮通过中心孔套在转动关节轴的延伸端上，所述小齿轮装于小舵机的输出轴上，且所述大齿轮与小齿轮啮合。

优选地，所述大齿轮通过螺纹固定于腿上半部零件的末端。

优选地，所述舵机输出圆盘上设有贯穿圆盘的凸台，所述凸台中空；该凸台内表面设有内齿轮结构，所述舵机输出圆盘通过内齿轮结构套于大舵机的输出轴上。

优选地，所述腿下部零件包括本体，所述本体上设有安装轴，所述铰关节通过该安装轴安装于腿部上；所述本体上设有凹槽，所述小舵机安装于腿下部零件的凹槽内。

优选地，为保证左右对称而维持该机器人仿生攀爬的重心平衡，所述躯干包括平板和若干对称分布在平板两侧的支撑柱，所述每个支撑柱上对应装有一个腿部。

优选地，所述支撑柱的数量为六个。

优选地，所述躯干后部设有若干通孔，用于安装辅助攀爬的尾部。

本实用新型相对于现有技术，具有以下有益效果：本实用新型结构简单、控制容易、成本低、系统易于搭建、步态灵活可改；脚部设计了一种复合两种攀爬模式的模块，可实现在光滑钢铁表面及粗糙墙面或树干上攀爬，可使机器人在攀爬环境变化较大的情况下工作；在墙壁上爬行时，能提供较强的附着力，尤其是在钢铁壁面上，最多可提供相当于自重两倍左右的负载（按照摩擦系数0.3计算），可以作为理想的小型移动平台等；万向球铰和弹簧约束的应用，为爬行提供一定的自适应性。

附图说明

图1为实施例中的仿生六足攀爬机器人的外观图（含外壳）；

图2 为实施例中的本仿生六足攀爬机器人的外观图（不含外壳）；

图3 为实施例中的腿部结构的外观图；

图4 为实施例中的腿部结构的爆炸图；

图5 为实施例中的具有外螺纹的圆柱形电磁铁的外观图；

图6 为实施例中的本仿生六足攀爬机器人的脚部外壳剖面示意图；

图7 为实施例中的仿生六足攀爬机器人的钩爪的示意图；

图8 为实施例中的仿生六足攀爬机器人的柔性片和倒刺形钢制刀片镶嵌的结构示意图；

图9 为实施例中的仿生六足攀爬机器人的脚部结构图；

图10为实施例中的仿生六足攀爬机器人的脚部剖面图；

图11 为实施例中的仿生六足攀爬机器人的脚部爆炸图；

图12 为实施例中的仿生六足攀爬机器人的仰视图；

图13 为实施例中的仿生六足攀爬机器人的侧视图；

图14为图13的A部放大剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的实用新型目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本实用新型的实施方式并不因此限定于以下实施例。除非特别说明，本实用新型采用的材料和加工方法为本技术领域常规材料和加工方法。

如图1所示，为六足仿生攀爬机器人含外壳的外观图。如图2所示，为六足仿生攀爬机器人不含外壳的外观图。图中，外壳2起保护作用，通过6个带有双头螺纹的六棱柱与机器人的躯干1连接。

图3和图4分别为腿部结构外观图和爆炸图。腿部包括大舵机L1、舵机输出圆盘L2、腿上半部零件L3、腿下部零件L4、转动关节轴L5、小舵机L6、大齿轮L7与小齿轮L8。大舵机L1装于躯干1上，舵机输出圆盘L2套于大舵机L1的输出轴上，具体地，舵机输出圆盘L2上设有贯穿圆盘L21的凸台L22，凸台L22中空，该凸台L22内表面设有内齿轮结构，舵机输出圆盘L2通过内齿轮结构套于大舵机L1的输出轴上，同时采用螺钉L9将其进一步紧固。腿上半部零件L3通过4组螺钉L11与螺母L10的结合安装于舵机输出圆盘L2上。

腿下部零件L4通过转动关节轴L5铰接于腿上半部零件L3的末端，且转动关节轴L5贯穿所述腿上半部零件L3并向外延伸。转动关节轴L5使腿下部零件L4与腿上半部零件L3形成一个上下转动的自由度。

小舵机L6安装于腿下部零件上，具体地，腿下部零件L4包括本体L41与设于本体上的凹槽L43，小舵机L6通过2组螺钉L14与螺母L13安装于腿下部零件的凹槽L43内。

大齿轮L7通过中心孔套在转动关节轴L5的延伸端上，大齿轮通过螺纹L15固定于腿上半部零件的末端。小齿轮L8装于小舵机L6的输出轴上，且所述大齿轮L7与小齿轮L8啮合，大齿轮L7与小齿轮L8的齿数之比为1:2，大齿轮L7和小齿轮L8的传动过程类似于太阳轮和行星轮的传动，把小舵机L6的输出力矩扩大2倍后传动到关节转动轴L5上。大舵机LI、小舵机L6均是驱动器；另外，大舵机L1安装在躯干上，从而使腿部与躯干形成一个前后摆动的自由度。

图5为具有外螺纹的圆柱形电磁铁F7外观图。图6为脚掌外壳F5的剖面视图。电磁铁F7与脚掌外壳F5螺纹配合。

图7为钩爪零件的示意图。钩爪F8包括若干钩爪零件F80。钩爪零件F80由两段粗细不同的钢丝焊接而形成，分别为粗部与细部。粗部F81磨制成钩刺状。细部首端与粗部连接，细部的中间绕制成圆环状，形成圆孔F82。细部的尾端F83向外延伸并嵌入脚掌外壳前端的光孔中。若干所述钩爪零件F80并列成一排，光轴F6穿过每个钩爪零件F80的圆孔，将若干所述钩爪零件F80并排安装在脚掌外壳F5上。

图8为柔性片F91和倒刺形钢制刀片F92的镶嵌示意图。脚掌外壳F5底部的后端设有柔性片F91，而柔性片F91上嵌有倒刺形钢制刀片。图8中,A处为柔性片F91和倒刺形钢制刀片F92镶嵌后的效果。

图9、图10与图10分别为脚部结构图、剖面图和爆炸视图。脚部包括铰关节F1、零位弹簧F4、电磁铁F7、脚掌外壳F5、钩爪F8、柔性片和倒刺形刀片的结合结构F9。电磁铁F7设于脚掌外壳F5内，两者螺纹配合。铰关节F1一端安装于腿部L0上，另一端穿过零位弹簧F4套入电磁铁F7内。零位弹簧F4与电磁铁F7同轴心，且该零位弹簧设于脚掌外壳的顶端面与铰关节F1的突出部F2之间。另外，所述脚掌外壳F5底部的后端设有柔性片F91，所述柔性片F91上嵌有倒刺形钢制刀片F92。钩爪F8通过光轴F6安装在外壳脚掌F5的前端。

铰关节F1为球铰。铰关节F1一端安装于腿部上，另一端穿过零位弹簧F4套入电磁铁F7内；且该铰关节F1也与电磁铁F7螺纹配合。

机器人由躯干1、腿部L0、脚部F0、尾部3和外壳2四个部分构成。其驱动器包括大、小两种舵机和电磁铁F7。机器人躯干带有六个可以固定大舵机的凹槽和支撑架；躯干1后端有若干通孔，用于安装尾部3。机器人具有六条腿，其腿部L0结构模仿昆虫的腿部，每条腿具有两个转动自由度，分别为前后摆动和上下摆动。我们知道，节肢动物的腿部自上而下可分为：髋节、股节、膝节、胫节、钩爪。

与之类似，该机器人腿部结构为：大腿（相当于节肢动物股节，即文中所说的腿上半部零件）根部与身体通过大舵机相连（髋节），形成一个前后摆动的自由度；大腿与小腿（胫节，文中所述腿下半部零件）通过一个转动副（膝节）相连，两者之间通过齿轮传动来驱动，所用大齿轮与小齿轮的齿轮齿数之比为1:2，大齿轮与关节转动轴同轴，并且固结在腿上半部零件上，小齿轮固定在小舵机上，小舵机固定在腿下半部零件上。

其中，大齿轮和小齿轮的传动过程类似于太阳轮和行星轮的传动，把小舵机的输出力矩扩大2倍后传动到关节转动轴上。

机器人脚部设计成具有两种攀爬模式的模块，可根据攀爬任务自行切换。该模块具有以下结构：具有外螺纹的圆柱状电磁铁与具有内螺纹的脚掌外壳配合，实现其中一种攀爬；钩爪通过光轴和定位孔固定在脚掌外壳的前端，实现另一种攀爬。通过旋转脚掌外壳，可使电磁铁露出或缩进脚掌底面，实现两种攀爬模式的切换，分别由电磁铁或钩爪提供攀爬力。脚掌外壳后端底部固定着柔性片，柔性片上面嵌有倒刺形刀片。脚部与腿下半部零件之间用球铰连接,球铰与脚部间有维持位置的零位弹簧，使得脚部具有适应不平整墙面的功能。并能在脚部悬空时，在零位弹簧的作用下回到中位，即脚部下表面保持与所攀表面平行。

如图12-14所示，尾部设计为片状，与躯干后端铰接。另外，在躯干后端底部装有位置可调节的钢板，该钢板用于调节尾部的活动范围，并采用拉簧限位。通过钢板与拉簧的共同作用，使得尾部在攀爬时能贴紧墙面，起到辅助攀爬的作用。

具体而言：具有外螺纹的圆柱状电磁铁与具有内螺纹的脚掌外壳配合，实现其中一种攀爬；钩爪通过光轴和定位孔固定在脚掌外壳的前端，实现另一种攀爬。通过旋转脚掌外壳，可使电磁铁露出或缩进脚掌底面，从而实现两种攀爬模式的切换。

若想从钩爪攀爬模式切换为电磁铁吸附模式，只需将脚掌外壳旋转360度，使脚掌外壳上升一个螺距，其上表面刚好与球铰贴紧。内部螺纹产生自锁，电磁铁伸出脚掌下表面。脚部着地时，钩爪悬空，电磁铁与钢铁面产生接触，通过控制电磁铁电流的通断来产生和撤去电磁吸附力，从而使机器人能够在钢铁面上攀爬。

反之，若想从电磁吸附模式切换为钩爪攀爬模式，只需将脚掌外壳反向旋转360度，脚掌外壳下降一个螺距，其内部的上表面与电磁铁上表面贴紧。内部螺纹结构产生自锁，电磁铁缩回模块内部。脚部着地时，具有钩爪和柔性片的脚掌外壳首先着地，柔性片产生变形，通过脚掌外壳起到挤压钩爪的作用。钩爪和柔性片构成类平行四边形结构，在脚掌贴近粗糙表面时，其变形可使得钩爪在墙面上产生夹紧力，进而通过腿部的运动控制可使机器人在粗糙墙壁、树皮上等上面具有攀附能力。钩爪包括1个以上的钩爪零件，而钩爪零件通过光轴和定位孔固定在外壳的前端，作为提供攀爬力的主要零件。脚部与腿部之间用球铰连接,球铰的突出部与脚掌外壳的顶端面之间设有维持位置的弹簧（零位弹簧），使得脚掌外壳具有适应不平整墙面的功能；另外，在弹簧的作用下，脚掌外壳能够回到中位（即脚掌外壳下表面保持与所攀表面平行）。

关于自由度与驱动：机器人有两个转动关节和一个被动的球铰关节，转动关节分别由大小舵机驱动，球铰由零位弹簧限制其位置。

关于电源与控制：整机有6组舵机（每组2个，大小搭配）和6个电磁铁需要控制。舵机与舵机驱动板相连接。电磁铁连接到以MOS管（起开关的作用）为主的电磁铁驱动板中，另外有一片以ARM为主控芯片的主控制板分别输出控制信号到舵机驱动板及电磁铁驱动板中，协调这二者的运动，实现攀爬动作。电源方面主控制板（含稳压模块）采用3.3V直流电源，由普通电池直接提供。而舵机驱动板和电磁铁驱动板的电源分别采用6V和12V直流电，由一个较大容量的锂电池（11.1V）经过DC-DC转换电平后分别供给。

关于攀爬过程：当脚掌外壳着地后的瞬间，芯片发出信号控制电磁铁闭合，电磁铁吸附在钢铁面上（对于钩爪攀爬模式，钩爪和柔性片相互配合，从而对粗糙表面产生夹紧力）；脚掌将要离地之前，芯片发出信号控制电磁铁断开，电磁铁失去磁性（对于钩爪攀爬模式，钩爪抬升，柔性片复原，夹紧力逐渐减小至消失）；各腿部关节和电磁铁协调运动，该机器人能以交替三足步态和仿蟑螂步态等多种步态实现在钢铁制建筑物（大型锅炉、化工容器）、船舶表面，铁塔和桁架桥梁以及粗糙的墙壁、陡坡、大树等表面攀爬，执行检查，探测，喷涂，补漆等任务。

上述实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型内容所作的均等变化与修饰，都为本实用新型权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims

1.一种仿生攀爬机器人，包括躯干、设置于躯干后端的尾部与覆盖于躯干上的外壳；所述躯干上对称设有若干腿部，所述每个腿部末端相应设有脚部；其特征在于：所述脚部包括柔性片、铰关节、零位弹簧、电磁铁、脚掌外壳和钩爪；所述电磁铁置于脚掌外壳内；所述铰关节一端安装于腿部上，另一端穿过零位弹簧套入电磁铁内；所述零位弹簧与电磁铁同轴心，且该零位弹簧设于脚掌外壳的顶端面与铰关节的突出部之间；另外，所述脚掌外壳底部设有柔性片，所述柔性片上嵌有倒刺形钢制刀片；所述钩爪通过光轴安装在外壳脚掌的前端。

2.根据权利要求1所述的仿生攀爬机器人，其特征在于：所述电磁铁与脚掌外壳螺纹配合；所述铰关节也与电磁铁螺纹配合，且所述铰关节为球铰。

3.根据权利要求1所述的仿生攀爬机器人，其特征在于：所述钩爪包括若干钩爪零件；所述钩爪零件由两段粗细不同的钢丝焊接而形成，分别为粗部与细部；所述粗部磨制成钩刺状；所述细部首端与粗部连接，所述细部的中间绕制成圆环状，形成圆孔；若干所述钩爪零件并列成一排，所述光轴穿过每个钩爪零件的圆孔，将若干所述钩爪零件并排安装在脚掌外壳上；所述细部的尾端向外延伸，所述脚掌外壳前端相应设有光孔，所述细部嵌入所述光孔中。

4.根据权利要求1所述的仿生攀爬机器人，其特征在于：所述腿部包括腿下部零件、大舵机、舵机输出圆盘、腿上半部零件、转动关节轴、小舵机、大齿轮与小齿轮；所述大舵机装于躯干上，所述舵机输出圆盘套于大舵机的输出轴上；所述腿上半部零件安装于舵机输出圆盘上；所述腿下部零件通过转动关节轴铰接于腿上半部零件的末端，且所述转动关节轴贯穿所述腿上半部零件并向外延伸；所述小舵机安装于腿下部零件上；所述大齿轮通过中心孔套在转动关节轴的延伸端上，所述小齿轮装于小舵机的输出轴上，且所述大齿轮与小齿轮啮合。

5.根据权利要求4所述的仿生攀爬机器人，其特征在于：所述大齿轮还能通过螺纹固定于腿上半部零件的末端。

6.根据权利要求4所述的仿生攀爬机器人，其特征在于：所述腿下部零件包括本体，所述本体上设有安装轴，所述铰关节通过该安装轴安装于腿部上；所述本体上设有凹槽，所述小舵机安装于腿下部零件的凹槽内。

7.根据权利要求1所述的仿生攀爬机器人，其特征在于：所述躯干包括平板和若干对称分布在平板两侧的支撑柱，所述每个支撑柱上对应装有一个腿部。

8.根据权利要求7所述的仿生攀爬机器人，其特征在于：所述支撑柱的数量为六个。

9.根据权利要求1-8任一项所述的仿生攀爬机器人，其特征在于：所述躯干后部设有若干通孔，用于安装辅助攀爬的尾部。