CN2688461Y - 微型四足仿生爬壁机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种微型四足爬壁仿生机构。它包含有一个构架，其特征在于构架上固定安装两个微型减速电机，其中一个微型减速电机经传动机构连动安装在构架两侧前后的四个腿杆，腿杆下端各装有一个吸附脚掌，另一个微型减速电机经传动机构连动一个安装在构架中部下面的回转机构，回转机构的下端装有一个回转吸附脚掌。本实用新型能以连续缓慢速度在任意形状表面及管道内移动。本实用新型配备相应的传感器和作业装置，可以进入狭小空间环境中的管壁表面检测，以及现代高层建筑中进入通风管道的火灾现场侦察和敌情监控。

Description

微型四足仿生爬壁机构

技术领域

本实用新型属于微型移动机器人技术领域，具体涉及一种微型四足爬壁仿生机构，该四足仿生爬壁机构能够在壁面上实现连续的动态行走。

背景技术

随着微机电系统技术发展和微小型移动机器人应用领域的不断拓广，已出现了这样一种需求，即用微小型爬壁机器人代替人工进行各种极限作业，如公安消防中使用微小型爬壁机器人进入纵横交织、上下连通的大楼通风管道进行灾情现场考察、敌情侦察，或进入空间狭窄的核工业管道群之间进行外管壁的检测和维修，这就要求机器人具备微小外形、良好的任意材质壁面自吸附性能和灵活的适应各种形状壁面的移动性能、并具备一定的荷重能力，而采用类似壁虎仿生机构的微小型爬壁机器人将是最佳的选择之一。因此，通过对壁虎的仿生机构学研究，舍弃管道内微小机器人移动时所必需的形封闭和力封闭基本要求，开发能象壁虎一样适应各种材质(如玻璃、粉墙和金属等)和任意形状表面(如平面、柱面、弧面和拐角等)的微小型爬壁仿生机构，是值得重视并发展的一种微型移动机构。

近年来，采用MENS技术进入狭窄空间的微机器人，展示了诱人的应用前景和在军民两用上的战略意义。因此，作为微机电系统技术发展方向之一的基于精密机械加工微机器人技术研究已成为国际上的一个研究热点，这方面的研究不仅有强大的市场推动，而且得到众多研究机构和科技人员的参与。以日本为代表的许多国家在这方面已开展了大量研究，重点之一是发展进入工业狭窄空间微机器人，已研制成微小夹持器、微小移动机构和微小检测系统等，而国内在国家自然科学基金、863高技术研究发展计划等的资助下，有清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、广东工学院、上海大学等科研院所针对进入工业管道微机器人进行了大量研究，并分别研制了原理样机。

对进入狭窄空间微小型移动机器人的大量文献检索，能象壁虎一样能进入狭窄空间、适应在多种材质和各种形式壁面移动的微小型爬壁仿生机构研究，国内外未见报道。所以，通过对壁虎的仿生机构学研究，探索微小型爬壁仿生机构在各种形状和材质壁面吸附、移动的仿生机构原理和性能，应用基于精密机械加工的微机电系统技术，研究适合进入狭小空间并具备高的机动性的微小型爬壁仿生机构，对微型移动机器人的研究带有一定的普遍性。

尽管国内外开发了不少微小型多足机器人样机和研究模型，但机器人结构和运动控制十分复杂，总体结构尺寸和体积很难缩小。现在采用的微小机器人系统大多采用压电晶体和形状记忆合金作为驱动器，但是由于压电晶体产生的执行力和变形量较小，而形状记忆合金响应速度慢，因此使得他们在微型机器人领域的应用受到了限制。上海交通大学开发了由形状记忆合金丝驱动的仿生六足步行机器人，并研究了该类机器人静步态行走的控制策略。由于该机器人的驱动器采用形状记忆合金，因而机器人的运动频率和运行速度慢，运动速度调节受到限制。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种微型四足仿生爬壁机构，能以连续缓慢地在任意形状表面及管道内移动。

为达到上述目的，本实用新型的技术构思是：

采用四套端部运动轨迹为D型曲线的平面四连杆机构作为腿足机构，满足机构的直线移动功能，而在移动机构的腹部安装1套回转装置，实现移动机构的方向控制。在每套腿足机构的脚掌上贴有采用一种与壁虎脚趾表面结构相近的、经物理改性的硅橡胶薄膜，该薄膜可利用分子间的亲附力(又称“范德瓦尔斯力”)可吸附在多种材质的表面，为了自如地控制脚掌薄膜与行走壁面间的吸附和脱离，采用了借助压电陶瓷的电致伸缩效应而制作的直线移动装置，控制脚掌围绕铰接关节的倾斜角度，实现脚掌的吸附和脱离。为了减轻移动机构的自重，该移动机构的四套腿足机构采用一套微型减速电机驱动，通过齿轮装置及皮带装置的驱动组合，把电机的运动分别传递到4套腿足机构。为了保证四足腿足机构的连续移动，四套腿足机构分成2组，斜脚对应为一组，每组的运动相位相差180度，使得在移动的任意时刻均有2套腿足机构与壁面吸附，保证机体的运动稳定性。而为了调整机构的移动方向，需要借助腹部的回转吸盘，在四套腿足装置的脚掌脱离壁面的情况下完成机体的转向，该腹部的回转吸盘有一套微型减速电机驱动，并具有微量的直线弹性伸缩功能以控制吸盘的吸附与脱离，该吸盘的表面同样贴有硅橡胶薄膜。该微小型四足爬壁仿生机构配备相应的传感器和作业装置，可以进入狭小空间环境中的管壁表面检测、以及现代高层建筑中进入通风管道的火灾现场侦察和敌情监控。

根据上述构思，本实用新型采用下述技术方案：

一种微型四足仿生爬壁机构，包括一个构架，其特征在于构架上固定安装两个微型减速电机，其中一个微型减速电机经传动机构连动安装在构架两侧前后的四个腿杆，腿杆下端各装有一个吸附脚掌，另一个微型减速电机经传动机构连动一个安装在构架中部下面的回转机构，回转机构的下端装有一个回转吸附脚掌。

上述的微型减速电机连动腿杆的传动机构的结构是：微型减速电机输出轴通过一个连轴节联接一根动力蜗杆，动力蜗杆与一个动力蜗轮啮合，动力蜗轮转轴一端有小齿轮与一根主动轴上的大齿轮啮合，主动轴上有驱动带轮，通过传动皮带联动一根从动轴上的从动带轮；主动轴和从动轴两端分别通过偏心销与四个腿杆弯折上段末端铰连；有四根连杆分别以其一端与构架铰连，而其另一端与一根腿杆上弯折段中部铰连。

上述的主动轴两端的两个偏心销方位相差180°，从动轴左端的偏心销方位与主动轴右端偏心销方位相同，而从动轴右端的偏心销方位与主动轴的左端偏心销方位相同。

上述的微型减速电机连动回转机构的结构是：水平安装的微型减速电机通过一对伞齿轮联动垂直安装的回转机构，回转机构为轴承支承的一根回转轴。

上述的四个腿杆为弯折腿杆，其下弯折段末端通过球关节与吸附脚掌铰连，有一个电压驱动装置的一端与吸附脚掌上边缘铰连，而另一端与腿杆下弯折段中部铰连。

上述的四个吸附脚掌和一个回转吸附脚掌的下底均贴有硅橡胶薄膜。

本实用新型与现有技术相比较，具有如下显而易见的特点和优点：本实用新型就是基于仿生学原理、超精细加工的微机电系统技术，解决了微小型壁面爬行机构的移动速度缓慢、运动断续的问题，舍弃管道内微小机器人移动时所必需的形封闭和力封闭基本要求，提供一种能象壁虎一样能进入狭窄空间、适应在多种材质和多种形式壁面移动的微小型爬壁仿生机构。这种微小型四足爬壁仿生机构的外形尺寸可制成为：长50mm，宽20mm，高16mm，重130g，移动速度60mm/min，荷重50g，适应于能象壁虎一样在多种材质(如玻璃、粉墙和金属等)、任意形状表面(如平面、柱面、弧面和拐角等)以及管道内连续移动。本实用新型结构简单，运动灵活，通过性和适应性良好，适应更广泛的地形地貌，特别是微小空间、微小管道、凹凸不平、障碍物众多等环境下的驱动运动。其运动方式接近生物体的运动特征，因而运动更加灵活多变、易于控制，在设计方法上具有显著的进步。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1示例的动态步行原理图。

具体实施方式

本实用新型的一个优选实施例是：参见图1、图2，本微型四足仿生爬壁机构，包括一个构架12，构架12上固定安装两个微型减速电机11、17，其中一个微型减速电机11经传动机构连动安装在构架12两侧前后的四个腿杆5，腿杆5下端各装有一个吸附脚掌1，另一个微型减速电机7经传动机构连动一个安装在构架12中部下面的回转机构18，回转机构18的下端装有一个回转吸附脚掌19。微型减速电机11连动腿杆5的传动机构的结构是：微型减速电机11输出轴通过一个连轴节10联接一根动力蜗杆8，动力蜗杆8与一个动力蜗轮10啮合，动力蜗轮10转轴一端有小齿轮与一根主动轴20上的大齿轮16啮合，主动轴20上有驱动带轮15，通过传动皮带13联动一根从动轴21上的从动带轮14；主动轴20和从动轴21两端分别通过偏心销6与四个腿杆5弯折上段末端铰连；有四根连杆7分别以其一端与构架12铰连，而其另一端与一根腿杆5上弯折段中部铰连。主动轴20两端的两个偏心销6方位相差180°，从动轴21左端的偏心销方位与主动轴20右端偏心销方位相同，而从动轴21右端的偏心销方位与主动轴20的左端偏心销方位相同。微型减速电机17连动回转机构18的结构是：水平安装的微型减速电机17通过一对伞齿轮联动垂直安装的回转机构18，回转机构18为轴承支承的一根回转轴。四个腿杆5为弯折腿杆，其下弯折段末端通过球关节3与吸附脚掌1铰连，有一个电压驱动装置4的一端与吸附脚掌1上边缘铰连，而另一端与腿杆1下弯折段中部铰连。四个吸附脚掌1和一个回转吸附脚掌19的下底均贴有硅橡胶薄膜。

本微型四足仿生爬壁机构的步行原理如下：参见图3，本实用新型的四足分两组，即左侧的前腿a和右侧的后腿d为第一组，另外两条腿b和c为第二组。除了微小运动调节外同组两腿同时行动，两组腿在运动上互隔180°，两组运动腿交替运动。该仿生移动机构开始运动时，左侧后腿c和右侧前腿b准备抬起向前移动，并相对于机器人向前摆动到最前端。而另外两条腿刚好着地呈支撑状态，并相当于机构本体12向后摆动，在驱动机构和传动机构以及地面摩擦力的作用下使移动机构本体向前移动了半个步长S。在机体移动到位时，左侧后腿c和右侧前腿b开始着地呈支撑状态，左侧前腿a和右侧后腿d准备抬起向前移动，同样在支撑腿的作用下使移动机构本体移动了半个步长S。不断重复上述过程，周而复始的使爬壁仿生机构不断向前移动。通过改变微型减速电机11的转动方向，四足爬壁仿生机构将向相反方向运动。控制微型减速电机11的速度，即能实现移动机构多种运动速度的要求，在任意时刻，机器人总是两足着地。该爬壁仿生机构除具有良好的地形适应能力外，改变着地点的位置也能够实现机器人的转向。针对步行机器人的运动步态，机器人足端必须有抬腿、摆腿、着地、驱动等动作。相应的足端轨迹须有平直的着地支撑部分、着地驱动部分、抬腿摆动部分，其足端脚掌的运动轨迹类似与D字型曲线，该D型曲线轨迹通过腿杆5、偏心销6、连杆7构件组成的四杆机构来实现，轨迹的直线部分用于移动，而曲线部分轨迹用于抬腿和落腿动作。该机器人外形尺寸为：长50mm，宽20mm，高16mm，重130g，移动速度60mm/min，荷重50g。

Claims (6)

1.一种微型四足仿生爬壁机构，包括一个构架(12)，其特征在于构架(12)上固定安装两个微型减速电机(11、17)，其中一个微型减速电机(11)经传动机构连动安装在构架(12)两侧前后的四个腿杆(5)，腿杆(5)下端各装有一个吸附脚掌(1)，另一个微型减速电机(7)经传动机构连动一个安装在构架(12)中部下面的回转机构(18)，回转机构(18)的下端装有一个回转吸附脚掌(19)。

2.根据权利要求1所述的微型四足仿生爬壁机构，其特征在于微型减速电机(11)连动腿杆(5)的传动机构的结构是：微型减速电机(11)输出轴通过一个连轴节(10)联接一根动力蜗杆(8)，动力蜗杆(8)与一个动力蜗轮(10)啮合，动力蜗轮(10)转轴一端有小齿轮与一根主动轴(20)上的大齿轮(16)啮合，主动轴(20)上有驱动带轮(15)，通过传动皮带(13)联动一根从动轴(21)上的从动带轮(14)；主动轴(20)和从动轴(21)两端分别通过偏心销(6)与四个腿杆(5)弯折上段末端铰连；有四根连杆(7)分别以其一端与构架(12)铰连，而其另一端与一根腿杆(5)上弯折段中部铰连。

3.根据权利要求2所述的微型四足仿生爬壁机构，其特征在于主动轴(20)两端的两个偏心销(6)方位相差180°，从动轴(21)左端的偏心销方位与主动轴(20)右端偏心销方位相同，而从动轴(21)右端的偏心销方位与主动轴(20)的左端偏心销方位相同。

4.根据权利要求1所述的微型四足仿生爬壁机构，其特征在于微型减速电机(17)连动回转机构(18)的结构是：水平安装的微型减速电机(17)通过一对伞齿轮联动垂直安装的回转机构(18)，回转机构(18)为轴承支承的一根回转轴。

5.根据权利要求1所述的微型四足仿生爬壁机构，其特征在于四个腿杆(5)为弯折腿杆，其下弯折段末端通过球关节(3)与吸附脚掌(1)铰连，有一个电压驱动装置(4)的一端与吸附脚掌(1)上边缘铰连，而另一端与腿杆(1)下弯折段中部铰连。

6.根据权利要求1所述的微型四足仿生爬壁机构，其特征在于四个吸附脚掌(1)和一个回转吸附脚掌(19)的下底均贴有硅橡胶薄膜。