一种用于爬壁机器人的主动式爪刺足的制作方法

本实用新型涉及爬壁机器人技术领域，具体涉及一种用于爬壁机器人的爪刺足结构。

背景技术：

机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。机器人在生产业、建筑业等领域得到广泛应用，尤其常见用于协助或替代人类进行危险作业或在人类无法到达的区域进行作业。

爬壁机器人是机器人中常见的类型。传统的爬壁机器人利用电磁吸附、气压吸附等方法获得攀爬能力，已广泛应用于壁面检测与维护等应用场合。然而，电磁吸附的爬壁机器人只能在导磁材料表面爬行，采用被动式吸盘进行负压吸附的爬壁机器人难以在凹凸不平的粗糙壁面上保持气密性。针对自然界和人类生活环境中广泛存在的粗糙壁面，研究人员通过观察昆虫的腿部和爪刺足，借鉴它们的生理形态和结构特征，开展了爪刺式多足爬壁机器人的研究工作，并取得了一定的阶段性成果。

爪刺足作为爬壁机器人的核心部件，其结构设计的好坏将直接影响爬壁机器人的整体性能。现有的爬壁机器人一般将单个或多个爪刺并列排布固定在腿部结构的末端，通过腿部的交替运动实现攀爬动作。目前的多数爪刺足存在以下两点不足：(1)足部的爪刺通常需要外露才能勾住粗糙壁面的凸点完成向上攀爬，但是外露的爪刺却会引起平地上行走的不便，也就是说，难以同时良好的满足爬壁和平地行走两种不同的运动状态；(2)在攀爬时，微小的爪刺很容易嵌入到粗糙壁面内，由于缺乏有效的主动式脱附措施，被动的硬脱附常常会导致爪刺的变形，甚至断裂损坏。(3)现有的主动式爪刺足通常采用电机驱动，而电机的体积和重量较大，不利于爪刺足的小型化和轻量化。

通过专利和论文检索，存在以下已知的技术方案：

参考文献1：

《Biologically Inspired Climbing with a Hexapedal Robot》(M.J.Spenko,2008)；

参考文献2：

《Rapid Pole Climbing with a Quadrupedal Robot》(G.Clark Haynes,2009)；

参考文献3：

《爪刺式爬壁机器人仿生机理与系统研究》(刘彦伟,2015)。

通过以上的检索发现，以上技术方案没有影响本实用新型的新颖性；并且以上文献的相互组合没有破坏本实用新型的创造性。

技术实现要素：

本实用新型正是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种用于爬壁机器人的主动式爪刺足。

本实用新型为解决技术问题采用如下技术方案：一种用于爬壁机器人的主动式爪刺足，包括用于支撑固定的足底座，所述足底座通过连接结构连接于所述机器人的腿部结构末端，各弹性梁平行设于所述足底座内，所述弹性梁前端呈悬臂状，由所述足底座前端开口伸出，末端固连至所述足底座的背板上，各爪刺分别固连于各所述弹性梁的前端；所述弹性梁前半部分的上表面和下表面均设有形状记忆合金。

进一步的，连接结构中部为连接板，所述连接板两侧向外延伸成型连接梁，所述连接梁末端设连接梁柱销孔；所述中部连接部位于所述足底座的顶板上方，与所述顶板转动连接并连接至所述机器人的腿部结构末端，所述顶板两端对应所述连接梁柱销孔的位置对称呈弧形列设置各顶板柱销孔，两个柱销分别卡接于一对对应的连接梁柱销孔和顶板柱销孔内，用于限制所述连接结构与所述足底座的相对转动。

进一步的，所述形状记忆合金呈丝状结构，蛇形布置于所述弹性梁前半部分的上表面和下表面，所述蛇形的延伸方向垂直于所述足底座的侧板。

进一步的，所述足底座呈前端上侧及前侧开口的腔体结构，其腔体内均布设与侧壁平行的各支板，各所述支板将所述足底座的腔体分隔为各安装槽，各所述弹性梁分别设于各所述安装槽内。

进一步的，所述爪刺尖端与所述足底座底板的距离h满足公式：

其中，L和d分别为所述弹性梁的长度和厚度，ε为所述形状记忆合金的最大残余应变。

进一步的，所述弹性梁的后半部分为蛇形结构，所述蛇形结构的延伸方向垂直于所述背板。

进一步的，所述弹性梁由聚乙烯、玻璃纤维或尼龙制成。

进一步的，所述弹性梁前端连接至少一个所述爪刺。

进一步的，所述安装槽的宽度为所述弹性梁的1.1～1.5倍。

进一步的，所述连接梁呈蛇形结构。

本实用新型提供了一种用于爬壁机器人的主动式爪刺足，具有以下有益效果：

1、利用形状记忆合金驱动实现爪刺的主动脱附功能，增强机器人在粗糙壁面上的爬壁能力，有效避免爪刺的断裂损坏；

2、利用形状记忆合金驱动实现爪刺的伸缩功能，提升了机器人在平地行走和爬壁等多种环境下的运动适应性；

3、连接结构的轴线与爪刺面呈一定夹角，改善爪刺足爬壁时的受力情况，提高爪刺与的抓附效率；

4、相比于电机或舵机，形状记忆合金呈片状和丝状，其重量轻、体积小，更利于实现爪刺足的小型化和轻量化。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的左视剖视图；

图3为本实用新型弹性梁的弯曲变形示意图；

图4为本实用新型的俯视图；

图5为本实用新型的运动受力分析图。

图中：

1、足底座，11、背板，12、侧板，13、支板，14、顶板，15、顶板柱销孔，16、安装槽；2、弹性梁；3、形状记忆合金；4、爪刺；5、连接结构，51、连接板，52、连接梁，53、连接梁柱销孔；6、柱销；7、腿部结构。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1～图5所示，其结构关系为：包括用于支撑固定的足底座1，足底座1通过连接结构5连接于机器人的腿部结构末端，各弹性梁2平行设于足底座1内，弹性梁2前端呈悬臂状，由足底座1前端开口伸出，末端固连至足底座1的背板11上，各爪刺4分别固连于各弹性梁2的前端；弹性梁2前半部分的上表面和下表面均设有形状记忆合金3，形状记忆合金3 与电源电性连接。

优选的，连接结构5中部为连接板51，连接板51两侧向外延伸成型连接梁52，连接梁 52末端设连接梁柱销孔53；中部连接部51位于足底座1的顶板14上方，与顶板14转动连接并连接至机器人的腿部结构末端，顶板14两端对应连接梁柱销孔53的位置对称呈弧形列设置各顶板柱销孔15，两个柱销6分别卡接于一对对应的连接梁柱销孔53和顶板柱销孔15 内，用于限制连接结构5与足底座1的相对转动。

优选的，形状记忆合金3呈丝状结构，蛇形布置于弹性梁2前半部分的上表面和下表面，蛇形的延伸方向垂直于足底座1的侧板12。

优选的，足底座1呈前端上侧及前侧开口的腔体结构，其腔体内均布设与侧壁平行的各支板13，各支板13将足底座1的腔体分隔为各安装槽16，各弹性梁2分别设于各安装槽16 内，防止各弹性梁2缠绕损坏，同时，各支板13具有一定的柔性支撑效果。

优选的，爪刺4尖端与足底座1底板的距离h满足公式：

其中，L和d分别为弹性梁2的长度和厚度，ε为形状记忆合金3的最大残余应变。

优选的，弹性梁2的后半部分为蛇形结构，蛇形结构的延伸方向垂直于背板11，蛇形结构增加了弹性梁2的横向柔性，减小了横向拉力对弹性梁2的损伤。

优选的，连接梁52呈蛇形结构，具有一定的柔性连接效果，起缓冲作用。

优选的，弹性梁2前端连接至少一个爪刺4。

优选的，安装槽16的宽度为弹性梁2的1.1～1.5倍，使弹性梁2有足够的自由变形空间，同时防止弹性梁2因形变过大而折断。

优选的，弹性梁2由聚乙烯、玻璃纤维或尼龙制成。

弹性梁2的材料应具有合适的弹性模量，在形状记忆合金3收缩时不至于发生弯曲失稳。依据梁的弯曲力学模型，当形状记忆合金3的收缩应变越大，弹性梁2的弯曲角度越大，其弯曲角度θ可近似表示为：

进一步，爪刺4的尖端距离足底座1的距离h应位于弹性梁2的弯曲形变内：

0＜h＜L tanθ；

根据经验，距离h的最佳取值范围为：

具体使用时，机器人的腿部结构7采用四连杆机构传动，驱动爪刺足在水平面内周期摆动。

爬壁运动时候，位于弹性梁2下表面的形状记忆合金3通电加热产生收缩变形，使弹性梁2向下弯曲，进而使爪刺4接触壁面并抓附。当爪刺4嵌入壁面难以脱附时，位于弹性梁 2上表面的形状记忆合金3通电加热产生收缩变形，使弹性梁2向上弯曲，进而使爪刺4主动脱附。

当机器人地面行走时，爪刺4处于悬空状态，不与地面接触。

爪刺足的运功过程分为两个部分：回摆相和抓附相。回摆相是爪刺足从运动轨迹末端回到初始原点的过程，此过程爪刺足处于空载状态。抓附相是爪刺足勾住壁面凸点，电机驱动机器人身体往前移动的过程，此过程爪刺足为爬壁运动提供驱动拉力F。驱动拉力F包括竖直分量Fv＝cosα和横向分量Fh＝sinα，其中Fv的方向与爬壁运动方向相同，为有效作用力， Fh与爬壁运动方向垂直，为无效作用力，应当尽量减小。

为尽量增大驱动拉力F的有效作用分量Fv，连接结构5设计为轴线可调的结构。中部连接部51与顶板14转动连接，并通过连接梁柱销孔53、顶板柱销孔15和柱销6固定。通过改变柱销6卡接的连接梁柱销孔53和顶板柱销孔15，可以调节连接结构5的轴线与爪刺4 连线的夹角δ进而改变作用力的方向角α。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。