一种基于磁敏橡胶黏附材料的仿生双足爬壁机器人的制作方法

本发明属于机器人自动化技术领域，涉及一种爬壁机器人，尤其涉及一种基于磁敏橡胶黏附材料的仿生双足爬壁机器人。

背景技术：

随着城市建设速度加快，建筑、路桥等基础设施越来越多，大型结构表面的损伤探测等工作需求量也越来越大；同时在特种环境作业中，例如油罐、大型舰船、塔桥等，如果由人工完成难度较大且相对危险的工作环境下，对特种机器人的需求较大。因此爬壁机器人的产生就显得很有必要。

目前，爬壁机器人领域主要的关键点之一是爬壁性能的问题。世界各国对仿生机器人都有一定的研究成果，采用的吸附方式主要包括磁吸附、正压吸附、负压吸附、干性黏附、湿性黏附、爪刺黏附等。

目前，国外研制的爬壁机器人中，比较典型的有美国斯坦福大学研制的stickybo机器人，采用仿壁虎的人造刚毛作为黏附材料，但目前黏附力不够，不能在天花板上行走。卡耐基梅隆大学研制的微小型机器人waalbot、履带式爬壁机器人以及geckobot等一系列机器人，产生的黏附力也不足，难以在天花板上行走。国内研制的爬壁机器人中，有哈尔滨工业大学的气动吸盘式爬壁机器人、永磁履带式爬壁机器人等，中国科学院常州先进制造所利用制备的仿壁虎的黏附材料实现了干性黏附机器人等。但目前的爬壁机器人中，有的负载能力弱，有的不能在交叉面过度具有运动局限性，有的无法在天花板上爬行。磁吸附材料只能局限于具有铁质等导磁材料上运用。

当前，各国所开发的爬壁机器人中在油污等复杂环境下均具有不小的局限性，例如在油罐等具有大量油污环境下，传统干性黏附、湿性黏附和爪刺黏附机器人的吸附足受到油污侵入后失去黏附机构原本的特性，导致爬壁能力大幅下降；吸盘式爬壁机器人在油污壁面，足端摩擦系数减小，导致机器人易发生打滑；永磁式爬壁机器人吸附力大，相对来说可以牢固爬附，但同时带来了脱附困难、驱动能耗大、行走噪音大及行走缓慢等问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明为了解决现有爬壁机器人在负载能力弱、机器人本体体积和重量大、机器人灵活性不高、不具备交面过渡、可搭载功能单一、爬壁环境局限性大的问题，提供一种基于磁敏橡胶黏附材料的仿生双足爬壁机器人。

为达到上述目的，本发明提供一种基于磁敏橡胶黏附材料的仿生双足爬壁机器人，包括吸附足组件、俯仰关节组件、控制模块和电源装置；

所述吸附足组件包括由具有黏附能力和弹性变形能力的磁敏橡胶黏附材料构成的第一吸附足端件和第二吸附足端件，所述第一吸附足端件和第二吸附足端件中部分别放置有第一电磁铁和第二电磁铁，所述第一吸附足端件和第二吸附足端件外分别卡设有第一固定夹具和第二固定夹具，所述第一固定夹具和第二固定夹具远离第一吸附足端件和第二吸附足端件的一端还分别一体成型安装有成对的第一俯仰关节连杆和第二俯仰关节连杆；

所述俯仰关节组件包括分别与第一俯仰关节连杆铰接的第一连杆和分别与第二俯仰关节连杆铰接的第二连杆，所述第一连杆与第二连杆的自由端相互铰接，所述第一连杆与第一俯仰关节连杆铰接处固定安装有带第一舵机的第一舵机转轴，所述第二连杆与第二俯仰关节连杆铰接处固定安装有带第三舵机的第三舵机转轴，所述第一连杆与第二连杆的铰接处固定安装有带第二舵机的第二舵机转轴；

所述控制模块和电源装置嵌设于第一连杆之间，所述电源装置与第一电磁铁和第二电磁铁电连接，所述控制模块与电源装置、第一舵机、第二舵机和第三舵机电连接。

进一步，所述第一吸附足端件和第二吸附足端件均采用磁敏橡胶黏附材料作为基底，所述第一吸附足端件和第二吸附足端件的足端面均为平面形态，足端面中间分布着变形性磁敏橡胶黏附材料和黏附性磁敏橡胶黏附材料。

进一步，所述第一吸附足端件和第二吸附足端件的足端面由黏附性较强的黏附性磁敏橡胶黏附材料以圆环、椭圆环及多边形环中的其中一种作为平面外圈，所述可发生弹性形变的变形性磁敏橡胶黏附材料分布在除外圈之外部分。

进一步，所述第一吸附足端件和第二吸附足端件的足端面由多个变形性磁敏橡胶黏附材料的小片与黏附性磁敏橡胶黏附材料交错分布，所述小片为圆、不规则圆及多边形形状，各小片之间以等距或不等距的方式分布，各小片之间分布着黏附性较强的黏附性磁敏橡胶黏附材料。

进一步，所述第一固定夹具和第二固定夹具呈三爪状，所述第一固定夹具和第二固定夹具均包括三个以120°间隔分布在圆盘边缘的夹杆。

进一步，所述第一吸附足端件和第二吸附足端件呈圆盘状。

进一步，所述第一电磁铁、第二电磁铁分别通过螺丝固定在第一固定夹具、第二固定夹具上方的圆盘上。

进一步，还包括与控制模块信号连接的无线模块，所述控制模块采集的数据经过无线模块传输至外部设备。

进一步，第一电磁铁、第二电磁铁与对应的第一吸附足端件和第二吸附足端件存在空隙，使对应的变形性磁敏橡胶黏附材料有一定的运动空间，保证第一吸附足端件和第二吸附足端件与对应的变形性磁敏橡胶黏附材料之间的间隙控制在变形性磁敏橡胶黏附材料受到电磁吸力后，发生形变使之向对应的第一电磁铁、第二电磁铁方向运动，并稳定的保持形变状态的范围内。

本发明的有益效果在于：

1、本发明对动物界能够爬壁的众多生物中的爬壁方式方法进行研究后，模仿树蛙、壁虎等在湿滑环境下，脚掌变得黏软，并充分利用大气压来增强黏附力的方法，在对磁敏橡胶黏附材料研究的基础上，利用磁敏橡胶黏附材料在磁场作用下黏附性能提升和在磁场作用下可以发生形变的特性，设计了一种基于磁敏橡胶黏附材料可控黏附的仿生双足爬壁机器人。为复杂形貌和湿滑、油污环境等特种环境下进行表面检测、情报侦察等特种作业的需求，提供了一种新的解决方案。

2、本发明所公开的基于磁敏橡胶黏附材料的仿生双足爬壁机器人，在吸附足中合理运用了自主研发的磁敏橡胶黏附材料的可控黏附特性，即在磁场下磁敏橡胶黏附材料黏附性能增强且具有可控形变等特性。在模仿生物界中一些动物能在垂直及倒立壁面行走时足部黏附的特点及方式基础上，研发了基于磁敏橡胶黏附材料的仿生双足爬壁机器人，发明了一种控制磁敏橡胶黏附材料的方法，使机器人摆脱传统爬壁机器人吸附力不足特别是在复杂形貌和湿滑、油污环境下的结构(建筑、路桥、船舶、装备)表面，吸附性能大幅下滑等缺点，使本发明的机器人适用范围提高，其强大的吸附力带来的负载能力提升使之可以携带更多的仪器设备，便于扩展其功能，使其能完成例如表面检测、情报侦察等工作。本发明相比其他机器人能够实现更多的运动组合，通过自主研发的控制算法，在整体机器人系统稳定的基础上，又能连贯进行运动，即使前方遇见垂直交面也可以进行完美过渡。总体而言，本发明结构简单，可附加功能多，适应的环境广泛。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明仿生双足爬壁机器人的结构示意图；

图2为本发明仿生双足爬壁机器人中变形性磁敏橡胶黏附材料在足端面上的分布示意图；

图3为本发明仿生双足爬壁机器人中吸附足组件的结构分解示意图；

图4为本发明仿生双足爬壁机器人的运动过程示意图；

图5为本发明仿生双足爬壁机器人的控制流程示意图。

附图标记：第一吸附足端件1、第一电磁铁2、第一固定夹具3、第一俯仰关节连杆4、第一连杆5、第一舵机6、电源装置7、第二连杆8、第二舵机9、第三舵机10、第二俯仰关节连杆11、第二固定夹具12、第二电磁铁13、第二吸附足端件14、第一舵机转轴15、第二舵机转轴16、第三舵机转轴17、黏附性磁敏橡胶黏附材料18、变形性磁敏橡胶黏附材料19、控制模块20。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1～5所示的一种基于磁敏橡胶黏附材料的仿生双足爬壁机器人，包括吸附足组件、俯仰关节组件、控制模块20和电源装置7；

吸附足组件包括由具有黏附能力的黏附性磁敏橡胶黏附材料18以及具有可控弹性形变能力的变形性磁敏橡胶黏附材料19构成的第一吸附足端件1和第二吸附足端件14，第一吸附足端件1和第二吸附足端件14呈圆盘状。第一吸附足端件1和第二吸附足端件14均采用磁敏橡胶黏附材料作为基底，第一吸附足端件1和第二吸附足端件14的足端面均为平面形态，足端面中间分布着具有可控弹性形变能力的变形性磁敏橡胶黏附材料19。第一吸附足端件1和第二吸附足端件14的足端面的磁敏橡胶黏附材料的分布规则有以下两种：一、外圈由黏附性较强的黏附性磁敏橡胶黏附材料18以环状分布，足端面环内整片均为具有可控弹性形变能力的变形性磁敏橡胶黏附材料19；二、具有可控弹性形变能力的变形性磁敏橡胶黏附材料19为分布在足端面内的小片，小片为圆、不规则圆及多边形形状，各小片之间以等距或不等距的方式分布，各小片之间为黏附性较强的黏附性磁敏橡胶黏附材料18。

第一吸附足端件1和第二吸附足端件14中部分别放置有第一电磁铁2和第二电磁铁13，第一吸附足端件1和第二吸附足端件14外分别卡设有第一固定夹具3和第二固定夹具12，第一固定夹具3和第二固定夹具12远离第一吸附足端件1和第二吸附足端件14的一端还分别一体成型安装有成对的第一俯仰关节连杆4和第二俯仰关节连杆11；第一固定夹具3、第二固定夹具12底座的中心留有小孔，第一电磁铁2、第二电磁铁13分别通过螺丝固定在第一固定夹具3、第二固定夹具12上方的圆盘下表面。第一固定夹具3和第二固定夹具12呈三爪状，所述第一固定夹具3和第二固定夹具12均包括三个以120°间隔分布在圆盘边缘的夹杆。

俯仰关节组件包括分别与第一俯仰关节连杆4铰接的第一连杆5和分别与第二俯仰关节连杆11铰接的第二连杆8，第一连杆5与第二连杆8的自由端相互铰接，第一连杆5与第一俯仰关节连杆4铰接处固定安装有带第一舵机6的第一舵机转轴15，第一俯仰关节连杆4上开设有小孔，第一舵机转轴15安装在小孔内。第二连杆8与第二俯仰关节连杆11铰接处固定安装有带第三舵机10的第三舵机转轴17，第一连杆5与第二连杆8的铰接处固定安装有带第二舵机9的第二舵机转轴16，第二俯仰关节连杆11上开设有小孔，第三舵机转轴17安装在小孔内。第一舵机6、第一俯仰关节连杆4和第一连杆5构成第一俯仰关节组件，实现一个自由度的运动。第二舵机9、第一连杆5和第二连杆8构成第二俯仰关节组件，实现一个自由度的运动。第三舵机10、第二俯仰关节连杆11和第二连杆8构成第三俯仰关节组件，实现一个自由度的运动。

控制模块20和电源装置7嵌设于第一连杆5之间，电源装置7与第一电磁铁2和第二电磁铁13电连接，控制模块20与电源装置7、第一舵机6、第二舵机9和第三舵机10电连接。还包括与控制模块20信号连接的无线模块，控制模块20采集的数据经过无线模块传输至外部设备。

第一吸附足端件1和第二吸附足端件14由具有黏附特性的黏附性磁敏橡胶黏附材料18和具有可控弹性形变能力的变形性磁敏橡胶黏附材料19构成的足端件作为主要部分，通过研究发现该磁流变材料本身具有黏附能力，并且在磁场作用下，磁敏橡胶黏附材料的黏附性能增强且可发生形变，因此在利用其本身黏附性的基础上，利用其在磁场下发生形变的特性，采用负压结构，使用电磁铁根据控制规则产生磁场，使磁敏橡胶黏附材料具有黏附特性部分黏附性能增强，可形变部分发生形变，在足端件部分区域形成空腔，产生负压，负压时足端件紧密贴合在壁面，磁场释放时具有黏附特性部分黏附性能减弱，可形变部分形变复原，此时吸附足可与壁面分离。吸附足吸附在壁面时可起到支撑作用。机器人通过各关节的组合动作完成机器人的运动，使其能在复杂环境下也具有较好的运动性能，且具有较强的负载能力。具体运动过程如下：

假设以双足均着地作为起始状态，即刚开始第一吸附足端件1和第二吸附足端件14均吸附在壁面，当前进时，第一吸附足端件1释放，与壁面成可分离状态，第三俯仰关节组件动作，使第一吸附足端件1抬起一定高度，之后第二俯仰关节组件转动一定角度，使第一吸附足端件1向前迈出一定距离，此时第一俯仰关节组件调整角度，使第一吸附足端件1与前方壁面垂直，然后第三俯仰关节组件动作，完成第一吸附足端件1的下落并紧贴壁面，此时第一吸附足端件1动作，完成与壁面的吸附。后退时与前进动作步骤刚好相反。控制模块全程起到各个组件动作的控制作用，完成各种动作的协调。同时也可通过无线模块实现人为实时控制。其中各种根据不同要求配置在机器人上的传感器、各关节组件、控制模块20、无线模块的电源均由电源装置7供给。

第一吸附足端件1及第二吸附足端件14包括由具有黏附特性的黏附性磁敏橡胶黏附材料18和具有可控弹性形变能力的变形性磁敏橡胶黏附材料19一体成型的足端件、卡在足端件内的电磁铁和足端件的固定夹具。磁敏橡胶黏附材料具有重量轻、黏附性能可控和磁场下可发生形变的特性，足端件非形变部分较为黏软，可起到可控黏附作用，在制备磁敏橡胶黏附材料足端件时，通过调节具有黏附特性的黏附性磁敏橡胶黏附材料18的交联度，改变其黏软程度，以适应壁面凹凸不平的环境，利用其可控黏附性能的同时也起到密封作用，足端件具有可控弹性形变能力的变形性磁敏橡胶黏附材料19为较薄的薄膜形状，弹性大，但黏附性相对较弱，当通过控制模块20调控电磁铁产生磁场时，具有可控弹性形变能力的变形性磁敏橡胶黏附材料19在磁场作用下发生形变，在足端件的部分区域形成空腔，充分利用大气压产生负压，加强吸附附性能，同时磁场增强了具有黏附特性的黏附性磁敏橡胶黏附材料18。制备足端件时，整个足端件为一体成型。

第一俯仰关节组件及第三俯仰关节组件主要在机器人运动时起到改变俯仰角度以适应前方或后方的壁面的变化，并通过对机器人运动建模仿真，得出使机器人始终保持稳定的运动和静止姿态。第二俯仰关节组件主要以角度的变化起调节向前、向后及交面过渡的步幅控制。第一俯仰关节组件、第二俯仰关节组件及第三俯仰关节组件的运动是统一协调的，以保证运动的完整性。三个俯仰关节分别由对应的舵机驱动。

第一连杆5、第二连杆8均由塑料轻质杆作为连杆组件，充当力臂作用。连杆一端与俯仰关节通过舵机旋转轴相连，两根连杆的另一端通过舵机旋转轴相连。如图1所示其中一根连杆上设置有两个舵机的放置位，另一根连杆上设置有控制模块、电源装置7和一个舵机的放置位。

控制模块20组件由单片机及其周围电路、驱动电路、通信电路组成，主要实现机器人运动的控制、与其他设备的数据通信及数据采集的功能。控制模块20中通过执行自主研发的步态控制算法，使机器人各个关节组件连贯的运动，保证其协调性和稳定性。包括对第一及第二吸附足组件中电磁线圈产生的磁场进行调控，控制模块20还可以根据需求处理其他数据，常用的有传感器数据采集和转发，与其他控制系统的数据传输与交换等等。

电源装置7由电池、稳压电路、电压转换电路组成，起到为系统运行提供电力保证的作用，电源装置7留有接口可以根据实际情况更换不同容量的电源。电压转换电路是为了实现各组件对电压的不同需求。

无线模块与控制模块20中留有的通信接口相连接，起到与外部系统进行数据传输及交换的作用。控制模块20采集的数据经过无线模块，与外部其他设备连接，建立通信，外部使用者也可发送命令及数据。通过无线模块接收后传输给控制模块20进行处理。

如图3所示吸附足组件的结构分解示意图，两个吸附足端件均由具有黏附特性的黏附性磁敏橡胶黏附材料18和具有可控弹性形变能力的变形性磁敏橡胶黏附材料19一体成型，在制作时，使边缘黏附力强的部分内部交联度低。两个固定夹具均与对应的俯仰关节连杆一体成型，采用结实的塑料制成，能够保证其轻便性能。固定夹具底部的环型固定夹件对由柔软的磁敏橡胶黏附材料一体成型的吸附足端件起到夹紧固定作用，同时加强了部分面积的硬度，起到一定的支撑作用。俯仰关节连杆与底部环的连接通过成120°分布的三个夹杆连接，第一俯仰关节连杆4和第二俯仰关节连杆11的三个夹杆上可分布三个传感器。电磁铁固定在俯仰关节底座，由螺丝通过所开小孔固定在固定夹具的底座下，当需要吸附时，便通电产生磁场，使磁敏橡胶黏附材料具有黏附特性部分黏附性能增强，可发生形变部分发生形变，形成空腔，利用空气产生负压，实现对吸附性能的加强。其中通过对磁敏橡胶黏附材料内部结构的控制，根据不同环境制备不同的吸附足端件，实现不同强度的吸附能力。

如图4所示仿生双足爬壁机器人的运动过程示意图，在爬壁机器人运动过程首先控制系统关断吸附足端件1的磁场，使吸附力下降，第三舵机10的第三舵机转轴17顺时针转动γ度，使前脚抬起，第一吸附足端件1与地面分离，其后第二舵机9的第二舵机9转轴顺时针转动β度，前脚向前伸展，通过传感器检测前方表面与吸附足端件的角度差，控制系统调整第一舵机6的第一舵机转轴15转动α度使吸附足端面与表面保持平行，第三舵机10的转轴逆时针转动，使前脚下降同时通过控制系统的不断调整第一舵机转轴15的转动角度α，在第三舵机10动作的同时，第一舵机6也同时动作，使第一吸附足端件1保持与表面水平。当第一吸附足端件1的足端面与表面接触时，所有电机停止运动。控制系统控制第一电磁铁2动作，产生磁场，使吸附足端件具有黏附特性部分黏附性能增强，可发生形变部分发生形变，形成空腔，加强吸附能力。若继续向前运动，后脚同理先控制第二电磁铁13释放磁场，其后依次动作各个电机，直到后脚也与表面重新接触，电磁铁再次动作截至。至此完成一套前进动作。后退动作及把后脚变为前脚，一次动作。

如图5所示仿生双足爬壁机器人的控制流程示意图，首先控制系统会接受到人为给出的一个运动指令，然后判断是否是给的运动指令，确认是运动指令后，首先检测机器人当前的姿态，将检测数据给到控制系统内，然后判断是前进还是后退指令，之后检测机器人将要运动的方向的前方地面的状态，为了脚能够与地面接触时是平行状态，落脚时传感器会不断检测机器人当前姿态与地面的状态，进行差值计算，不断反馈，保持平行，直到平稳黏附。完成一步前进动作后，检测是否有新的指令传入。如果没有，那么继续重复之前的步骤，一直保持运动。如果接受到新的指令，则从程序流程图的顶层重新开始。如果检测到用户给的指令时停止，则先检测机器人当前状态，然后与静止时的标准状态相比较，然后不断调整，知道回到标准状态后停止运动。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。