专利名称：仿壁虎微小型机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及机器人设计领域，具体的说是一种具有爬壁能力的微小型仿生壁虎机器人。
背景技术：
自二十世纪六七十年代起，各国在军用机器人的研制和开发中都投入了大量的资金。微小型机器人以其隐蔽性强、功耗小、成本低廉、便于大量部署的优点正日益成为军用机器人研究热点。微小型爬壁机器人是微小型机器人的一个分支，主要在建筑物、管道等壁面或顶部进行移动作业。在民用方面，有许多场合必须采取良好的安全防护措施才能实施作业，如原子能发电站中强放射线下的作业，海底石油勘测等深水作业，灾害时的消防救援作业，各类管道的探伤、修复工作等，而微小型爬壁机器人可以广泛的应用在这些工作当中。在军事方面，它可以从事侦察、收集情报工作，军事行动时从事排雷、排爆、携带武器进攻、营救伤员等工作。因而微小型爬壁机器人在未来的多方面应用中都有广阔的前景。目前，国内外已经有相当数量的爬壁机器人投入现场作业，但对微小型爬壁机器人的研究还不是很多，现就与本项技术相关领域研究现状和应用情况做以下介绍(1)德国FZI(Forchungszentrum Informatik)研制了Lauron系列六足仿生机器人。第三代Lauron六足仿生机器人重18kg，可以承受10kg的负载。尺寸0.5m×0.8m×0.3m(长×宽×高)，由24伏直流伺服电机经带轮减速后驱动各关节。
(2)右图为DARPA所资助的类似项目高机动性仿蟑螂六足步行机器人。该机器人由微型气缸驱动的24个关节使整个机器人具有行走和跳越的能力，整个机器人能够承载30磅。
(3)美国海军正在研制的机器龙虾(右图)。它是一种八足水下步行机器人。它包括4×8英寸的壳体，壳体由8条3自由度腿驱动，每条腿以3个关节为基础进行基本的动作，关节的动作采用肌肉型驱动器(用形状记忆合金镍钛诺做成的力可恢复型人造肌肉)(4)东京大学的广獭茂男等人研制了“NINJA”型四足壁面步行机器人。“NINJA”型四足壁面步行机器人四个吸盘分别安装在四条独立的腿上，通过四条腿的不同组合，实现机器人从地面到壁面再到夫花板的移动，具有较强的越障能力以及壁面适应能力。其行动尺寸为110cm×70cm×50cm。
(5)1993年，日本工业技术院的似野智昭研制了另一种形式的壁面步行机器人，如右图所示，该机器人由两条足端装有五个吸盘的腿足机构组成，每条腿可以绕另一条腿旋转，不同的旋转角度就形成了机器人的直线和转向运动。机器人基本尺寸为120cm×60cm×80cm。
(6)1998年，西班牙CSIC大学的工业自动化研究所研制成功了一种叫做REST的六足爬壁机器人(右图所示)。机器人采用动物型腿，在每条腿上具有两个半自由度，即两个旋转自由度和半个垂直于移动平面的棱柱形被动伸缩自由度。
(7)2002年，日本宫崎大学的西亮教授研制出了双足爬壁机器人，如下图所示。这种机器人结构简单，对复杂壁面环境具有良好的适应性，它是靠安装在腿末端的吸盘产生的吸附力贴附在壁面上的，吸盘内的负压由抽风机产生；通过两条腿的交替吸附实现机器人在壁面上的移动，移动时通过脚腕的顷斜与圆规脚开闭的适当组合，便可以翻越一定高度的台阶，进而再与脚腕的回转相组合，就能实现多种壁面环境下的移动。但由于腿长、重心高，在垂直壁面或天花板移动时，有一定的危险。此机器人参数如下总重量120N，吸盘半径165mm，回转角度-180°-180°，腿长700mm，脚腕倾余角5°-250°，腿开闭角15°-105°。
通过对国内外爬壁机器人的比较发现，现有的爬壁机器人具有体积大、重量重、灵活性差、零件多、加工困难、控制复杂等缺点，这些爬壁机器人现阶段都难以应用到体积小、隐蔽性强、功耗小、灵活性强、成本低廉的环境中。
发明内容本发明的目的在于提供一种结构简单、体积小、隐蔽性强、功耗小、灵活性强、成本低廉、可靠性高、易于应用的微小型仿壁虎爬壁机器人。
本发明的目的是这样实现的它包括身体组装结构和单腿结构，在身体组装结构上安装有四套单腿结构，每组对角线上的两条单腿带有一套负压吸附及放压装置；身体组装结构包括两个腰部驱动舵机、两个气泵和两个气体放压装置，每个气泵通过管道分别与一个气体放压装置和两套呈对角线分布的单腿结构的吸盘相连；所述的单腿结构由大腿、小腿和吸盘组成，小腿包括膝关节舵机，吸盘安装在膝关节舵机的下方，大腿包括胯关节俯仰运动舵机、胯关节水平摆动舵机，胯关节俯仰运动舵机与胯关节水平摆动舵机之间通过转动副相连，在胯关节俯仰运动舵机与膝关节舵机之间设置有通过转动副连接的联结杆。
本发明还有这样一些结构特征1、所述的放压装置由舵机、弹簧、钢丝绳、卷线轮及固定弹簧装置构成，卷线轮与舵机的主轴固连，钢丝绳一端固定在卷线轮上，另一端固定在弹簧的前端，弹簧通过固定弹簧装置固定在舵机上；2、吸盘通过轴承与膝关节舵机相连；3、在联结杆和胯关节水平摆动舵机上设置有传感器。
本发明设计人在研究了多足地面微小型爬行机器人相关技术和墙壁吸附技术的基础上设计了仿壁虎微小型爬壁机器人。现将与此机器人有关的驱动技术、关节传动方式和墙壁吸附方式加以介绍仿生机器人驱动技术现状
目前广泛应用于机器人设计开发的驱动技术有(1)电机(伺服、步进、力矩、直线电机)驱动(2)形状记忆合金(SMA-Shape Memory Alloy)(3)气压驱动(4)液压驱动(5)压电陶瓷驱动(6)超导材料驱动(7)可伸缩性聚合体驱动多足仿生机器人步行腿具有驱动关节数量多，机体结构要求紧凑的特点，综合考虑驱动元件的动态性能、功率/质量比、可控性、性能价格比等因素，采用微型伺服电机或形状记忆合金作为微小型机器人腿关节驱动器是一种比较可行的方法。
由于SMA材料制造本身技术难度就非常大，并且针对不同用途需要特殊的训练制备手段，所以作为机器人关节驱动器的功能材料还存在实用化的难度。
微小型电动机的工程应用技术较成熟，产品标准化，性能稳定、驱动方式和相关技术都很完善，其本身作为关节驱动器的技术风险较小。
仿生机器人关节传动方式现状如何仿造爬行生物原型，合理布置伺服电机，以减小步行足的结构尺寸，以符合步行足细长的结构外形是电机驱动形式所要解决的关键问题之一。广泛应用于步行机器人的传动方式有齿轮(包括齿条)传动、绳轮传动、链轮传动、蜗轮蜗杆以及直接驱动等几种。
适用微小型仿生机器人关节驱动的一般有齿轮、绳轮传动和直流伺服电机直接驱动三种方式。齿轮传动中，又主要有谐波齿轮和行星齿轮传动。
三种传动中，绳轮传动的机构较复杂且可靠性不高，在短距离狭小空间内难以使用。齿轮传动中，受谐波齿轮尺寸的限制，它很难应用到微小型机器人关节。
通过比较可以看到在小空间、传动线路比较简洁的情况下采用直流伺服电机直接传动的方式具有更多的优势。
现阶段爬壁机器人吸附方式有真空吸附、磁吸附和推力吸附。
真空吸附法是通过真空发生装置，使吸盘内腔产生负压，机器人利用吸盘内外的压力差贴附在壁面上。真空吸附法由于不受壁面材质的限制，适应范围广，但当壁面凹凸不平时吸盘容易漏气，从而吸附力下降，承载能力降低。真空吸附又有单吸盘式和多吸盘式。
磁吸附法要求壁面必须是导磁材料，但它结构简单、吸附力大，对壁面的凹凸适应性强，不存在真空吸附法的漏气问题，因而当壁面材料导磁时，使用磁吸附式爬壁机器人有它突出的优点。
推力吸附借鉴了航空技术，使用螺旋浆或涵道风扇产生合适的推力，使机器人稳定、可靠地贴附在壁面上，并在壁面上移动。这种吸附方式具有壁面适应性好，越障容易等优点，但控制系统复杂。三种吸附方式的具体比较见表1-1。
表1-1爬壁机器人三种吸附方式的比较
通过比较，本发明采用了具有吸盘尺寸小，密封性好，断电时有一定的冗余度的优点的多吸盘真空负压吸附方式。
本发明建立了一个对建筑物光滑墙壁高度适应、性能可靠、体积小巧、并具有在复杂光滑墙壁环境下灵活运动能力的微小型爬行机器人平台。本发明具有自身体积小、结构简单、动作灵敏、隐蔽性强、成本低廉、适应环境强等优势，在军用、探险、救捞等领域具有广泛的应用前景。它可以充当侦察设备、武器系统、通信系统的载体，完成普通士兵无法完成的多种任务，具有广阔的应用前景。
图1为本发明的单腿结构及布局示意图；图2为本发明的仿生壁虎身体组装结构示意图；图3为本发明的气体放压装置示意图；图4为本发明的仿生机械壁虎样机效果图；图5为本发明的控制系统功能框图；图6为本发明的ATmega16核仿生壁虎控制系统框图；图7为本发明的仿生壁虎机器人上层控制电路图8为本发明的仿生壁虎机器人下层控制电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构及工作过程进行进一步的说明本发明包括身体组装结构和单腿结构，在身体组装结构上安装有四套单腿结构，每组对角线上的两条单腿带有一套负压吸附及放压装置；身体组装结构包括两个腰部驱动舵机、两个气泵和两个气体放压装置，每个气泵通过管道分别与一个气体放压装置和两套呈对角线分布的单腿结构的吸盘相连；所述的单腿结构由大腿、小腿和吸盘组成，小腿包括膝关节舵机，吸盘安装在膝关节舵机的下方，大腿包括胯关节俯仰运动舵机、胯关节水平摆动舵机，胯关节俯仰运动舵机与胯关节水平摆动舵机之间通过转动副相连，在胯关节俯仰运动舵机与膝关节舵机之间设置有通过转动副连接的联结杆。放压装置由舵机、弹簧、钢丝绳、卷线轮及固定弹簧装置构成，卷线轮与舵机的主轴固连，钢丝绳一端固定在卷线轮上，另一端固定在弹簧的前端，弹簧通过固定弹簧装置固定在舵机上；吸盘通过轴承与膝关节舵机相连；在联结杆和胯关节水平摆动舵机上设置有传感器。
下面分别对本发明的结构及工作过程进行说明(1)仿生壁虎单腿结构设计结构组成结合图1-4，以仿生壁虎机器人左前步行足37为例进行讲解单腿机械结构。
结合图1，本发明中仿生壁虎单腿由大腿、小腿和吸盘组成，小腿根部由转动副7即膝关节与大腿相连。大腿根部由转动副10和转动副2与主机架相连，构成两自由度胯骨关节。所以整条腿具有三个自由度，分别是膝关节的俯仰运动，胯骨关节的水平摆动与俯仰运动。吸盘结构由橡胶吸盘8、轴承6和塑料导气管5组成。吸盘可采用大吸盘单独吸附墙壁的方式，也可采用小吸盘多组合的方式。轴承是为机器人的腿尖提供一个无约束的自由度，用来补偿机器人在墙壁上移动时大腿与吸盘之间产生的微小转角。所有吸盘由气泵控制产生负压力，吸盘的吸附作用使机器人能牢牢的吸附在墙壁上。
驱动方式三个关节都由直流舵机驱动。其中胯骨关节的水平摆动由直流舵机12直接驱动。胯骨关节的俯仰运动由直流舵机11直接驱动，舵机11又带动膝关节舵机4和前端吸盘8绕转动副10转动。膝关节驱动原理同上。为了使电机布置更合理，结构更紧凑，胯骨关节舵机12与膝关节舵机11紧贴在一起，膝关节舵机11与小腿舵机4之间的联结杆3也力求简洁，胯骨关节舵机12可采取横向布置和纵向布置两种方式。
传感器布置
为了使壁虎单腿具有三个方向力的感知能力，本设计中分别在大腿和小腿上加了力觉传感器。把传感器作为腿的一部分嵌入到腿部结构中，其中传感器1要测量腿失接触地面时整条腿的正压力，传感器9主要测量大腿水平摆动时整条腿与障碍物之间的压力。
(2)仿壁虎机器人身体组装结构结合图2，身体组装结构主要由两个腰部驱动舵机23和24，两个气泵13和22，两个气体放压装置14和21，两个四通气管接头16和19，六个塑料导体管15、5、17、18、20、25及各种连接构件组成。
为了使仿生壁虎机器人在墙壁上能灵活运动，我们在其腰部加上两个水平方向转动的舵机(舵机23、舵机24)控制两个自由度，这样机器人就具有更多的冗余度，在墙壁上前进、后退、转动等就会轻松自如，其运动方式也更加仿生。为了使机器人能跨越更高越障、翻越更大墙壁过渡角，还可以在机器人腰部增加一到两个铅直方向转动的自由度，舵机的布置要更加紧凑。
气泵13和气泵22分别控制对角线布置的两组腿。下面以气泵13为例讲解产生负压吸附控制过程气泵13控制左上角腿和右下角腿对墙壁的吸附，两条腿前端吸盘分别通过硬制塑料导气管5和17与四通气管连接接头16相连，四通气管连接接头16剩下的两个接口一个口通过导管与气泵的吸气口相连，另一个口通过导管15与气体放气装置14(下面有详细介绍)相连。机器人爬向墙壁时，气泵13工作开始抽气，由于导管15此时是被气体放压装置14封死不通气的，气体只有通过导管5、导管17流入，导管5、导管17的前端连接的是左上角腿和右下角腿的吸盘，吸盘在遇到光滑平面并且有气体负压作用(负压吸附力)时就会牢牢的吸附在上面，这样把整个机器人就固定在墙上了。而另外两条腿此时就可以通过放压装置将另外两条腿上吸盘中的负压放掉(失去负压吸附力)，执行向前迈或是转弯的动作了。气泵22的控制过程与气泵13相同，只不过它是控制左下角腿和右上角腿的。
(3)仿生壁虎气体放压控制装置以前端气体放压装置14为例讲解其工作原理。结合图3，仿生壁虎放压控制装置就是一个控制气体导通与不导通的开关。它是由舵机26、弹簧28、钢丝绳30、卷线轮31及固定弹簧装置27构成。卷线轮31与舵机26的主轴固连；钢丝绳30一端固定在卷线轮31上，另一端固定在弹簧28的前端；弹簧28则固定在舵机26上。
工作过程如下当气泵控制的两条腿需要抬腿运动时，主控制器就会控制舵机26带动卷线轮31转动，卷线轮31的转动拉动钢丝绳30和弹簧28前端向内侧移动，弹簧28就会在位置29产生个空隙松动，软橡皮管头15随之恢复原形，气体导通，这样气泵所需要吸入的气体就由软橡胶管头15这端通入的气体抵消，气泵控制的两条腿上的吸盘也就失去了负压吸附作用，从而能轻松抬起。当刚才的两条腿需要与墙壁吸附时，舵机26就反转回来，弹簧28恢复到初始状态，弹簧28在位置29的弹力会将软橡胶管头15压扁，通气管被封死不通气体，气泵的不断抽气又可使吸盘产生负压。此通气开关还可采用电磁阀直接控制，缺点是耗电量很大，机器人内部供电系统难以承受。
(4)仿壁虎机器人总体结构设计结合图4，基于对壁虎模型分析和相关性能研究的基础上，遵循“行为仿生，突出功能”的原则，我们设计了仿生壁虎的模型样机本体。样机采用并行4步行足的总体结构，每条步行足为三个自由度。躯体采用有机玻璃框架结构，以减小重量，同时在躯体上预设安装空间及安装孔，便于控制电路、传感器、电源模块等设备的安装。同时考虑到未来外形封装的需要，兼顾了仿生物壁虎外形的特点，整体上采用扁平结构；还增加了头32和尾巴35，必要时可以增加小舵机或弹簧加以控制，使其能像生物壁虎一样运动。壁虎样机效果图如图4所示。
具体性能指标如下总体高度H＝70mm纵向长度L＝170mm(不含头和尾巴)横向宽度B＝130mm(含腿尖吸盘)机身总重M＝1.2kg(含供电系统)吸盘直径D＝45mm单个吸盘最大承重能力2kg舵机尺寸21mm×23mm×12mm舵机扭矩0.4N/m气泵最大负压6个大气压承载能力0.6kg平均速度0.1m/s最大爬坡能力-180°单腿各关节转角范围胯骨俯仰运动-90°——+60°胯骨水平摆动-60°——+60°膝关节俯仰运动-90°——+90°以上参数是按照我们使用的舵机和吸盘测得的，我们这样设计为的是尽量缩小机器人的体积、减少机器人的重量和功耗，增加其在应用中的隐蔽性和适用性，选用不同型号舵机和吸盘整个机器人性能指标会有所不同。
仿生壁虎作为一个复杂的仿生型智能控制系统，采用多层多目标分布式递阶控制系统，其结构如图5所示，它由组织级，协调级，执行级三个层次组成，并按照自上而下精确程度渐增、智能程度逐减的原则进行功能的分配。
智能控制系统上层的作用主要是模仿高等生物的行为功能，是基于知识的系统。下层的作用是执行的控制任务，主要是对数值进行操作和运算。
具体各级的功能解释如下(1)组织级(分析任务)亦称为“任务规划级”，主要是对于给定的外部命令和任务，设法找到能够完成该任务的子任务或动作的组合。
(2)协调级(分派器)接受从组织级传来的命令，经过实时信息处理，产生一系列可供执行器执行的具体动作的序列。这一级中又细分为各步行足模块间协调和步行足各关节之间协调两层任务。
(3)执行级常规硬件控制级，执行具体动作。
本控制系统是以ATmega16单片机为核心构建的分布式控制系统。局部子系统为可扩充的单片机网络，他们负责舵机驱动，数据采集、处理，系统框图如图6所示。
经观察生物壁虎的运动多数情况下是采用双二足步态形式快速行走，身体的重心是动平衡，所以仿生壁虎采用的就是双二足步态运动形式。如图4所示，也就是步行足33，36为一组、步行足34、37为一组。当步行足33，36将身体固定于墙上，启发打开，步行足34、37抬腿——迈腿，同时机器人腰部电机转动，使身体前行，步行足34、37再落腿，将身体固定于墙上，另一个气阀打开，步行足33，36重复刚才步行足34、37的动作，这样两组腿就循环运动起来了。
现以壁虎向前运动为例，结合图4说明仿生壁虎动作的具体实施过程前行前端气体放压装置14打开(控制步行足34、37)。
步行足34、37抬大腿。
步行足34、37大腿向前转、小腿向外展，前端气体放压装置14关闭，步行足33，36大腿前转，腰部两个舵机逆时针转动。
步行足34、37大腿下压落地后端气体放压装置21打开(控制步行足33，36)步行足33，36抬大腿步行足33，36大腿向前转、小腿向外展，后端气体放压装置21关闭，步行足34、37大腿前转，腰部两个舵机顺时针转动。
步行足33，36大腿下压落地此时一个循环已经完成，继续从第一步开始执行下去，实现机器人的循环运动。要说明的是在整个运动过程中，气泵13和气泵22始终处于抽气状态的。
最后结合图7、图8简要介绍一下本发明控制电路ATMega16作为上层控制电路的主控芯片，由它控制LCD3310液晶显示器，液晶显示器用来显示机器人运行过程中的控制信息和状态信息，便于操作；AT89C2051作为下层控制电路的主控芯片，利用PWM信号控制舵机运动，设计了RS-232、RS-485通信接口，便于下层电路的扩展；上层主控芯片ATmega16与下层主控芯片AT89C2051之间采用并行通信方式通信，ATmega16以ISP方式下载程序，AT89C2051以串口方式下载程序。
权利要求
1.一种仿壁虎微小型机器人，它包括身体组装结构和单腿结构，其特征在于在身体组装结构上安装有四套单腿结构，每组对角线上的两条单腿带有一套负压吸附及放压装置；身体组装结构包括两个腰部驱动舵机、两个气泵和两个气体放压装置，每个气泵通过管道分别与一个气体放压装置和两套呈对角线分布的单腿结构的吸盘相连；所述的单腿结构由大腿、小腿和吸盘组成，小腿包括膝关节舵机和吸盘。
2.根据权利要求1所述的仿壁虎微小型机器人，其特征在于吸盘安装在膝关节舵机的下方，大腿包括胯关节俯仰运动舵机、胯关节水平摆动舵机，胯关节俯仰运动舵机与胯关节水平摆动舵机之间通过转动副相连，在胯关节俯仰运动舵机与膝关节舵机之间设置有通过转动副连接的联结杆。
3.根据权利要求1或2所述的仿壁虎微小型机器人，其特征在于所述的放压装置由舵机、弹簧、钢丝绳、卷线轮及固定弹簧装置构成，卷线轮与舵机的主轴固连，钢丝绳一端固定在卷线轮上，另一端固定在弹簧的前端，弹簧通过固定弹簧装置固定在舵机上。
4.根据权利要求1或2所述的仿壁虎微小型机器人，其特征在于吸盘通过轴承与膝关节舵机相连。
5.根据权利要求3所述的仿壁虎微小型机器人，其特征在于吸盘通过轴承与膝关节舵机相连。
6.根据权利要求1或2所述的仿壁虎微小型机器人，其特征在于在联结杆和胯关节水平摆动舵机上设置有传感器。
7.根据权利要求3所述的仿壁虎微小型机器人，其特征在于在联结杆和胯关节水平摆动舵机上设置有传感器。
8.根据权利要求4所述的仿壁虎微小型机器人，其特征在于在联结杆和胯关节水平摆动舵机上设置有传感器。
9.根据权利要求5所述的仿壁虎微小型机器人，其特征在于在联结杆和胯关节水平摆动舵机上设置有传感器。
全文摘要
本发明提供了一种结构简单、体积小、隐蔽性强、功耗小、灵活性强、成本低廉、可靠性高、易于应用的微小型仿壁虎爬壁机器人。它包括机械结构和电路控制两部分，机械结构部分包括仿生壁虎单腿结构、仿壁虎机器人身体组装结构和负压吸附及放压装置，仿生壁虎单腿由大腿、小腿和吸盘组成，身体组装结构包括两个腰部驱动舵机、两个气泵、两个气体放压装置、两个四通气管接头和六个塑料导体管，负压吸附及放压装置由舵机、弹簧、钢丝绳、卷线轮及固定弹簧装置构成，本发明具有自身体积小、结构简单、动作灵敏、隐蔽性强、成本低廉、适应环境强等优点，可充当侦察设备、武器系统、通信系统的载体，完成普通士兵无法完成的多种任务，具有广阔的应用前景。
文档编号B25J9/08GK1947959SQ200610150939
公开日2007年4月18日 申请日期2006年10月25日 优先权日2006年10月25日
发明者王立权, 陈东良, 季宝锋, 郝欣伟, 罗红魏 申请人:哈尔滨工程大学