仿生履带式粘附行走机构及其运动方法
【专利摘要】本发明公开了一种仿生履带式粘附行走机构及其运动方法，包括机身框架、张紧机构、驱动机构、粘附带，驱动机构包括驱动电机、驱动电机齿轮、主动轮、从动轮，主动轮通过齿轮轴连接于机身框架一端，从动轮通过从动轮轴连接于机身框架另一端，驱动电机驱动驱动电机齿轮，驱动电机齿轮与齿轮轴相啮合，张紧机构包括张紧轮架、张紧弹簧、微型力传感器、张紧轮、套筒，张紧轮、主动轮、从动轮通过粘附带连接，还包括一设于机身框架上的机构连接装置。本发明通过机器人机体输出一定切向位移和位姿角度，实现脚掌粘附、脱附和按压，帮助机器人在壁面上行走和停留。
【专利说明】仿生履带式粘附行走机构及其运动方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及仿生机器人领域，具体涉及一种仿生履带式粘附行走机构及其运动方法，主要应用于爬壁机器人中以实现不同倾角壁面的粘附、行走、停留以及越障功能。
【背景技术】
[0002]三维空间表面爬行机器人一直是机器人领域研究热点。利用爬壁机器人可以代替人类在陡峭的壁面上执行任务，例如摩天大楼外墙清洗、油气罐检修、核设施维护等。研究发现大壁虎脚趾表面生长有数百万根的微米级刚毛，每根刚毛顶端又有数千根纳米级绒毛。这些刚毛阵列与壁面间的范德华力(即分子间力)为大壁虎在壁面上粘附行走提供了支持。研究人员采用MEMS (微机电系统)技术、NEMS (纳机电系统)技术等，以PDMS (聚二甲基娃氧烧)、PU(聚氣脂)等闻聚物或者娃片等为基底，在表面加工出仿大壁虎脚IE止表面微纳刚毛阵列，并将其装备在机器人上，使其获得三维空间表面爬行能力，有利于提高爬壁机器人爬壁能力，降低能耗、噪音等不利因素。在研究过程中还发现，某些高聚物，如硅胶等，其表面虽然未经过加工，但也具有一定粘附性，故经常被国内外的研究者用于测试机构的可行性。以上表面加工或者未加工过的粘附材料在使用前须要施加一定的法向压力以提高粘附强度，故又称“压力敏感粘附材料”(Pressure Sensitive Material)。
[0003]国内南京航空航天大学发明了一种机器人仿壁虎粘附脚趾，并提供了运动方法。该仿壁虎脚趾可适用于在光滑表面粘附的仿壁虎爬行机器人脚掌设计和运动实现中，能完全模拟大壁虎脚趾粘附阵列单方向较大的粘附力和反方向较小脱附力的各向异性力学特征。然而，该种脚趾刚度主要由弹簧和柔性材料决定，针对不同场合的自适应调整能力不强。美国斯坦福大学研制出四足爬壁机器人Stickybot, Stickybot每个足上有四片脚趾，通过内嵌钢丝实现脚趾翻起。可以在90°壁面上稳定粘附行走。然而，其结构较为复杂，并且运动范围有限。美国卡耐基梅隆大学研制出的Geckobot爬壁机器人、Four-bar爬壁机器人、Waalbot系列爬壁机器人等采用盘状脚掌作为粘附行走部件，通过直线运动或转动进行剥离或粘附动作。该类型脚掌材料力学性能固定，无法在壁面角度变化或外加载荷变化时进行自适应性调节以保持最佳粘附状态，避免粘附失效。
【发明内容】
[0004](一 )要解决的技术问题
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种仿生履带式粘附行走机构及其运动方法。该脚掌结构可以帮助仿生爬壁机器人在三维空间光滑表面粘附、行走。通过机器人机体输出旋转运动和切向运动可以实现在任意角度壁面停留，适应不同外加载荷和不同角度壁面。通过张紧机构可以进行粘附履带内部张力调整，调整剥离角度，适应外加载荷、壁面角度和壁面曲率变化。
[0006]( 二 )技术方案
[0007]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:[0008]一种仿生履带式粘附行走机构，包括机身框架、张紧机构、驱动机构、粘附带，所述驱动机构包括驱动电机、驱动电机齿轮、主动轮、从动轮，所述主动轮通过齿轮轴连接于所述机身框架一端，所述从动轮通过从动轮轴连接于所述机身框架另一端，所述驱动电机驱动所述驱动电机齿轮，所述驱动电机齿轮与所述齿轮轴相啮合，所述张紧机构包括张紧轮架、张紧弹簧、微型力传感器、张紧轮、套筒，所述套筒设于所述机身框架上表面，所述套筒上表面设有所述微型力传感器，所述张紧轮架包括轴伸和安装端，所述轴伸下端穿过所述微型力传感器和套筒，所述轴伸上套设有所述张紧弹簧，所述张紧弹簧设于所述微型力传感器和安装端之间，所述张紧轮通过张紧轮轴安装于所述安装端上，所述张紧轮、主动轮、从动轮通过所述粘附带连接，还包括一设于机身框架上的机构连接装置。
[0009]其中，所述套筒为固定于所述机身框架上表面的固定套筒。
[0010]其中，所述套筒为设于所述机身框架上表面的升降套筒，所述升降套筒外侧面设有齿条，所述机身框架上设有一连接有张紧电机的驱动齿轮，所述驱动齿轮啮合所述升降套筒的齿条并驱动所述升降套筒升降。
[0011]其中，所述机构连接装置包括设于所述机身框架侧面的滑动槽，所述滑动槽内设有侧向滑动件，所述侧向滑动件两侧通过侧向弹簧安装于所述滑动槽内。
[0012]其中，所述粘附履带由柔软橡胶平带外侧固定一层粘附材料制成。
[0013]该仿生履带式粘附行走机构的运动方法，
[0014](I)机器人机体通过控制侧向滑动件，向所述粘附行走机构输出Χ-y平面内旋转和平移运动，通过旋转运动，使主从动轮连线与壁面间呈一定位姿角度；
[0015](2)处于悬空相的粘附行走机构，机器人机体通过控制所述侧向滑动件，使粘附行走机构的所述主动轮碰触壁面，随后将粘附行走机构向前方平推，使主动轮向前滚动，在此过程中完成粘附带与壁面的接触、粘附。在实现完全粘附之后，即进入支撑相；
[0016](3)处于支撑相的粘附行走机构，机器人机体通过控制侧向滑动件，使粘附行走机构抬起、脱附；另外，当处于大倾角壁面时，机器人机体给予粘附机构一定位姿角度，并输出平行于壁面的往复运动。剥离端粘附带以一定剥离角剥离时，剥离力使非剥离端粘附带进入非剥离端轮下缘时受到按压；然后，非剥离端变剥离端并提供下压力；往复运动前进；
[0017](4)当遇到障碍时，抬起粘附机构越过障碍或避开障碍。
[0018](三)有益效果
[0019]本发明相比较于现有技术，具有如下有益效果:
[0020](I)相对于传统爬壁机器人脚掌，将粘附履带结构作为粘附脚掌，仅需很小的法向按压力，即可通过输入切向位移实现粘附。
[0021](2)单个粘附机构具有自我提供预压力作用。特别是在天花板等大倾角壁面，可以通过长时间对对角部位粘附机构输出往复运动,实现机器人原地悬停。而传统足式爬壁机器人，其悬空相的足在转化为支撑相时，需要依靠处于支撑相的足，通过机体提供预压力；
[0022](3)张紧机构微型力传感器可以感受弹簧力大小，继而通过换算得出带张力大小，并实时反馈。
[0023](4)侧向滑动件连接机体与脚掌，配合侧向弹簧，可以解决对角步态下爬壁机器人内部冗余力问题。
[0024]本方案的一种改进形式，张紧电机输出轴上固定驱动齿轮，与升降套筒上齿条啮合。张紧轮架与升降套筒之间有一直线运动副。升降套筒上端固定微型力传感器。微型力传感器与张紧轮架间安装张紧弹簧，可以传递力和位移。
[0025]在运动过程中，张紧电机转动，带动升降套筒上下运动，通过张紧弹簧传递力与运动，主动调整粘附履带内部张紧力，继而主动适应不同外加载荷、不同角度壁面或具有一定曲率壁面。通过机器人机体输出一定切向位移和位姿角度，实现脚掌粘附、脱附和按压，帮助机器人在壁面上行走和停留。通过张紧机构进行被动或主动调节，可以增加仿生爬壁机器人对外加载荷、多种角度壁面及一定曲率壁面的适应性。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1a为本发明的实施例一的结构示意图；
[0027]图1b为图1a的主视图；
[0028]图2a为本发明的实施例二的结构示意图；
[0029]图2b为图2a的主视图；
[0030]图2c为图2a的左视图；
[0031]图3为本发明实施例二的仿生履带式粘附行走机构在平面上行进的示意图；
[0032]图4a为本发明实施例二的仿生履带式粘附行走机构抬起越障的示意图；
[0033]图4b为本发明实施例二的仿生履带式粘附行走机构抬起越障的示意图；
[0034]图5为本发明实施例二的仿生履带式粘附行走机构在一定曲率表面行进运动时的示意图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0036]实施例一
[0037]如图1a和图1b所示的，一种仿生履带式粘附行走机构，包括机身框架1、张紧机构、驱动机构、粘附带12，所述驱动机构包括驱动电机3、驱动电机齿轮4、主动轮6、从动轮13，所述主动轮6通过齿轮轴5连接于所述机身框架I 一端，所述从动轮13通过从动轮轴14连接于所述机身框架I另一端，所述驱动电机3驱动所述驱动电机齿轮4，所述驱动电机齿轮4与所述齿轮轴5相啮合，所述张紧机构包括张紧轮架7、张紧弹簧10、微型力传感器
11、张紧轮9、套筒17，所述套筒17设于所述机身框架I上表面，所述套筒17上表面设有所述微型力传感器11，所述张紧轮架7包括轴伸702和安装端701，所述轴伸702下端穿过所述微型力传感器11和套筒17，所述轴伸702上套设有所述张紧弹簧10，所述张紧弹簧10设于所述微型力传感器11和安装端701之间，所述张紧轮9通过张紧轮轴8安装于所述安装端701上，所述张紧轮9、主动轮6、从动轮13通过所述粘附带12连接，还包括一设于机身框架I上的机构连接装置。
[0038]所述套筒17为固定于所述机身框架I上表面的固定套筒。
[0039]所述机构连接装置包括设于所述机身框架I侧面的滑动槽16，所述滑动槽16内设有侧向滑动件2，所述侧向滑动件2两侧通过侧向弹簧15安装于所述滑动槽16内。
[0040]所述粘附履带12由柔软橡胶平带外侧固定一层粘附材料制成。[0041]实施例二
[0042]如图2a、图2b和图2c所示的，所述套筒17为设于所述机身框架I上表面的升降套筒，所述升降套筒外侧面设有齿条，所述机身框架I上设有一连接有张紧电机19的驱动齿轮18，所述驱动齿轮18啮合所述升降套筒的齿条并驱动所述升降套筒升降。
[0043]图3所示为粘附行走机构第二个实施例在平坦表面行进的示意图。机器人机体通过控制侧向滑动件2，向粘附行走机构输出x-y平面内旋转和平移运动；机器人机体首先输出旋转运动，使粘附行走机构主从动轮连线与壁面间呈一定角度α (位姿角度)。直流电机3转动，带动粘附机构及机体前进。粘附带后部以一定剥离角Θ剥离，产生的剥离点粘附力Fpeeling使粘附带12进入主动轮6下缘时受到按压力Fpreload,即为粘附带12外侧面粘附材料提供了预压力，保证其具有一定的粘附力，进而为粘附行走机构及机器人机体源源不断地提供粘附力。通过改变直流电机3转动速度速度、位姿角度α，调节粘附带张紧力，可以改变粘附带粘附部分长度a和剥离角Θ，从而适应不同的壁面倾斜角度。通过张紧电机19输出转动，可以提升或降低升降套筒17，继而通过张紧弹簧10传递力和位移到张紧轮架7，起到主动张紧或放松粘附带12的作用，以此主动适应剥离力造成的粘附带张力变化。
[0044]图4a和图4b所示分别为粘附行走机构第二个实施例抬起跨越障碍和直接驶过障碍的示意图。如图4a，对于较大的障碍100，机器人机体通过侧向滑动件2抬起粘附机构，直接越过障碍。如图4b，对于较小的障碍150，通过张紧电机19转动，使张紧轮9下降，放松粘附带12，使其能够适应障碍物形状，帮助粘附机构稳定驶过障碍物。
[0045]图5所示为粘附行走机构第二个实施例在具有一定弧度光滑表面行进示意。通过张紧电机19转动，使张紧轮9下降，放松粘附带12，使其适应具有一定弧度光滑表面200，帮助粘附行走机构在该种表面稳定粘附。
[0046]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种仿生履带式粘附行走机构，其特征在于:包括机身框架、张紧机构、驱动机构、粘附带，所述驱动机构包括驱动电机、驱动电机齿轮、主动轮、从动轮，所述主动轮通过齿轮轴连接于所述机身框架一端，所述从动轮通过从动轮轴连接于所述机身框架另一端，所述驱动电机驱动所述驱动电机齿轮，所述驱动电机齿轮与所述齿轮轴相啮合，所述张紧机构包括张紧轮架、张紧弹簧、微型力传感器、张紧轮、套筒，所述套筒设于所述机身框架上表面，所述套筒上表面设有所述微型力传感器，所述张紧轮架包括轴伸和安装端，所述轴伸下端穿过所述微型力传感器和套筒，所述轴伸上套设有所述张紧弹簧，所述张紧弹簧设于所述微型力传感器和安装端之间，所述张紧轮通过张紧轮轴安装于所述安装端上，所述张紧轮、主动轮、从动轮通过所述粘附带连接，还包括一设于机身框架上的机构连接装置。
2.根据权利要求1所述的仿生履带式粘附行走机构，其特征在于:所述套筒为固定于所述机身框架上表面的固定套筒。
3.根据根据权利要求1所述的仿生履带式粘附行走机构，其特征在于:所述套筒为设于所述机身框架上表面的升降套筒，所述升降套筒外侧面设有齿条，所述机身框架上设有一连接有张紧电机的驱动齿轮，所述驱动齿轮啮合所述升降套筒的齿条并驱动所述升降套筒升降。
4.根据权利要求2或3所述的仿生履带式粘附行走机构，其特征在于:所述机构连接装置包括设于所述机身框架侧面的滑动槽，所述滑动槽内设有侧向滑动件，所述侧向滑动件两侧通过侧向弹簧安装于所述滑动槽内。
5.根据权利要求4所述的仿生履带式粘附行走机构，其特征在于:所述粘附履带由柔软橡胶平带外侧固定一层粘附材料制成。
6.根据权利要求4所述的仿生履带式粘附行走机构的运动方法，其特征在于: (1)机器人机体通过控制侧向滑动件，向所述粘附行走机构输出χ-y平面内旋转和平移运动，通过旋转运动，使主从动轮连线与壁面间呈一定位姿角度； (2)处于悬空相的粘附行走机构，机器人机体通过控制所述侧向滑动件，使粘附行走机构的所述主动轮碰触壁面，随后将粘附行走机构向前方平推，使主动轮向前滚动，在此过程中完成粘附带与壁面的接触、粘附。在实现完全粘附之后，即进入支撑相； (3)处于支撑相的粘附行走机构，机器人机体通过控制侧向滑动件，使粘附行走机构抬起、脱附；另外，当处于大倾角壁面时，机器人机体给予粘附机构一定位姿角度，并输出平行于壁面的往复运动。剥离端粘附带以一定剥离角剥离时，剥离力使非剥离端粘附带进入非剥离端轮下缘时受到按压；然后，非剥离端变剥离端并提供下压力；往复运动前进； (4)当遇到障碍时，抬起粘附机构越过障碍或避开障碍。
【文档编号】B62D57/024GK103847826SQ201310030131
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年1月28日 优先权日:2013年1月28日
【发明者】吴晅, 刘彦伟, 胡重阳, 孙少明, 梅涛, 谢颖 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院