具有自适应性的仿蚂蚁足垫结构及机器人的制作方法

本实用新型涉及机器人结构技术领域，尤其是一种具有自适应性的仿蚂蚁足垫结构及机器人。

背景技术：

传统的攀爬机器人主要有两种，一种是应用于粗糙表面的钩爪机器人，另一种是应用于光滑表面的吸附机器人。钩爪机器人使用钩爪结构与目标表面相接触。其足部一般由刚性关节和齿轮等材料构成，利用强筋等弹性材料对关节进行控制，因此在光滑表面此类机器人大多会变得寸步难行；而吸附机器人通常采用吸力、磁力或黏合剂等，但这些方法大多不适用于多孔外表面或是窗口和角落等非结构表面。

蚂蚁具有卓越的攀爬能力，可以在三维空间进行无障碍攀爬。研究表明蚂蚁的足垫由具有机械缩合功能的钩爪和吸附功能的黏附垫组成，具有摩擦和黏附双重特性。因此，利用仿生黏附材料和爪型结构结合，模仿蚂蚁腿部运动设计机械结构，自主判断目标表面粗糙度并选择合适的接触方式，即可让机器人更好地适用于各种表面并完成攀爬任务。

目前，关于攀爬机器人足部的仿蚂蚁足垫结构设计，国内外并没有相关的技术。略有相似的有华南理工大学的仿生六足攀爬机器人的腿部结构设计，其将钩爪结构与电磁铁结合，通过舵机来旋转脚掌外壳控制电磁铁露出或缩进脚掌底面，以实现两种攀爬模式的切换，使机器人可以在光滑钢铁平面和粗糙墙面上运动（张义等.仿生攀爬机器人. CN202987325）；和南京航空航天大学仿生所研究的基于钩爪附着的仿生四足爬壁机器人脚掌部分，利用柔性连接块和阻尼转轴控制钩爪角度，实现了良好的壁面适应能力（吉爱红等. 基于钩爪附着的仿生四足爬壁机器人. CN105128971）；以及斯坦福大学研究的一种仿蚂蚁的机器人足部结构，模仿蚂蚁等昆虫腿部尖刺与刚毛及其范德华力接触机制，使每个足部结构包含十个由柔性多杆联合装置控制粘附材料进行附着的脚趾结构，且脚趾结构间可以独立偏转，以达到在不平坦表面完成附着的效果。(A.T.Asbeck et al.”Scaling hard vertical surfaces with compliant microspine arrays,” Int.J.Res., vol. 25, no. 12, pp. 1165-1179, 2006,[3] )目前，并未发现利用机械结构自主切换仿生粘附材料和钩爪结构两种附着方式的攀爬机器人足部设计。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种具有自适应性的仿蚂蚁足垫结构及机器人，能够使机器人在攀爬过程中适用于不同粗糙度的表面，以适应复杂多变的工作环境，增加机器人的稳定性与工作范围。

一种具有自适应性的仿蚂蚁足垫结构，其特征在于包括：连杆角型爪、固定杆、弹性连接件、移动块和仿生粘附层；其中连杆角型爪由第一杆和第二杆组成，第一杆的第一端和第二杆的第一端固定连接，且呈30-45度锐角，形成角形爪尖；固定杆位于第一杆后侧，固定杆的第一端与第一杆的中部铰接；弹性连接件的第一端与第二杆的中部铰接；第一杆的第二端和弹性连接件的第二端同时铰接于移动块；第二杆的前表面安装仿生粘附层。

具有所述具有自适应性的仿蚂蚁足垫结构的机器人，其特征在于：所述固定杆的第二端铰接于所适配的足式机器人本体结构上，所述移动块安装于直线驱动部件末端，直线驱动部件安装于所适配的足式机器人本体结构。

所述的具有自适应性的仿蚂蚁足垫结构，其特征在于：所述弹性连接件为弹簧。

所述机器人的运动方法，其特征在于运动方法包括以下过程：

过程1、初始状态时，第一杆、第二杆均与前进方向呈90度以内，机器人欲移动时，角型爪尖先与目标表面相接触，同时移动块受一个向前进方向的力；

过程2、如果此时目标表面足够粗糙，则角型爪尖将会因受力而与目标表面发生互锁，而仿生粘附层则不会与目标表面发生接触；在阻力作用下，仿蚂蚁足垫结构带动机器人发生位移，完成整个前进过程，重复过程1、过程2即可使机器人持续移动；

过程3、如果目标表面足够光滑，角型爪尖会因未受到阻力而向后发生滑动，带动连杆角型爪与移动块发生一个绕固定杆的旋转，并对弹性件产生挤压，继而使仿生粘附层与目标表面发生粘附，带动机器人发生位移；

过程4、当机器人在光滑表面移动完成，移动块所受前进方向的力与第一杆的延长方向呈30-45度，此时由于力的传递性，第一杆会向仿生粘附层提供一个沿杆方向的脱附力，该脱附力与仿生粘附层形成30-45度的锐角，在仿生粘附层范德华力接触原理下使其能自然脱附，与目标表面不再粘合，完成整个前进过程，重复过程过程1、过程3、过程4即可使机器人持续移动。

所述的具有自适应性的仿蚂蚁足垫结构及机器人与运动方法，其特征在于：仿生粘附层模仿蚂蚁等动物的脚掌结构及其范德华力接触机制，与光滑目标表面相粘附；连杆角型爪模仿蚂蚁等动物的腿部钩爪结构，与粗糙目标表面进行锁合；弹性连接件模仿蚂蚁等动物的腿部肌肉结构，协助完成目标表面附着方式的被动选择；该仿蚂蚁足垫结构可以在水平到竖直方向上任一表面运动，其角型爪尖和仿生粘附层分别用于粗糙目标表面和光滑目标表面，且由机械结构对粗糙度被动进行筛选。

本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型作为通用零件结构，具有自适应性，与足式攀爬机器人适配性强，用处广。

2、本实用新型突破了传统柔性足式攀爬机器人脚掌结构的设计，利用机械结构模拟蚂蚁腿部前进与肌肉收缩过程，使机器人可以自主辨别目标表面粗糙度状态，从刚性爪尖与仿生粘附层中自动选取更适宜的附着方式完成工作，提高了机器人的作用范围与稳定性。

3、本实用新型使柔性粘附材料与刚性结构相结合，减少了粘附材料在粗糙表面上无效工作的磨损，有效增加粘附材料的工作效率与使用寿命。

附图说明

图1是本实用新型的仿蚂蚁足垫结构简图。

图2是本实用新型的仿蚂蚁足垫结构示意图。

图3是本实用新型的仿蚂蚁足垫结构爆炸图。

图4是本实用新型的运动方法流程图；

图中标号名称： 1、移动块， 2、固定杆，3、连杆角型爪，3-1、第一杆，3-2、第二杆，4、仿生粘附层，5、弹性连接件。

具体实施方式

本实用新型提供一种具有自适应性的仿蚂蚁足垫结构，包括：固定杆2与移动块1、连杆角型爪3、仿生粘附层4和弹性连接件5。

如图1与图2，固定杆2的第二端铰接于机器人本体结构上，移动块1安装于直线驱动部件末端，直线驱动部件安装于机器人本体结构，使整个仿蚂蚁足垫结构具有自适应性，足够适配多数足式机器人。

如图1与图2， 连杆角型爪3由第一杆3-1和第二杆3-2组成，第一杆的第一端和第二杆的第一端固定连接，且呈30-45度锐角，形成角形爪尖；固定杆2位于第一杆3-1后侧，固定杆2的第一端与第一杆3-1的中部铰接；弹性连接件5的第一端与第二杆3-2的中部铰接；第一杆3-1的第二端和弹性连接件5的第二端同时铰接于移动块1；第二杆的前表面安装仿生粘附层4。

如图1与图2，弹性连接件5通常为弹簧。

如图1所示，图中箭头方向即为该图中机器腿的前进方向。

如图4所示，具有自适应性的仿蚂蚁足垫结构及机器人与运动方法的具体流程包括以下过程：

过程1、初始状态时，第一杆3-1、第二杆3-2均与前进方向呈90度以内，机器人欲移动时，角型爪尖先与目标表面相接触，同时移动块1受一个向前进方向的力；

过程2、如果此时目标表面足够粗糙，则角型爪尖将会因受力而与目标表面发生互锁，而仿生粘附层4则不会与目标表面发生接触；在阻力作用下，仿蚂蚁足垫结构带动机器人发生位移，完成整个前进过程，重复过程1、过程2即可使机器人持续移动；

过程3、如果目标表面足够光滑，角型爪尖会因未受到阻力而向后发生滑动，带动连杆角型爪3与移动块1发生一个绕固定杆2的旋转，并对弹性件产生挤压，继而使仿生粘附层4与目标表面发生粘附，带动机器人发生位移；

过程4、当机器人在光滑表面移动完成，移动块1所受前进方向的力与第一杆3-1的延长方向呈30-45度，此时由于力的传递性，第一杆3-1会向仿生粘附层4提供一个沿杆方向的脱附力，该脱附力与仿生粘附层4形成30-45度的锐角，在仿生粘附层4范德华力接触原理下使其能自然脱附，与目标表面不再粘合，完成整个前进过程，重复过程过程1、过程3、过程4即可使机器人持续移动。

尽管本实用新型就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本实用新型的权利要求所限定的范围，可以对本实用新型进行各种变化和修改。