一种具有触感的无源负压吸附微小型爬壁机器人足部机构的制作方法

本发明涉及一种具有触感的无源负压吸附微小型爬壁机器人足部机构，属于智能机器人技术领域。

背景技术：

目前，爬壁机器人一般都是采用的有源负压吸附方式，分为负压吸附方式、磁吸附方式和推理吸附方式，这些吸附方式具有不易于微小型化以及功能质量比低的缺点。爬壁机器人的运动形式上也有很多种，比如轮式、足式、仿生等，而足式爬壁机器人对环境的适应性相对比较强，同时运用负压吸附方式更能牢固的吸附在壁面上，因此足式爬壁机器人的发展相对较快；对爬壁机器人足部结构研究的需求较高，因为壁面的光洁度和表面平整度对足部机构的影响很大，是导致机器人不能稳定移动和吸附的主要原因，这就要求足部机构具有一定的智能性，能够判断当前吸附的状态，以及能够为机器人主体的姿态调整提供信息；目前爬壁机器人正朝着小型化的方向发展，而采用无源吸附方式的足部机构结构简单，同时又能减小减轻机器人的体积和重量。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有触感的无源负压吸附微小型爬壁机器人足部机构，利用传感器获取壁面信息，为足部机构调整自身的摆动角度提供帮助，具有一定的智能性与自适应性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种具有触感的无源负压吸附微小型爬壁机器人足部机构，包括控制系统、足径、踝关节、吸附机构；其中，足径的上端连接爬壁机器人腿部，下端通过踝关节连接吸附机构；控制系统包括控制模块、步进电机驱动器、信号调理电路；所述吸附机构包括带锯齿的导杆、齿轮、步进电机、刚性支撑体、密封空腔、唇边、滤网及压电薄膜传感器；刚性支撑体为无下底的空心圆柱状结构，密封空腔为壁面呈波浪形的圆筒状结构，且密封空腔置于刚性支撑体内，刚性支撑体上底安装有步进电机，步进电机的转子前端装有齿轮，带锯齿的导杆上端与踝关节相连，下端穿过刚性支撑体的上底与密封空腔相连，且带锯齿的导杆上的锯齿与齿轮啮合，当齿轮转动时，带动带锯齿的导杆上下往复运动；刚性支撑体下端连接唇边，唇边为吸盘状结构，滤网安装于唇边的中间，压电薄膜传感器包括三个大小相同的扇环形的压电薄膜，且压电薄膜贴附于唇边的下表面，相邻两个压电薄膜之间存在空隙；信号调理电路用于将压电薄膜传感器采集的信号进行放大、滤波并转换成数字信号传输给控制模块，步进电机驱动器用于将控制模块输出的控制信号传输给步进电机和踝关节，从而驱动步进电机和踝关节运动。

作为本发明的一种优选方案，所述控制模块采用DSP2812运动控制器。

作为本发明的一种优选方案，所述压电薄膜传感器采用聚偏氟乙烯材料制成。

作为本发明的一种优选方案，所述唇边采用弹性材料制成。

作为本发明的一种优选方案，所述压电薄膜传感器的引线是利用在压电薄膜基底上光刻铜制栅线制作而成。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明具有触感的爬壁机器人足部机构的踝关节使用步进电机，使其具有摆动的自由度，这就能让足部机构通过对壁面信息的采集来调整唇边的方位，使其可以完全的吸附在壁面上。

2、本发明足部机构在其底部设置了聚偏氟乙烯(PVDF)传感器，相比其他压力传感器，该传感器具有频响宽，动态范围大，体积小和测量灵敏度高的优点，且其高强度的机械性能能满足动态测试的要求。

3、本发明足部机构采用的是无源负压吸附方式，这是利用容腔自身的体积变化产生内外压强差，能够为微型或小型的机器人提供足够的吸附力使其稳固的吸附在壁面上，同时由于爬壁机器人不再需要空气压缩机，其移动范围也扩大了很多。

附图说明

图1是本发明一种具有触感的无源负压爬壁机器人足部机构的剖视图。

图2是本发明一种具有触感的无源负压爬壁机器人足部机构的传感器、滤网的俯视图。

图3是本发明一种具有触感的无源负压爬壁机器人足部机构在平整的壁面上吸附时的初始状态图。

图4是本发明一种具有触感的无源负压爬壁机器人足部机构在平整的壁面上吸附完成时状态图。

图5是本发明一种具有触感的无源负压爬壁机器人足部机构在小幅曲率的壁面上吸附时的初始状态图。

图6是本发明一种具有触感的无源负压爬壁机器人足部机构在小幅曲率的壁面上吸附时调整后的状态图。

图7是本发明一种具有触感的无源负压爬壁机器人足部机构在小幅曲率的壁面上吸附完成时的状态图。

其中，1-足径，2-踝关节，3-带锯齿的导杆，4-齿轮，5-步进电机，6-刚性支撑体，7-密封空腔，8-唇边，9-滤网，10-压电薄膜传感器，11-压电薄膜，12-压电薄膜，13-压电薄膜。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，本发明一种具有触感的无源负压爬壁机器人足部机构，包括控制系统以及连接爬壁机器人腿部的足径1，足径1下端连接着踝关节2的定子，而踝关节2的转子与吸附机构相连；控制系统包括控制模块、步进电机驱动器和信号调理电路，其中控制模块是采用DSP2812运动控制器作为主控单元对足部机构的步进电机5和踝关节2控制，信号调理电路是将聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜传感器10采集的信号进行放大、滤波等处理后经ADC模块转换成数字信号传输给DSP2812运动控制器进行运算处理，步进电机驱动器是利用DSP2812运动控制器输出的信号驱动步进电机和踝关节进行运动，从而实现足部机构的摆动行为以及调整其吸附力的大小，使得该足部机构具有一定的智能性与自适应性。

吸附机构包括带锯齿的导杆3、刚性支撑体6、密封空腔7、弹性材料制成的唇边8、滤网9、步进电机5、齿轮4以及聚偏氟乙烯压电薄膜传感器10，刚性支撑体6是圆筒状结构，刚性支撑体6的上端安装有步进电机5，步进电机5转子的前端安装有齿轮4，而弹性材料制成的唇边8是圆周壁面呈波浪形的圆筒状结构，滤网9被安装在唇边8的中间，上端连接着刚性支撑体6，下面贴附着PVDF压电薄膜传感器10。

刚性支撑体6内部带有锯齿的导杆3上端连接着踝关节2的转子，下端连接着密封空腔7，密封空腔7是由弹性体材料制成的圆筒状结构，且圆周壁面呈波浪形，这有利于增大容腔7自身的体积，即能够增大吸附机构的负压。

如图2所示，聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜传感器10的制作是将三片完全相同的扇环状聚偏氟乙烯压电薄膜11、12、13嵌入在绝缘薄膜里面，这就使得传感器的厚度很小，同时其产生的摩擦力很大，使得机器人不易从壁面上滑落；滤网9在三片压电薄膜中间，作用是防止灰尘吸入到吸盘中。同时两两之间都预留了一定的空隙，而传感器的引线是利用在绝缘薄膜基底上光刻铜制栅线的方法制作而成的，从预留的空隙间引出。通过检查三片聚偏氟乙烯压电薄膜11、12、13输出的电信号的大小，控制系统可以判断当前足部机构的唇边8是否与壁面完全贴紧，同时也可以测出当前的吸附力的大小。

如图3以及图4所示，将具有触感的爬壁机器人足部机构吸附在平整的壁面上的操作过程如下：当机器人将足部机构下放到平面上时，即如图3所示的初始状态，PVDF压电薄膜11、12、13分别输出电信号给信号调理电路，因为壁面是平整的，输出的信号幅度应该是一样的，此时信号调理电路将模拟信号转换成数字信号后输出给控制模块进行运算处理，再根据足部机构吸附的指令，控制模块输出信号使得步进电机驱动器驱动步进电机5的转子逆时针转动，带动齿轮4逆时针转动，使得带锯齿的导杆3向上运动，增大了密封空腔7的体积，从而产生了负压使得足部机构吸附在壁面上，这就形成如图4所示的状态。

如图5、图6以及图7所示，将具有触感的爬壁机器人足部机构吸附在小幅曲率的壁面上的操作过程如下：当机器人将足部机构下放到曲面上时，即如图5所示的初始状态，参考图2，此时传感器上只有聚偏氟乙烯压电薄膜12上产生电信号，而聚偏氟乙烯压电薄膜11、13没有输出电信号，此时唇边8没有完全贴附在壁面上，控制模块根据信号调理电路传出的信息进行运算操作，然后驱动踝关节2的转子逆时针转动，从而使得足部机构的唇边8完全的贴附在曲面上，形成如图6的状态；根据足部机构吸附的指令，控制模块通过步进电机驱动器驱动步进电机5的转子逆时针转动，带动齿轮4逆时针转动，这就使得带锯齿的导杆3向上运动，增大了密封空腔7的体积，最终形成如图7的状态，因此机器人能够稳固的吸附在曲面上。

综上，具有触感的爬壁机器人足部机构能够通过自身的传感器对壁面的平整度进行一定的感知，从而配合控制系统做出吸附和释放的操作，因此该足部机构为机器人稳定的吸附在壁面上提供了一定的保证；该足部机构采用的无源吸附方式，能够很好的减小减轻自身的体积以及质量，为微小型爬壁机器人的实现提供了可能，因此该足部机构具有很高的应用价值。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。