基于钩爪附着的仿生四足爬壁机器人

摘要

本发明涉及一种基于钩爪附着的仿生四足爬壁机器人，及攀爬机器人的技术领域。它包括前机体板（3），后机体板（10）、连杆、尾巴（12）、机械腿；机械腿上安装有脚掌（6）；其特征在于：所述脚掌（6）包括脚掌基体（17）；脚掌基体（17）的后端通过阻尼转轴（14）安装于机械腿上，其中阻尼转轴（14）的轴线与脚掌基体（17）所在平面平行，脚掌（6）所在平面和机械腿所在平面之间的角度可以通过转动阻尼转轴（14）来调节；脚掌基体（17）的前端安装有柔性连接块（15），柔性连接块（15）前端设有多个突出的柔性矩形条，每个柔性矩形条的末端均安装有钩爪（16）本发明结构简单，控制容易，易于组装。

说明书

技术领域

本发明涉及攀爬机器人的技术领域，特别涉及一种仿生攀爬机器人。

技术背景

目前，建筑物的外壁喷涂，清洗，抢险救援与社会服务等多个领域有着广泛的作业需求。在这些极限环境下，人工作业十分危险，急需有攀爬功能的爬壁机器人代替人工进行作业。

目前，国内外发明出许多爬壁机器人，比如哈尔滨工程大学的钩爪式爬壁机器人；斯坦福大学的Stickybot。这些机器人都能实现一定的爬行功能，但以下方面也存在一定的不足：

(1)攀爬表面单一，不能随着粗糙表面的状况相应的改变姿态以适应粗糙表面。

(2)结构与控制相对复杂，不易于实现。

发明内容

基于上述背景，本发明提供了一种仿生爬壁机器人的机械机构，合理安排腿部结构，并通过机械设计使其具有良好的环境适应能力和爬行能力。

一种基于钩爪附着的仿生四足爬壁机器人，包括前机体板，后机体板、用于连接前机体板和后机体板的连杆、安装在后机体板尾部的尾巴、分别安装于前机体板、后机体板左右两侧的共四条机械腿；机械腿上安装有脚掌；其特征在于：

所述脚掌包括脚掌基体；脚掌基体的后端通过阻尼转轴安装于机械腿上，其中阻尼转轴的轴线与脚掌基体所在平面平行，脚掌所在平面和机械腿所在平面之间的角度可以通过转动阻尼转轴来调节；脚掌基体的前端安装有柔性连接块，柔性连接块前端设有多个突出的柔性矩形条，每个柔性矩形条的末端均安装有钩爪。其中当脚掌接触壁面时，阻尼转轴转动一定角度实现脚掌平面与壁面平行，柔性连接块前端的柔性矩形条可以根据壁面的形状改变弯曲程度，同时也可以在平行壁面的方向产生一定程度的延展。所述的柔性连接块和阻尼转轴可以使机器人增强对壁面的适应性。

上述的基于钩爪附着的仿生四足爬壁机器人，其特征在于：所述用于连接前机体板和后机体板的连杆包括柔性连杆和刚性连杆；前机体板与后机体板的上表面通过柔性连杆连接，前机体板与后机体板的下表面通过刚性连杆连接。前机体板和后机体板可以相对于刚性连杆的上下铰接孔转动。这种连接方式既保证了机器人的身体可以扭动，又能保证前机体板与后机体板在同一平面内。柔性连杆提供了机身恢复到初始状态的回复力。所述结构保证了机器人的爬行的稳定性。

所述的基于钩爪附着的仿生四足爬壁机器人，其特征在于：所述尾巴与后机体板通过扭簧连接，得尾巴末梢落在脚掌所在的平面内。所述结构设计可以提供机器人竖直面爬行的抗倾翻力，提高其爬行的稳定性。

所述的基于钩爪附着的仿生四足爬壁机器人，其特征在于：所述机械腿由驱动腿，随动腿，脚掌连杆，俯仰关节，俯仰舵机和摆腿舵机组成；其中俯仰舵机安置在前机体板或后机体板上，俯仰关节一端安装在俯仰舵机的输出轴上，另一端与前机体板或后机体板铰接，摆腿舵机通过预留出的舵机孔安装在俯仰关节上，随动腿一端铰接在俯仰关节上，另一端铰接在脚掌连杆上，驱动腿一端固定在摆腿舵机的输出轴上，另一端铰接在脚掌连杆上。每条腿有两个自由度，每个自由度有相应的舵机控制其运动。俯仰舵机控制腿部的上下运动，摆腿舵机控制腿部的前后摆动。本机器人设计的四条腿部的结构是一致的，因而整个机身由八个舵机控制其运动。所述腿部结构为平行四边形结构，简化普通腿部的三自由度结构为二自由度的腿部结构。减轻了机器人的机体重量，简化了机器人的步态控制。

本发明的优势在于：采用平行四边形腿部结构，减轻了机身重量；脚掌部分使用柔性材料制成，脚掌与腿部使用阻尼转轴连接，可根据壁面的坡度而改变转轴角度，具有良好的壁面适应能力。前、后机体板之间使用柔性连杆和刚性连杆连接，使前、后机体板总是保持在同一平面内，同时在垂直身体轴向方向具有自由度。尾部采用扭簧与机体板连接，具有良好的弹性，保证了爬行的稳定性。机器人结构简单，易于组装，爬行稳定性好，易于控制。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的正视图与侧视图；

图3是阻尼转轴的结构示意图；

图4是机器人的脚掌结构爆炸图；

图5是刚性连杆的示意图;

图中标号名称：1.俯仰舵机；2.俯仰关节；3.前机体板；4.摆腿舵机；5.柔性连接杆；6.脚掌；7.脚掌连杆；8.随动腿；9.驱动腿；10.后机体板；11.扭簧；12.尾巴；13.刚性连杆；14.阻尼转轴；15.柔性连接块；16.钩爪；17.脚掌基体。

具体实施方式

结合附图进行具体说明

如图1所示，为基于钩爪的仿生四足爬壁机器人具体设计图，机器人由前机体板3，下机体10，腿部，尾巴12，脚掌6组成。腿部由驱动腿9，随动腿8，脚掌连杆7，俯仰关节2，俯仰舵机1和摆腿舵机4组成。俯仰舵机1通过胶接安置在前机体板3上，摆腿舵机4通过预留出的舵机孔安装在俯仰关节2上，摆腿舵机4与俯仰关节2通过螺丝螺母固定。俯仰关节2一端安装在俯仰舵机1的输出轴上，另一端与前机体板3铰接。随动腿8一端铰接在俯仰关节2上，另一端铰接在脚掌连杆7上，驱动腿9一端固定在摆腿舵机4的输出轴上，另一端铰接在脚掌连杆7上。每条腿有两个自由度，每个自由度有相应的舵机控制其运动。俯仰舵机1控制腿部的上下运动，摆腿舵机4控制腿部的前后摆动。本机器人的设计的四条腿部的结构是一致的，因而整个机身有八个舵机控制其运动。

如图4为基于钩爪的仿生四足爬壁机器人脚掌6的详细结构图，脚掌6由柔性连接块15，钩爪16和脚掌基体17组成。柔性连接块15由弹性材料制成，其前端有六个柔性矩形条，柔性矩形条之间是独立的，受力时可以分别在平行柔性矩形条与垂直柔性矩形条两个方向上延展。在柔性矩形条的前端安置有钩爪16。钩爪16由钢针制成，每个矩形条前端安置一个钩爪16。柔性连接块15与脚掌基体17通过机械锁合的方式连接，如图4柔性连接块15的末端卡在脚掌基体17的前端的槽口里。脚掌6与腿部之间通过阻尼转轴14固定，阻尼转轴14的转矩可调，其与脚掌6和腿部之间通过螺丝螺母固定。脚掌6所在平面和腿部所在平面之间的角度可以通过转动阻尼转轴14来调节。阻尼转轴的具体结构如图3所示。

如图2前机体板3与后机体板10之间通过柔性连杆5和刚性连杆13连接。柔性连杆5的两端通过固连分别固定在前机体板3和后机体板10的上表面。刚性连杆13的两端通过铰接分别固定在前机体板3和后机体板10的下表面。刚性连杆13如图5所示，前机体板3和后机体板10可以相对于刚性连杆13的上下铰接孔转动。这种连接方式既保证了机器人的身体可以扭动，又能保证前机体板3与后机体板10在同一平面内，保证了机器人的爬行稳定性。如图2为机器人不受力时不产生扭动的初始状态。

如图2所示，机器人的尾巴12与后机体板10通过扭簧11连接，使尾巴12与机体板之间呈一定的角度，尾巴末梢落在脚掌所在的平面内。

关于电源与控制：整个机器人有八个舵机需要控制，舵机与舵机驱动板相连接，另外通过以ARM为主控芯片的主控制板输出控制信号到舵机驱动板以协调腿部之间的运动，实现攀爬动作。驱动板和主控制芯片电源采用5V直流电，由7.4V锂电池经过稳压模块后供给。

关于攀爬过程：通过主控芯片输出控制信号驱动舵机来协调腿部之间的运动。该机器人能模拟爬壁动物的交替三足步态和对角步态。能实现在粗糙的墙面，陡坡，柔软表面，大树等表面攀爬。