适应空间站微重力环境中复杂狭小空间的仿生爬壁机器人制造技术

本实用新型专利技术公开了一种适应空间站微重力环境中复杂狭小空间的仿生爬壁机器人，所要解决的技术问题是，针对背景技术中提及的空间站微重力环境存在许多复杂小空间，以往的机器人由于机械结构限制了工作空间，导致其步态和轨迹规划受到约束，难以通过许多复杂狭小的空间的技术问题。所采取的技术方案是，包括机身，四个多姿态快速转换仿生单腿模块，四个主动黏‑脱附脚爪机构，四个主动黏‑脱附脚爪机构的末端均设置仿生脚趾黏附单元。优点，通过差动齿轮传动机构实现了多种姿态、步态转换机构，将大腿旋转关节与抬腿关节结合，提高了机器人的腿部运动灵活度，通过主动黏‑脱附脚爪机构实现快速脱附和步态转换，使其适应多种特殊姿态和运动步态，具备在复杂狭小空间的通过及运动能力。

A bionic climbing robot adapted to the complex and narrow space in the microgravity environment of the space station

The utility model discloses a bionic wall-climbing robot adapted to the complex and narrow space in the microgravity environment of the space station. The technical problem to be solved is that there are many complicated and small spaces in the microgravity environment of the space station mentioned in the background technology. The mechanical structure of the previous robot limited the workspace and led to its steps. State and trajectory planning is constrained and difficult to pass through many complex and narrow space technical problems. The technical scheme adopted includes the fuselage, four bionic single leg modules with Multi-Attitude fast conversion, four active adhesion and detachment mechanisms, and four active adhesion and detachment mechanisms with bionic toe adhesion units at the end. Advantages, through the differential gear transmission mechanism to achieve a variety of posture, gait conversion mechanism, the thigh rotation joint and the leg lift joint combination, improve the flexibility of the robot's leg movement, through the active adhesion detachment claw mechanism to achieve rapid desorption and gait conversion, so that it can adapt to a variety of special posture and movement gait, tool The ability to pass and move in complex and narrow space.

【技术实现步骤摘要】
适应空间站微重力环境中复杂狭小空间的仿生爬壁机器人
本技术涉及仿生机器人
，特别是涉及一种适应空间站微重力环境中狭小空间的仿生爬壁机器人。
技术介绍
仿生爬壁机器人作为仿生学在机器人方向上的重要应用，一直是国内外研究的热点。而人类太空开发的热潮和我国载人航天工程空间站建设的完成，使得与空间站安全可靠运行相关的在轨服务需求日益迫切，在轨任务内容也日趋清晰、多样和复杂，如宇航员无法到达的狭小空间的检测、为航天员作业提供辅助支持等，基于节省航天器成本、减小航天员工作风险、增强空间作业工作能力等方面考虑，这些任务需求迫切需要开展一种能够在空间站微重力环境下一些复杂狭小的空间进行稳定爬行的四足机器人，这将成为航天竞争中的巨大优势。目前国内外的研究机构研制出各类爬壁机器人，主要是基于在重力环境下工作的，且这些爬壁机器人采用的大多是磁吸附、压力式吸附原理，针对性较强，只适用于某种特定任务，较难通用化。空间站微重力环境存在许多复杂小空间，以往的机器人由于机械结构限制了工作空间，导致其步态和轨迹规划受到约束，难以通过许多复杂狭小的空间。由于特殊黏-脱附运动机制，爬壁黏附机器人往往运动速度缓慢，很难进行快速运动。另外，空间站环境下宇航员进行维修等任务的难度和风险很大，要求机器人结构具有大稳定性，维修具有大便利性。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是，针对
技术介绍
中提及的空间站微重力环境存在许多复杂小空间，以往的机器人由于机械结构限制了工作空间，导致其步态和轨迹规划受到约束，难以通过许多复杂狭小的空间的技术问题。本技术的目的是提供一种适应空间站微重力环境中复杂狭小空间的仿生爬壁机器人，以解决上述现有爬壁机器人存在的问题及应对航天环境对爬壁机器人的特殊任务需求。为实现上述目的，本技术提供了如下方案：一种适应空间站微重力环境中复杂狭小空间的仿生爬壁机器人，包括机身，在机身上的多姿态快速转换仿生腿模块，多姿态快速转换仿生腿模块包括设置在机身两侧两两对称设置四个多姿态快速转换仿生单腿模块，在四个多姿态快速转换仿生单腿模块的自由端均设置主动黏-脱附脚爪机构，在四个主动黏-脱附脚爪机构的末端均设置仿生脚趾黏附单元；四个多姿态快速转换仿生单腿模块均包括与机身连接的差动齿轮传动机构，与差动齿轮传动机构转动相连大腿杆，通过锥齿轮传动机构与大腿杆相连的小腿杆。目前，黏附机器人的腿结构多采用舵机直连的方式，且一个舵机只能完成单个自由度。但应对机器人航天工程的需求，这种方式承载力小、传动精度低、传递扭矩小、安全系数低。采用锥齿轮传动，增加了刚度和承载力，可保证更高精度；同时，利用差动齿轮系统完成多个自由度，且结构紧凑、外尺寸小。针对上述现有爬壁机器人的缺陷和航天环境对爬壁机器人的特殊任务需求，本技术提供了一种适应空间站微重力环境中复杂狭小空间的仿生爬壁机器人，包括机身、多姿态快速转换仿生腿模块和主动黏-脱附脚爪机构，采用仿壁虎的不受黏附对象和环境介质制约的干黏附方式，根据仿生学原理，利用差动齿轮传动机构设计的机器人多姿态快速转换仿生腿结构和自主黏脱附脚爪机构，适应于多种步态的快速转换实现复杂狭小空间的通过和运动，通过其模块化设计的单腿结构实现机器人模块化组装和更换，更加高效便捷地应用于航天领域范围。本技术的仿生爬壁机器人，多姿态快速转换仿生腿模块可进行模块化组装和更换，四个多姿态快速转换仿生单腿模块成左右对称结构，每个多姿态快速转换仿生单腿模块具有3个自由度。本技术技术方案的优选地，差动齿轮传动机构包括横轴、竖轴、一级传动和二级传动，在竖轴长度方向的中间位置处设置有横向过孔，在横向过孔内通过球轴承转成设置横轴，横轴以竖轴为中线对称设置，横轴的两端均固定在轴支撑座上，两个轴支撑座设置机身上；一级传动包括设置在机身上的两个电机，两个电机关于竖轴对称设置，在两个电机的电机轴上均主动齿轮，与两个主动齿轮均啮合设置从动齿轮，两个从动齿轮均设置在横轴上并位于竖轴的两侧；二级传动包括四个直齿锥齿轮，分别为第一直齿锥齿轮、第二直齿锥齿轮、第三直齿锥齿轮和第四直齿锥齿轮，第一直齿锥齿轮和第四直齿锥齿轮均设置在横轴上，第二直齿锥齿轮和第三直齿锥齿轮设置在竖轴上，第一直齿锥齿轮同时与第二直齿锥齿轮和第三直齿锥齿轮啮合，第四直齿锥齿轮同时与第二直齿锥齿轮和第三直齿锥齿轮啮合；第一直齿锥齿轮和第四直齿锥齿轮分别与两个从动齿轮一一对应固联；第二直齿锥齿轮和第三直齿锥齿轮均通过竖轴套筒和竖轴紧定螺母锁紧在竖轴上，与第一直齿锥齿轮和第四直齿锥齿轮固联后的两个从动齿轮均通过横轴套筒和横轴紧定螺母锁紧在横轴上。本技术的仿生爬壁机器人，采用差动齿轮传动机构将大腿旋转关节与起落关节合并，每个自由度均由直流电机单独控制，在保证机器人爬行速度的基础上增大了机器人的负载能力，提高了机器人的爬行稳定性以及腿部运动灵活度，可适应多种步态，是爬壁机器人具备在复杂狭小空间的通过及运动能力。差动齿轮传动机构由两个电机同时驱动两个主动齿轮带动两个从动齿轮绕横轴转动完成一级传动；二级传动由四个直齿锥齿轮完成。本差动齿轮传动机构由两个电机直接驱动两个主动齿轮，带动两个从动齿轮与第一直齿锥齿轮和第四直齿锥齿轮转动，再带动第二直齿锥齿轮和第三直齿锥齿轮转动；当两个电机驱动速度相同、方向相同，直齿锥齿轮组进行正常旋转运动，则差动齿轮传动机构驱动多姿态快速转换仿生单腿模块进行大腿前后旋转运动；当两个电机驱动速度相同、方向相反，直齿锥齿轮组会处于卡死状态，则所述差动齿轮传动机构驱动多姿态快速转换仿生单腿模块进行大腿抬起或下落运动。上述技术方案的进一步优选地，主动齿轮为螺旋齿轮，与主动齿轮啮合的从动齿轮为面齿轮。上述技术方案的进一步优选地，主动齿轮为直齿轮，与主动齿轮啮合的从动齿轮为直齿轮。本技术技术方案的优选地，大腿杆为中空结构，小腿杆为中空结构。本技术技术方案的优选地，主动黏-脱附脚爪机构包括驱动电机、转盘、竖直固定轴、滑轮组、驱动绳和脚掌连接结构，驱动电机固定在小腿杆的内部，转盘设置在驱动电机输出轴上，驱动绳一端缠绕在转盘上，另一端通过滑轮组与仿生脚趾黏附单元连接；竖直固定轴通过长连接螺栓与小腿杆的自由端相连，竖直固定轴的末端通过脚掌连接结构连接仿生脚趾黏附单元；滑轮组由第一滑轮、第二滑轮和L型连接板组成，L型连接板固定在竖直固定轴3侧面，第一滑轮和第二滑轮分别安装在L型连接板的两端，驱动绳的另一端绕过第一滑轮和第二滑轮与仿生脚趾黏附单元相连。本技术的仿生爬壁机器人内，主动黏-脱附脚爪机构内的驱动电机为直流电机，直流电机拉动驱动绳使仿生脚趾黏附单元更好地进行脱附。上述技术方案的进一步优选地，竖直固定轴与脚掌连接结构之间通过球关节连接。球关节的设计，使得脚掌连接结构具有一定被动自由度。上述技术方案的进一步优选地，仿生脚趾黏附单元包括数量为3-5个的仿生黏附脚趾，仿生黏附脚趾均通过脚掌连接板固定在脚掌连接结构上；仿生黏附脚趾由弹性基底、柔性缓冲垫和黏附材料组成，弹性基底由具有较好弹性力的柔性材料制成，柔性缓冲垫固定在弹性基底下方，柔性缓冲垫下表面固定黏附材料；与仿生黏附脚趾的数量相同的驱动绳，每根驱动绳的一端均缠绕在转盘上，另一端通过滑轮组与仿生黏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适应空间站微重力环境中复杂狭小空间的仿生爬壁机器人，其特征在于：包括机身（1），在机身（1）上的多姿态快速转换仿生腿模块，多姿态快速转换仿生腿模块包括设置在机身（1）两侧两两对称设置四个多姿态快速转换仿生单腿模块（3），在四个多姿态快速转换仿生单腿模块（3）的自由端均设置主动黏‑脱附脚爪机构（4），在四个主动黏‑脱附脚爪机构（4）的末端均设置仿生脚趾黏附单元（5）；四个多姿态快速转换仿生单腿模块（3）均包括与机身（1）连接的差动齿轮传动机构（3A），与差动齿轮传动机构（3A）转动相连大腿杆（3B），通过锥齿轮传动机构（3C）与大腿杆（3B）相连的小腿杆（3D）。

【技术特征摘要】
1.一种适应空间站微重力环境中复杂狭小空间的仿生爬壁机器人，其特征在于：包括机身（1），在机身（1）上的多姿态快速转换仿生腿模块，多姿态快速转换仿生腿模块包括设置在机身（1）两侧两两对称设置四个多姿态快速转换仿生单腿模块（3），在四个多姿态快速转换仿生单腿模块（3）的自由端均设置主动黏-脱附脚爪机构（4），在四个主动黏-脱附脚爪机构（4）的末端均设置仿生脚趾黏附单元（5）；四个多姿态快速转换仿生单腿模块（3）均包括与机身（1）连接的差动齿轮传动机构（3A），与差动齿轮传动机构（3A）转动相连大腿杆（3B），通过锥齿轮传动机构（3C）与大腿杆（3B）相连的小腿杆（3D）。2.如权利要求1所述的适应空间站微重力环境中复杂狭小空间的仿生爬壁机器人，其特征在于：差动齿轮传动机构（3A）包括横轴（3A-1）、竖轴（3A-2）、一级传动和二级传动，在竖轴（3A-2）长度方向的中间位置处设置有横向过孔，在横向过孔内通过球轴承转成设置横轴（3A-1），横轴（3A-1）以竖轴（3A-2）为中线对称设置，横轴（3A-1）的两端均固定在轴支撑座（3A-9）上，两个轴支撑座（3A-9）设置机身（1）上；一级传动包括设置在机身（1）上的两个电机（3A-11），两个电机（3A-11）关于竖轴（3A-2）对称设置，在两个电机（3A-11）的电机轴上均主动齿轮（3A-8），与两个主动齿轮（3A-8）均啮合设置从动齿轮（3A-4），两个从动齿轮（3A-4）均设置在横轴（3A-1）上并位于竖轴（3A-2）的两侧；二级传动包括四个直齿锥齿轮，分别为第一直齿锥齿轮（3A-3）、第二直齿锥齿轮（3A-7）、第三直齿锥齿轮（3A-14）和第四直齿锥齿轮（3A-15），第一直齿锥齿轮（3A-3）和第四直齿锥齿轮（3A-15）均设置在横轴（3A-1）上，第二直齿锥齿轮（3A-7）和第三直齿锥齿轮（3A-14）设置在竖轴（3A-2）上，第一直齿锥齿轮（3A-3）同时与第二直齿锥齿轮（3A-7）和第三直齿锥齿轮（3A-14）啮合，第四直齿锥齿轮（3A-15）同时与第二直齿锥齿轮（3A-7）和第三直齿锥齿轮（3A-14）啮合；第一直齿锥齿轮（3A-3）和第四直齿锥齿轮（3A-15）分别与两个从动齿轮（3A-4）一一对应固联；第二直齿锥齿轮（3A-7）和第三直齿锥齿轮（3A-14）均通过竖轴套筒（3A-10）和竖轴紧定螺母（3A-12）锁紧在竖轴（3A-2）上，与第一直齿锥齿轮（3A-3）和第四直齿锥齿轮（3A-15）固联后的两个从动齿轮（3A-4）均通过横轴套筒（3A-5）和横轴紧定螺母（3A-6）锁紧在横轴（3A-1）上。3.如权利要求1所述的适应空间站微重力环境中复杂狭小空间的仿生爬壁机器人，其特征在于：主动齿轮（3A-8）为螺旋齿轮，与主动齿轮（3A-8）啮合的从动齿...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴振东，宗卫佳，王周义，陈传奇，陆晓波，柏合民，朱俊杰，李立春，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32