一种主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人，属于机器人技术应用领域。包括身体、四肢、尾巴和四个脚掌等部分组成。本发明专利技术满足微小型足式机器人腿结构‑感知‑驱动一体化设计要求，可用于脚掌具有主动粘附和脱附运动功能、满足三维接触力感知和空间表面自适应能力的多自由度足式机器人设计。尾巴旋转调速功能可实现微重力下仿壁虎机器人自身姿态控制，方便四个脚掌与目标着陆面的正向碰撞粘附，结合主动粘脱附运动的脚掌设计和三维接触力感知及空间表面自适应功能，实现了仿壁虎机器人在复杂目标表面稳定着陆和表面粘脱附行走运动。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机器人技术应用领域，具体涉及一种主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人，主要应用于空间微重力下粘附足式机器人结构设计中。
技术介绍
目前国内外在足式机器人可包括双足、四足、六足、八足机器人等（专利200780007115.1菅敬介等；专利200780002355.2小川章；专利03153505.4郑浩峻等；专利200510090265.6郑世杰等；专利200810118133.3胡永辉等），在结构设计中双足机器人单腿具有6个主动驱动的自由度，而在四足、六足、八足机器人中，由于腿的数量较多，单腿的自由度一般为3个主动驱动的自由度，腿的足端采用点接触或球接触方式（专利200710098710.2罗庆生等）。对于粘附行走的多足腿式机器人而言，机器人腿部需要具有更多自由度适应空间不同表面，要求在不增加控制难度的前提下保证腿式机器人具有更小的体积和重量。目前国内外微小型粘附足式机器人可在墙面爬行，有足/轮式、足式、足/履带式等结构形式（C.Menon,M.Sitti,ABiomimeticClimbingRobotBasedontheGecko,JournalofBionicEngineering,Vol.3,No.3,pp:115-125,2006.；M.Henrey,J.Krahn,A.Ahmed,K.WormnesandC.Menon,Climbingwithstructureddryadhesives:stickyrobotsforscalingsmoothverticalsurfaces,the12thSymposiumonAdvancedSpaceTechnologiesinRoboticsandAutomation,2013；P.Birkmeyer,A.G.Gillies,R.S.Fearing,Dynamicclimbingofnear-verticalsmoothsurfaces,theIEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems,Vilamoura,Algarve,Portugal,pp:286-292,2012；B.Aksak,M.P.MurphyandM.Sitti,GeckoInspiredMicro-FibrillarAdhesivesforWallClimbingRobotsonMicro/NanoscaleRoughSurfaces,IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,Pasadena,CA,USA,pp:3058-3063,2008；T.Seo,M.Sitti,Tank-LikeModule-BasedClimbingRobotUsingPassiveCompliantJoints,IEEE/ASMETRANSACTIONSONMECHATRONICS,Vol.18,No.1,pp:397-408,2013.）。文献（R.Chen,R.Liu,J.ChenandJ.Zhang,AGeckoInspiredWall-climbingRobotBasedonElectrostaticAdhesionMechanism,ProceedingoftheIEEEInternationalConferenceonRoboticsandBiomimetics,Shenzhen,China,pp:396-401,2013.；S.Kim,M.Spenko,S.Trujillo,B.Heyneman,V.Mattoli,M.R.Cutkosky,Wholebodyadhesion:hierarchical,directionalanddistributedcontrolofadhesiveforcesforaclimbingrobot,2007IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,Roma,Italy,pp:1268-1273,2007）中了解可知，相似的粘附机器人脚掌只具有简单的脱附拉线传动，不具有主动粘附功能，且在空间表面适应性和三维接触力感知方面并未开展研究。为此本专利技术单腿设计中采用传统的3自由度主动驱动的前提下，又增加了具有8个复位弹簧约束的3自由度的球关节，在满足6自由度的运动要求下实现空间表面自适应，也减小了足式机器人完成6自由度运动控制的难度；同时增加了粘附脚掌的主动粘附与脱附功能，通过舵机的旋转，驱动拉线机构，实现机器人脚掌的主动粘附和脱附运动，增加了仿壁虎机器人在目标表面粘附移动的可操作性，有效地提高了粘附的稳定性；本专利技术增加了尾巴旋转自由度，基于角动量守恒原理，可在微重力环境下实现对机器人身体的姿态和角速度调控，为保证仿壁虎机器人四个粘附脚掌正向与目标面接触碰撞，有效地保持稳定粘附提供技术保障。对于粘附行走的多足腿式机器人而言，需要空间三维力粘附力感知，实现真正空间不同表面上稳定行走。本专利技术在检测三维力时，采用不同方向的一维力和二维力传感器组合，力的感知与主动粘/脱附运动相解耦，可有效检测脚掌的三维力粘附力，使仿壁虎机器人在目标表面粘附运动时更具有优越性。采用腿结构-感知-驱动一体化设计可大大减轻了足式机器人的体积和重量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人，该机器人结构满足微小型足式机器人腿结构-感知-驱动一体化设计要求，可用于脚掌具有主动粘附和脱附运动功能、满足三维接触力感知和空间表面自适应能力的多自由度足式粘附机器人设计。一种主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人，包括机器人控制盒、一维力传感器、Z向应变片、牵线舵机支架、旋转支撑架、旋转支撑架a孔、旋转支撑架b孔、旋转支撑架c孔、旋转支撑架d孔、牵线舵机、旋转法兰、旋转法兰a端、旋转法兰b端、旋转法兰c端、旋转法兰d端、二维力传感器、二维力传感器一号孔、二维力传感器二号孔、二维力传感器三号孔、二维力传感器四号孔、X向应变片、Y向应变片、右螺钉、左螺钉、球头、球关节上盖、球关节上盖a孔、球关节上盖b孔、球关节上盖c孔、球关节上盖d孔、球关节下盖、一号脚趾片、一号脚趾片一号端、一号脚趾片二号端、一号脚趾片三号端、一号脚趾片四号端、一号脚趾片a脱附线、一号脚趾片b脱附线、一号脚趾片c粘附线、一号脚趾片d粘附线、二号脚趾片、二号脚趾片一号端、二号脚趾片二号端、二号脚趾片三号端、二号脚趾片四号端、二号脚趾片a脱附线、二号脚趾片b脱附线、二号脚趾片c粘附线、二号脚趾片d粘附线、三号脚趾片、三号脚趾片一号端、三号脚趾片二号端、三号脚趾片三号端、三号脚趾片四号端、三号脚趾片a脱附线、三号脚趾片b脱附线、三号脚趾片c粘附线、三号脚趾片d粘附线、四号脚趾片、四号脚趾片一号端、四号脚趾片二号端、四号脚趾片三号端、四号脚趾片四号端、四号脚趾片a脱附线、四号脚趾片b脱附线、四号脚趾片c粘附线、四号脚趾片d粘附线、一号脚趾片粘附材料、二号脚趾片粘附材料、三号脚趾片粘附材料、四号脚趾片粘附材料、一号脚趾片a弹簧、一号脚趾片b弹簧、二号脚趾本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人，其特征在于：包括身体连接板（23）；身体连接板（23）上方安装机器人控制盒（1），身体连接板（23）前部和后部各安装一个髋关节舵机架；上述后端的髋关节舵机架中部固定安装尾巴电机支架（35），尾巴电机支架（35）内安装尾巴旋转电机（36），尾巴旋转电机（36）的输出轴安装惯性配重转子（37）；上述前部和后部的髋关节舵机架的左右两端各安装一条机器腿；位于身体左前和右后的机器腿结构相同，位于身体右前和左后的机器腿结构相同，位于左右两侧的机器腿结构对称；上述机器腿均包括髋关节1号舵机（25）、髋关节2号舵机支架（26）、髋关节2号舵机（27）、支撑杆（28）、支撑架（29）、大腿框架、膝关节舵机（32）、小腿框架、脚掌；定义坐标系： Z轴为机器人向上方向，Y轴为机器人向后方向，X轴为机器人向左方向；上述髋关节1号舵机（25）固定于上述髋关节舵机架（24)上，其轴线平行Y轴方向；上述髋关节2号舵机支架（26）一侧安装于上述髋关节1号舵机（25）的输出轴,另一侧铰接于支撑架(29),支撑架（29）固定于支撑杆（28）上，支撑杆（28）固定于髋关节舵机架（24)上；上述髋关节2号舵机（27）固定于上述髋关节2号舵机支架（26）内，其轴线平行Z轴方向；上述大腿框架一侧安装于髋关节2号舵机（27）的输出轴，另一侧与髋关节2号舵机支架（26）铰接；上述膝关节舵机（32）安装于大腿框架内，其轴线平行Z轴方向；上述小腿框架一侧安装于述膝关节舵机（32）的输出轴，另一侧与大腿框架铰接；上述脚掌固定于上述小腿框架；所述脚掌包括一维力传感器（2）、牵线舵机支架(3)、牵线舵机(5)、旋转支撑架(4)、旋转法兰(6)、二维力传感器(7)、球头(8)、球关节盖；其中一维力传感器(2)一端与小腿框架固定，另一端与牵线舵机支架(3)固定；一维力传感器(2)的XY面贴有Z向应变片(2a)；其中牵线舵机(5)置于牵线舵机支架(3)内；其中旋转支撑架(4)固定于牵线舵机支架(3)上方，牵线舵机(5)输出轴平行Z轴，牵线舵机(5)输出轴穿出旋转支撑架(4)，并与旋转法兰(6)固定；其中二维力传感器(7)顶端与牵线舵机支架(3)下端固定，二维力传感器(7)的YZ面和XZ面分别贴有X向应变片(7a)和Y向应变片(7b)；其中球头(8)的上部为杆端、下部为球端，球头的杆端与二维力传感器(7)底端固定，其中球关节盖由球关节上盖(9)和球关节下盖(10)组成，两者固定并将球头(8)的球端包裹在内；球关节盖有四个均布的侧表面，每个侧表面固定有一脚趾片，每个脚趾片下方贴有粘附材料；球关节盖的每个侧表面与二维力传感器（7）之间安装有弹簧；上述四个脚趾片按逆时针方向依次称为一号脚趾片（11）、二号脚趾片（12）、三号脚趾片(13)、四号脚趾片(14)；每个脚趾片前部两端和根部两侧各有一个定位端；其中一号脚趾片（11）按逆时针方向前部两端的定位端依次为一号脚趾片一号端（11‑1）、一号脚趾片二号端（11‑2），根部两侧的定位端依次为一号脚趾片三号端（11‑3）、一号脚趾片四号端（11‑4），其中二号脚趾片（12）按逆时针方向前部两端的定位端依次为二号脚趾片一号端（12‑1）、二号脚趾片二号端（12‑2），根部两侧的定位端依次为二号脚趾片三号端（12‑3）、二号脚趾片四号端（12‑4），其中三号脚趾片（13）按逆时针方向前部两端的定位端依次为三号脚趾片一号端（13‑1）、三号脚趾片二号端（13‑2），根部两侧的定位端依次为三号脚趾片三号端（13‑3）、三号脚趾片四号端（13‑4），其中四号脚趾片（14）按逆时针方向前部两端的定位端依次为四号脚趾片一号端（14‑1）、四号脚趾片二号端（14‑2），根部两侧的定位端依次为四号脚趾片三号端（14‑3）、四号脚趾片四号端（14‑4）；其中球关节盖的均匀布置四个轴向通孔，对应一号脚趾片（11）和二号脚趾片（12）之间的通孔称作球关节盖c孔（9c），对应二号脚趾片（12）和三号脚趾片（13）之间的通孔称作球关节盖d孔(9d)，对应三号脚趾片（13）和四号脚趾片（14）之间的通孔称作球关节盖a孔(9a)，对应四号脚趾片（14）和一号脚趾片（11）之间的通孔称作球关节盖b孔(9b)；其中二维力传感器（7）底部均匀布置四个轴向通孔，对应一号脚趾片（11）和二号脚趾片（12）之间的通孔称二维力传感器一号孔（7‑1），对应二号脚趾片（12）和三号脚趾片（13）之间的通孔称作二维力传感器二号孔（7‑2），对应三号脚趾片（13）和四号脚趾片（14）之间的通孔称作二维力传感器三号孔（7‑3），对应四号脚趾片（14）和一号脚趾片（11）之间的通孔称作二维力传感器四号孔（7‑4）；其中旋转支撑架（4）按逆时针方向均匀设置...
【技术特征摘要】
1.一种主动粘脱附和姿态调控的力感知空间自适应仿壁虎机器人，其特征在于：包括身体连接板（23）；身体连接板（23）上方安装机器人控制盒（1），身体连接板（23）前部和后部各安装一个髋关节舵机架；上述后端的髋关节舵机架中部固定安装尾巴电机支架（35），尾巴电机支架（35）内安装尾巴旋转电机（36），尾巴旋转电机（36）的输出轴安装惯性配重转子（37）；上述前部和后部的髋关节舵机架的左右两端各安装一条机器腿；位于身体左前和右后的机器腿结构相同，位于身体右前和左后的机器腿结构相同，位于左右两侧的机器腿结构对称；上述机器腿均包括髋关节1号舵机（25）、髋关节2号舵机支架（26）、髋关节2号舵机（27）、支撑杆（28）、支撑架（29）、大腿框架、膝关节舵机（32）、小腿框架、脚掌；定义坐标系：Z轴为机器人向上方向，Y轴为机器人向后方向，X轴为机器人向左方向；上述髋关节1号舵机（25）固定于上述髋关节舵机架（24)上，其轴线平行Y轴方向；上述髋关节2号舵机支架（26）一侧安装于上述髋关节1号舵机（25）的输出轴,另一侧铰接于支撑架(29),支撑架（29）固定于支撑杆（28）上，支撑杆（28）固定于髋关节舵机架（24)上；上述髋关节2号舵机（27）固定于上述髋关节2号舵机支架（26）内，其轴线平行Z轴方向；上述大腿框架一侧安装于髋关节2号舵机（27）的输出轴，另一侧与髋关节2号舵机支架（26）铰接；上述膝关节舵机（32）安装于大腿框架内，其轴线平行Z轴方向；上述小腿框架一侧安装于述膝关节舵机（32）的输出轴，另一侧与大腿框架铰接；上述脚掌固定于上述小腿框架；所述脚掌包括一维力传感器（2）、牵线舵机支架(3)、牵线舵机(5)、旋转支撑架(4)、旋转法兰(6)、二维力传感器(7)、球头(8)、球关节盖；其中一维力传感器(2)一端与小腿框架固定，另一端与牵线舵机支架(3)固定；一维力传感器(2)的XY面贴有Z向应变片(2a)；其中牵线舵机(5)置于牵线舵机支架(3)内；其中旋转支撑架(4)固定于牵线舵机支架(3)上方，牵线舵机(5)输出轴平行Z轴，牵线舵机(5)输出轴穿出旋转支撑架(4)，并与旋转法兰(6)固定；其中二维力传感器(7)顶端与牵线舵机支架(3)下端固定，二维力传感器(7)的YZ面和XZ面分别贴有X向应变片(7a)和Y向应变片(7b)；其中球头(8)的上部为杆端、下部为球端，球头的杆端与二维力传感器(7)底端固定，其中球关节盖由球关节上盖(9)和球关节下盖(10)组成，两者固定并将球头(8)的球端包裹在内；球关节盖有四个均布的侧表面，每个侧表面固定有一脚趾片，每个脚趾片下方贴有粘附材料；球关节盖的每个侧表面与二维力传感器（7）之间安装有弹簧；上述四个脚趾片按逆时针方向依次称为一号脚趾片（11）、二号脚趾片（12）、三号脚趾片(13)、四号脚趾片(14)；每个脚趾片前部两端和根部两侧各有一个定位端；其中一号脚趾片（11）按逆时针方向前部两端的定位端依次为一号脚趾片一号端（11-1）、一号脚趾片二号端（11-2），根部两侧的定位端依次为一号脚趾片三号端（11-3）、一号脚趾片四号端（11-4），其中二号脚趾片（12）按逆时针方向前部两端的定位端依次为二号脚趾片一号端（12-1）、二号脚趾片二号端（12-2），根部两侧的定位端依次为二号脚趾片三号端（12-3）、二号脚趾片四号端（12-4），其中三号脚趾片（13）按逆时针方向前部两端的定位端依次为三号脚趾片一号端（13-1）、三号脚趾片二号端（13-2），根部两侧的定位端依次为三号脚趾片三号端（13-3）、三号脚趾片四号端（13-4），其中四号脚趾片（14）按逆时针方向前部两端的定位端依次为四号脚趾片一号端（14-1）、四号脚趾片二号端（14-2），根部两侧的定位端依次为四号脚趾片三号端（14-3）、四号脚趾片四号端（14-4）；其中球关节盖的均匀布置四个轴向通孔，对应一号脚趾片（11）和二号脚趾片（12）之间的通孔称作球关节盖c孔（9c），对应二号脚趾片（12）和三号脚趾片（13）之间的通孔称作球关节盖d孔(9d)，对应三号脚趾片（13）和四号脚趾片（14）之间的通孔称作球关节盖a孔(9a)，对应四号脚趾片（14）和一号脚趾片（11）之间的通孔称作球关节盖b孔(9b)；其中二维力传感器（7）底部均匀布置四个轴向通孔，对应一号脚趾片（11）和二号脚趾片（12）之间的通孔称二维力传感器一号孔（7-1），对应二号脚趾片（12）和三号脚趾片（13）之间的通孔称作二维力传感器二号孔（7-2），对应三号脚趾片...
【专利技术属性】
技术研发人员：俞志伟，石叶，谢家兴，戴振东，杨斌，杨新海，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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