基于钩爪和黏附材料的滚轮式爬壁机器人及其运动方法技术

本发明专利技术涉及一种基于钩爪和黏附材料的滚轮式爬壁机器人及其运动方法，属于机器人技术领域。它包括底板（1），安装在底板上的锂电池（7），舵机（8），“Y”型尾部（9）；底板两侧有两个圆形镂空滚轮（6），在相切于滚轮的位置处分别安装三排带有钩子（4）和黏附垫（5）的柔性橡胶条（3），并让二者在横向以及圆周方向均错开分布在滚轮上，这样使得他们互不干涉。轮式结构相较于足式结构，具有更快的速度。机器人采用钩爪和黏附垫协同附着的方式，在粗糙壁面时钩爪起作用，在光滑壁面时黏附垫起作用，使得爬壁机器人具有很好的环境适应性。本发明专利技术可实现机器人在粗糙和光滑竖直面的直行与转弯等行为，结构易于设计，控制方便。

Roller-type wall-climbing robot based on hook-claw and adhesive material and its motion method

【技术实现步骤摘要】
基于钩爪和黏附材料的滚轮式爬壁机器人及其运动方法
本专利技术涉及攀爬机器人的
，特别涉及一种复杂环境适应力强的攀爬机器人，可在粗糙已经光滑壁面实现快速稳定攀爬。技术背景爬壁机器人应用广泛，特别是在不适合人类生活或是工作的危险环境中，比如外太空探索、灾难救援、以及反恐侦察等。目的在于代替人类完成一些重复性、高风险或是高精度的工作。近年来，在国内外科研机构努力下，爬壁机器人领域的研究取得了较大的进展。比如哈尔滨工程大学的钩爪式爬壁机器人；卡内基梅隆大学研制的Mini-Wheg轮腿爬壁机器人等等。尤其在爬行时的快速性和稳定性上有了突破性的成果。传统爬壁机器人根据爬壁原理可以分为负压式爬壁机器人、磁吸附式爬壁机器人以及黏附材料爬壁机器人。然而大多数爬壁机器人对环境的适应力有限，例如磁吸附爬壁机器人只能在导磁材料上实现竖直面的爬行，新型粘附材料爬壁机器人，适用于光滑竖直表面，对于粗糙竖直表面的适应性非常有限。负压式爬壁机器人虽然可以在光滑以及粗糙竖直表面爬行，然而会产生相对较大的噪声，并且需要持续供电维持吸附状态。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种可以在大部分粗糙竖直面以及光滑竖直面实现稳定攀爬，具有很好的坏境适应性的基于钩爪和黏附材料的滚轮式爬壁机器人。一种基于钩爪和黏附材料协同附着的滚轮式爬壁机器人。其特征在于：包括底板；底板中间安装有“Y型”尾部；底板两端均安装电池及舵机，舵机输出轴安装圆柱形镂空滚轮；每个圆柱形镂空滚轮外表面安装N组钩型轮足和N组黏附轮足；每一组钩型轮足包括M根柔性橡胶条，M根柔性橡胶条沿圆柱形镂空滚轮周向均匀布置，柔性橡胶条末端安装钩子；每一组黏附轮足包括M根柔性橡胶条，M根柔性橡胶条沿圆柱形镂空滚轮周向均匀布置，柔性橡胶条末端安装黏附垫；N组钩型轮足和N组黏附轮足沿轴向均匀间隔布置；N组钩型轮足的相位相同，N组黏附轮足的相位相同；钩型轮足和黏附轮足相差一个固定相位;上述N为2～5之间的自然数，M为2～5之间的自然数。所述的基于钩爪和黏附材料协同附着的滚轮式爬壁机器人的运动方法，其特征在于：钩型轮足适用于粗糙竖直面，此时钩型轮足的柔性橡胶条支撑机器人自重，当一排钩子抓附在粗糙面上承载着机器人的自重，即钩子与粗糙颗粒之间实现了机械锁和时，钩型轮足的柔性橡胶条贴合圆柱形镂空滚轮的外壁开始弯曲变形，直到下一排钩子也实现了粗糙面的抓附，上一排钩子才开始脱附；滚轮转动时实现机器人粗糙竖直面的攀爬；黏附轮足适用于光滑竖直面，此时黏附轮足的柔性橡胶条支撑机器人自重，当一排黏附垫吸附在光滑面上承载着机器人的自重，即黏附垫于光滑面之间通过分子间范德华力实现了仿生吸附时，黏附轮足的柔性橡胶条贴合圆柱形镂空滚轮的外壁开始弯曲变形，直到下一排黏附垫也实现了光滑面的吸附，上一排黏附垫才开始撕脱；滚轮转动时实现机器人光滑竖直面的攀爬；“Y型”尾部为机器人在爬壁时提供反倾覆力矩的支撑。爬壁机器人的柔性部件是机器人设计的关键部分之一，因为如果柔性不足，对于滚轮式爬壁机器人来说，将会无法实现有效的抓附以及无法脱附。采用的柔性橡胶条，能够容纳钩爪阵列间位置误差，适应壁面局部曲率，通过在壁面法向上的柔性变形，保证大多数钩爪或黏附垫与壁面形成有效接触并实现抓附或吸附。“Y型”尾部为机器人在爬壁时提供反倾覆力矩的支撑。尾部采用“Y”型镂空设计，通过增材制造的方法，极大的减轻了机身自重，并且“Y”型结构具有很好的支撑性能，机器人在完成地壁过渡的切换过程时，如果因钩爪或黏附垫第一次没有实现有效的抓附或吸附而倾覆，机器人可以以“Y”型尾部于地面的两个支撑点的连线为轴，绕轴落回到地面，但不会发生水平方向的位置变化，此时继续进行地壁过渡的转换，直到机器人根据环境通过采用钩子或黏附垫找到合适的着力点，稳定的攀爬上竖直壁面为止。所述的基于钩爪和黏附垫附着的滚轮式爬壁机器人，其特征在于：上述N=3，M=3。而柔性橡胶条数量过少会使得钩爪的抓附力或黏附垫的吸附力不够承载机器人的自重，数量太多则会造成冗余，故选用数量为上述N=3，M=3。钩型轮足适用于粗糙竖直面，此时支撑机器人自重的柔性橡胶条的相位差为120°，即为带有钩子的柔性橡胶条。通过合理的选用柔性橡胶条的长度，当一排钩子抓附在粗糙面上承载着机器人的自重，即钩子与粗糙颗粒之间实现了机械锁和时，柔性橡胶条贴合圆形滚轮的外壁开始弯曲变形，直到下一排钩子也实现了粗糙面的抓附，上一排钩子才开始脱附。滚轮转动时可实现机器人粗糙竖直面的攀爬。黏附轮足适用于光滑竖直面，此时支撑机器人自重的柔性橡胶条的相位差亦为120°，即为带有黏附垫的柔性橡胶条。当一排黏附垫吸附在光滑面上承载着机器人的自重，即黏附垫于光滑面之间通过分子间范德华力实现了仿生吸附时，柔性橡胶条贴合圆形滚轮的外壁开始弯曲变形，直到下一排黏附垫也实现了光滑面的吸附，上一排黏附垫才开始撕脱。滚轮转动时可实现机器人光滑竖直面的攀爬。所述的基于钩爪和黏附垫附着的滚轮式爬壁机器人的运动方法，其特征在于：每个圆柱形镂空滚轮均由一个独立的舵机驱动，通过对舵机的控制，使得两个舵机转速相同，实现同速，可以实现机器人稳定的直行攀爬;通过对舵机的控制，使得两个舵机转速不一致，即可实现爬壁机器人的差速转向。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术的正视图与侧视图；图3是“Y”型尾部结构示意图；图4是带有柔性橡胶条的镂空滚轮示意图；图5是带有钩子的柔性橡胶条和带有黏附垫的柔性橡胶条示意图;图中标号名称：1.底板；2.舵机控制板；3.柔性橡胶条；4.钩子；5.黏附垫；6.镂空滚轮；7.锂电池；8.舵机；9.“Y”型尾部。具体实施方式结合附图进行具体说明如图1所示，为基于钩爪和黏附材料的滚轮式爬壁机器人具体设计图，机器人由底板1、“Y”型尾部9、镂空滚轮结构6、舵机8、锂电池7、舵机控制板2构成。镂空滚轮机构6由柔性橡胶条3、钩子4、黏附垫5组成。舵机通过舵机支撑架固定在底板上，电池用胶水粘附在底板上，通过导线焊接连通。舵机输出轴与圆形镂空滚轮的D型孔通过尺寸配合与胶水粘合的方法牢固结合。柔性橡胶条通过矩形块与滚轮外部镂空部分尺寸配合并用热熔胶在外层封闭实现粘合。钩子通过手工机械弯曲成一定形状，并嵌入柔性橡胶条末端。黏附垫通过强力胶水粘接在柔性橡胶条末端。整体结构简单，容易实现。舵机驱动滚轮，滚轮滚动时带着柔性橡胶条实现弯曲变形，置于末端的钩子抓附在粗糙竖直面或者黏附垫吸附在光滑竖直面上，当下一排钩子/黏附垫稳定的抓附/吸附上粗糙/光滑壁面时，上一排才开始脱附，如此循环实现了机器人的竖直面攀爬。可实现的攀爬范围与动作：可实现在粗糙的砖墙面、混凝土表面、大理石、玻璃表面等竖直表面爬行，同时也可实现地面壁面的过渡。可实现爬行表面的直行、转弯动作，安装传感器可实现壁障等行为。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于钩爪和黏附材料协同附着的滚轮式爬壁机器人，其特征在于：包括底板（1）；底板（1）中间安装有“Y型”尾部（9）；底板（1）两端均安装电池（7）及舵机（8），舵机（8）输出轴安装圆柱形镂空滚轮（6）；每个圆柱形镂空滚轮（6）外表面安装N组钩型轮足和N组黏附轮足；每一组钩型轮足包括M根柔性橡胶条（3），M根柔性橡胶条（3）沿圆柱形镂空滚轮（6）周向均匀布置，柔性橡胶条（3）末端安装钩子（4）；每一组黏附轮足包括M根柔性橡胶条（3），M根柔性橡胶条（3）沿圆柱形镂空滚轮（6）周向均匀布置，柔性橡胶条（3）末端安装黏附垫（5）；N组钩型轮足和N组黏附轮足沿轴向均匀间隔布置；N组钩型轮足的相位相同，N组黏附轮足的相位相同；钩型轮足和黏附轮足相差一个固定相位;上述N为2～5之间的自然数，M为2～5之间的自然数。

【技术特征摘要】
1.一种基于钩爪和黏附材料协同附着的滚轮式爬壁机器人，其特征在于：包括底板（1）；底板（1）中间安装有“Y型”尾部（9）；底板（1）两端均安装电池（7）及舵机（8），舵机（8）输出轴安装圆柱形镂空滚轮（6）；每个圆柱形镂空滚轮（6）外表面安装N组钩型轮足和N组黏附轮足；每一组钩型轮足包括M根柔性橡胶条（3），M根柔性橡胶条（3）沿圆柱形镂空滚轮（6）周向均匀布置，柔性橡胶条（3）末端安装钩子（4）；每一组黏附轮足包括M根柔性橡胶条（3），M根柔性橡胶条（3）沿圆柱形镂空滚轮（6）周向均匀布置，柔性橡胶条（3）末端安装黏附垫（5）；N组钩型轮足和N组黏附轮足沿轴向均匀间隔布置；N组钩型轮足的相位相同，N组黏附轮足的相位相同；钩型轮足和黏附轮足相差一个固定相位;上述N为2～5之间的自然数，M为2～5之间的自然数。2.根据权利要求1所述的基于钩爪和黏附垫附着的滚轮式爬壁机器人，其特征在于：上述N=3，M=3。3.根据权利要求1所述的基于钩爪和黏附材料协同附着的滚轮式爬壁机器人的运动方法，其特征在于：钩型轮足适用于粗糙竖直面，此时钩型轮足的柔性橡...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉爱红，胡捷，王伟，
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