适应非结构环境的仿壁虎机器人制造技术

本发明专利技术提供了一种适应非结构环境的仿壁虎机器人，由头部、脊柱、腿部、足部以及尾部五部分组成。与头部连接的脊柱结构为三关节气动柔性脊柱，由软体关节及刚性件交替排列构成，每个软体关节由四个纤维增强驱动器构成。每条腿由髋关节、膝关节和踝关节及软体脚趾组成。足部由四个软体脚趾构成，每个脚趾由上下腔体及钩爪腔体构成，下腔体底面铺设黏附材料，通过充压可实现上下弯曲以及钩爪抓取、释放运动，利用不同粗糙度壁面的附着机制，完成不同壁面的爬壁运动。本发明专利技术的机器人柔性脊柱且能顺应地壁过渡交界处，因此运动灵活。带有黏附及钩爪机制的软体脚趾保证机器人能够在不同粗糙度壁面附着，使其环境适应性较强。使其环境适应性较强。使其环境适应性较强。

【技术实现步骤摘要】
适应非结构环境的仿壁虎机器人


[0001]本专利技术涉及软体机器人
，具体是一种适应非结构环境的仿壁虎机器人。

技术介绍

[0002]爬壁机器人通过附着作用能够实现在各种粗糙度类型的壁面上爬行，在核电设施检测、军事侦察、航天探测等领域具有广泛的应用前景。在非结构及危险环境下，爬壁机器人代替人工进行检测、装配、搜救等各种作业，可显著提高作业效率、降低风险与成本。四足爬壁机器人的研制成为许多行业的研究热点。
[0003]目前四足爬壁机器人多以刚性躯干与三自由度腿部构成，以保证机体的静态稳定性。这些机器人躯干多由刚性或者半刚性组件构成，不能根据环境调整脊柱形态，爬行环境受限及爬行速度较慢。这类躯干难以吸收缓冲运动过程中产生的冲击，容易导致机器人失稳，无法通过脊柱柔顺传递运动和动力，实现壁面过渡、转弯移动、坡面前行和快速运动等，降低了爬壁机器人在复杂非结构环境中的机动性与动态稳定性，影响非结构环境下的作业效率。此外，机器人足部结构单一的附着机制难以适应不同粗糙度壁面的爬行运动，难以完成壁面过渡，因此爬行环境受限。
[0004]四足爬壁动物非结构环境下的高柔顺性与机动性是通过躯体柔顺变形特性实现。柔性脊柱在生物运动中具有增大步幅、提供附加驱动力、提升运动稳定性、储存和传递能量等作用。在爬壁机器人的结构设计中引入仿生柔性主动脊柱能够增加躯体自由度，使机器人躯干具备俯仰、侧弯等动作的能力，提高机器人在大转角、地壁交界等非结构环境下的适应性。同时，脊柱的扭转及俯仰运动可以扩大腿部可触及的空间，增大步幅，从而提高运动的速度。此外，柔性脊柱的侧向摆动可与腿部协调配合，促进运动协调性及稳定性。壁虎在光滑表面行走时，脚趾内收和外翻并利用皮瓣末端的微纳结构实现黏附脱附。对于接触表面较粗糙表面或者承受在较大负载时，壁虎脚趾末端钩爪延伸出来抓取墙面，使其弯向接触表面依靠机械锁合产生足够大的抓取力。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决现有技术的问题，提供了一种适应非结构环境的仿壁虎机器人，模仿壁虎脊柱及脚趾结构及功能，具有多自由度的柔性脊柱和能够适应不同粗糙度壁面的软体脚趾，能够在各种不同粗糙度壁面的非结构环境下稳定爬行。
[0006]本专利技术提供了一种适应非结构环境的仿壁虎机器人，包括头部、脊柱、腿部、足部和尾部，所述头部包括仿大壁虎头部外形结构、以及用于接收和处理信息的控制元器件、包括树莓派主控芯片、舵机控制板、扩流模块。所述脊柱结构为三关节气动柔性脊柱，由软体关节及刚性件交替排列构成，每个软体关节由四个纤维增强驱动器构成。通过调控各驱动器腔体充压情况，每个软体关节可实现四个方向弯曲及双向扭转运动，整个脊柱可完成C型、S型弯曲及双向扭转运动，且可以被动变形适应复杂地形环境。所述脚部由脊柱的两端分别安装两个单轴电机，并由四杆机构连接腿部的髋关节，再通过机械机构连接膝关节和
踝关节。每个踝关节连接圆形脚掌，最后连接四个柔性脚趾。所述足部由四个软体脚趾构成，每个脚趾由上下腔体及钩爪腔体构成，下腔体铺设黏附材料，通过充压可实现上下弯曲以及钩爪抓取、释放运动，利用不同粗糙度壁面的附着机制，完成各种墙面的爬壁运动。脚掌脚踝部分预留空间放置脚趾电磁阀。所述尾部仿照壁虎尾巴设计，设置盒槽放置脊柱气泵及电池组。
[0007]进一步地，所述软体关节由四个旋向相反的纤维增强驱动器四方排列构成，单个纤维增强驱动器由具有大变形特性的硅橡胶制成，整体外观呈螺旋型结构，内部采用螺旋腔体设计，围绕螺旋外壁按照矩形沟槽缠绕多条纤维线。所述柔性脊柱主体由硅橡胶材料制成，通过刚性件连接各软体关节，且软体材料包裹刚性件，符合肌肉包裹骨骼的生物脊柱结构。所述软体关节由四个旋向相反的纤维增强驱动器四方排列构成。单个纤维增强驱动器由具有大变形特性的硅橡胶制成，整体外观呈螺旋型结构，内部采用螺旋腔体设计，围绕螺旋外壁按照矩形沟槽缠绕多条纤维线。相较于一般的圆柱型纤维增强驱动器，螺旋型结构减少了大量限制变形的材料而提升了运动变形能力。内部腔体的螺旋结构既与整体外形一致，保证了壁厚均匀，又利用纤维增强驱动器的结构非对称性分布和材料弹性模量的非均匀性，使得驱动器能够在气压及绕线作用下产生扭转作用。矩形沟槽内缠绕的纤维防止驱动器在充压过程中发生径向变形及鼓包现象，也保证了适当的刚度。驱动器按照相邻旋向相反，相对旋向相同方式排列。对相对驱动器充压，扭转作用叠加，整个软体关节可产生扭转运动。若对相邻的两个驱动器同时充压，不同旋向的扭转作用抵消，并且由于驱动器之间紧密贴合，未充压的两个驱动器可充当应变限制层， 导致充压的一侧驱动器弯向未充压一侧，软体关节产生纯弯曲运动。
[0008]进一步地，所述足部结构参考壁虎脚的脚趾的分布特征，设计的仿生柔性脚包含四个气动软体脚趾。其中前三个脚趾夹角为45
°
，第三只与第四只脚趾的夹角为60
°
。为简化驱动系统，将四个脚趾的上腔体、下腔体、和钩爪腔体分别连通在一起，实现在对单个管道充压条件下，四个脚趾产生相同的动作。单个脚趾参考了真实的壁虎脚趾整体的长宽尺寸，上下腔体设置为一样的椭圆形腔体。为抑制腔体在充压时膨胀，每个腔体外侧用两根螺旋线缠绕。下腔体下侧设置均布的条形皮瓣，皮瓣底部矩形面粘贴仿壁虎高强韧黏附材料。在对下腔体充压时，脚趾向下弯曲，实现黏附。在对上腔体充压时，腔体外翻，黏附底面沿着顶端脱离墙面，实现快速脱附。钩爪腔体截面也为近似椭圆。此外，钩爪腔体其底部粘贴有聚酯单丝网限制层，用来限制腔体底部拉伸。这样的腔体形状在充压时产生向下弯曲，实现抓取行为。
[0009]进一步地，所述脊柱及软体脚趾由硅橡胶软体材料构成，且均采用套圈包裹硅橡胶实现软硬过渡连接，模仿肌肉包裹骨骼连接。
[0010]进一步地，所述踝关节内部上端安装有一个舵机和一个轴承，实现脚踝的转动。脚踝内部装有脚趾气管口及电磁阀。
[0011]进一步地，所述前后髋关节机械结构下方设置电池槽，放置电池组，分别为腿部和脚踝的电机供电。
[0012]进一步地，所述主体机械结构为轻质高强韧结构，所述电机为长方体电机。控制板通过电线与电源稳压器及各个电机相连。
[0013]进一步地，所述头部、尾部及前后腰关节可采用仿壁虎外形的外壳包裹，避免元器
件外露，达到美观效果。
[0014]本专利技术有益效果在于：1.脊柱关节具有三个自由度，髋部具有一个自由度，腿部具有两个自由度，脚踝具有一个自由度，每个脚趾具有两个自由度，因此机器人具有很大的灵活性。
[0015]2.气动柔性脊柱可适应大转角、地壁交界等非结构环境，其主动C型或S形弯曲变型可与腿部协调配合，促进运动协调性及稳定性，并能够提高运动速度。
[0016]3.柔性脚趾黏附与钩爪的协同机制能够保证不同壁面的稳定附着，具有很好的适应不同粗糙度壁面能力，同时柔性脚的脚踝可旋转调整抓取位置。
[0017]4．所有元器件集成在壁虎机器人本体，结构紧凑，外观运动灵活，更加适应非结构环境，尤其适合在狭小封闭空间内独立运动作业。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适应非结构环境的仿壁虎机器人，包括头部（1）、脊柱（2）、腿部（3）、脚部（4）和尾部（5），其特征在于：所述脊柱（2）为刚柔耦合结构，脊柱两端分别通过连接机械结构与腿部连接；所述刚柔耦合结构包括交替排列构的若干软体关节和若干刚性连接件，采用刚性连接件（23）作为骨骼，采用纤维增强驱动器构成软体关节（22），刚性连接件（23）和软体关节（22）之间通过套圈（24）加强刚柔连接；所述腿部（3）每个腿均通过腰关节舵机（31）与脊柱（2）连接，腰关节舵机（31）侧方放置脊柱电磁阀(33)，脊柱电磁阀(33) 通过四杆机构(32)连接髋关节(34)，脊柱电磁阀(33)还通过电机连接膝关节(35)以及连接脚部的机械机构（36）；所述脚部（4）包括踝关节（41）和脚掌（42），所述踝关节（41）通过连接足部机械结构（37）与腿部（3）连接，所述脚掌（42）脚掌内部中空，中空部分放置有气动脚趾电磁阀，气动脚趾电磁阀连接柔性气动软体脚趾（43）。2.根据权利要求1所述的适应非结构环境的仿壁虎机器人，其特征在于：所述头部（1）包括仿壁虎头部外形的基本结构（11）以及用于接收和处理信息的控制板，控制板具体包括树莓派主控芯片（12）、舵机控制板（13）以及三块扩流模块（14）。3.根据权利要求1所述的适应非结构环境的仿壁虎机器人，其特征在于：所述的该仿生脊柱整体每个关节具有三个自由度，通过不同充压方式可实现脊柱整体多向弯曲及扭转变形。4.根据权利要求1所述的适应非结构环境的仿壁虎机器人，其特征在于：所述尾部（5）包括一个箱盒状的尾部机械结构（51）以及安放在其内部的电池组（52）和脊柱气泵（53）。5.根据权利要求1所述的适应非结...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈光明，林涛，乔龙，周振文，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：