專利名稱：六足仿生濕吸爬壁機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于仿生學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種爬壁機(jī)器人的機(jī)構(gòu)，尤其涉及一種六
足仿生濕吸爬壁機(jī)器人。
背景技術(shù)：
仿生學(xué)是生命科學(xué)與機(jī)械、材料和信息等工程技術(shù)學(xué)科相結(jié)合的交叉學(xué)科，具有 鮮明的創(chuàng)新性和應(yīng)用性。通過對(duì)濕吸類昆蟲的研究，基于濕吸原理，設(shè)計(jì)一種新的吸附機(jī) 制——濕吸吸附，研制出新型的爬壁機(jī)器人，具有廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)濕吸計(jì)算模型、力 學(xué)計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)吸附力的大小除了與分泌液的成分、接觸表面的粗糙度及有 效的接觸面積相關(guān)外，還與機(jī)器人的步態(tài)有關(guān)。因此，通過步態(tài)規(guī)劃方法，進(jìn)一步保證爬壁 機(jī)器人穩(wěn)定、可靠運(yùn)行是最為基礎(chǔ)和關(guān)鍵的技術(shù)之一。當(dāng)前的爬壁機(jī)器人主要以輪式、履帶 式和足式為主。輪式、履帶式爬壁機(jī)器人雖然設(shè)計(jì)簡單，所要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)少，易于控制，但 運(yùn)動(dòng)方式單一，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人姿態(tài)的控制；足式機(jī)器人克服了輪式、履帶式爬壁機(jī)器人 的上述缺點(diǎn)，機(jī)器人的肢節(jié)具有相對(duì)較多的自由度，易于對(duì)機(jī)器人的姿態(tài)進(jìn)行控制及步態(tài) 規(guī)劃。六足昆蟲比四足昆蟲能夠更好的吸附，因此，一般足式爬壁機(jī)器人采用六足的機(jī)構(gòu)設(shè) 計(jì)。基于昆蟲的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過對(duì)六足機(jī)器人進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，使六足按一定規(guī)律協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)， 增加足墊的吸附力，保證機(jī)器人穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。 鑒于以上背景技術(shù)及足式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，基于濕吸原理，提供了一種新型的六足 仿生濕吸機(jī)器人結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種六足仿生濕吸爬壁機(jī)器人。 本發(fā)明基于仿生學(xué)的原理，通過對(duì)六足濕吸類昆蟲的研究，設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人的整
體架構(gòu)。機(jī)器人緊貼壁面，重心位于整體架構(gòu)的中后端，同時(shí)在機(jī)器人的腿部關(guān)節(jié)處加入柔
性機(jī)構(gòu)，足端的安裝足墊處加入預(yù)壓環(huán)節(jié)，增加足墊的吸附力，同時(shí)結(jié)構(gòu)精簡，各部分模塊
化，加工、組裝方便，質(zhì)量輕，易于步態(tài)規(guī)劃，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。 本發(fā)明提出的六足仿生濕吸爬壁機(jī)器人，包括軀干骨架、仿生肢節(jié)、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電
路、預(yù)壓結(jié)構(gòu)、凸輪結(jié)構(gòu)和拉繩結(jié)構(gòu)；仿生肢節(jié)、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、預(yù)壓結(jié)構(gòu)、凸輪結(jié)構(gòu)和拉繩
結(jié)構(gòu)均安裝于軀干骨架上； 其中所述軀干骨架17上上自上而下平行安裝有2個(gè)仿生肢節(jié)安裝橫梁、2個(gè)電 機(jī)固定橫梁、2個(gè)仿生肢節(jié)安裝橫梁、2個(gè)電路板固定橫梁和2個(gè)仿生肢節(jié)安裝橫梁；2個(gè)仿 生肢節(jié)安裝橫梁為一組，即6個(gè)仿生肢節(jié)安裝橫梁分別位于軀干骨架17的前部、中部和后 部； 所述仿生肢節(jié)共有6個(gè)，根據(jù)六足濕吸類昆蟲，6個(gè)仿生肢節(jié)分成前足、中足和后 足3組，前足、中足向前，后足向后，分別對(duì)稱地安裝于軀干骨架的6個(gè)仿生肢節(jié)安裝橫梁 上；每個(gè)仿生肢節(jié)包括底座29、股節(jié)3Q、脛節(jié)31、彈簧鋼片32和柔性結(jié)構(gòu)33，股節(jié)30和柔
4性結(jié)構(gòu)33的一端均安裝在底座29上，股節(jié)30另一端連接脛節(jié)31，柔性結(jié)構(gòu)33的另一端連 接脛節(jié)31，脛節(jié)31另一端安裝彈簧鋼片32，底座29上設(shè)有電機(jī)齒輪箱凹槽35，電機(jī)齒輪箱 凹槽35內(nèi)設(shè)有電機(jī)軸孔36 ; 所述電機(jī)共有8個(gè)，6個(gè)安裝于仿生肢節(jié)的電機(jī)齒輪箱凹槽35中，電機(jī)上的電機(jī)軸 穿過電機(jī)軸孔36連接股節(jié)30 ;2個(gè)電機(jī)橫臥安裝于軀干骨架17兩端的電機(jī)固定橫梁上；
所述驅(qū)動(dòng)電路包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、系統(tǒng)控制電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路連接電機(jī)，系統(tǒng)控 制電路連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，通過系統(tǒng)控制電路發(fā)出控制信號(hào)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；
所述預(yù)壓結(jié)構(gòu)為3組，每組包括肢節(jié)支架、股節(jié)延伸T型支架和壓縮彈簧，肢節(jié)支 架固定于軀干骨架17上，3個(gè)肢節(jié)支架分別位于三組仿生肢節(jié)安裝橫梁之間；股節(jié)延伸T 型支架固定于仿生股節(jié)底座29的外側(cè)；拉繩26經(jīng)肢節(jié)支架第一斜孔43與股節(jié)延伸T型支 架相連；位于肢節(jié)支架上的第四螺紋孔44用于固定壓縮彈簧；股節(jié)延伸T型支架上的第六 螺紋孔46用于固定拉繩26 ;螺釘通過股節(jié)延伸T型支架第五螺紋孔45將股節(jié)延伸T型支 架固定在股節(jié)底座29上； 所述凸輪結(jié)構(gòu)為2個(gè)，每個(gè)凸輪結(jié)構(gòu)包括凸輪23和凸輪固定支架25，凸輪23的一 端固定在電機(jī)軸上，另一端與凸輪固定支架25相連；凸輪固定支架25安裝于位于軀干骨架 中部的仿生肢節(jié)安裝橫梁上； 所述拉繩結(jié)構(gòu)包括拉繩支架24、拉繩26和閘線，拉繩支架24安裝于軀干骨架17 上；拉繩26的一端穿過拉繩支架24上的斜孔連接仿生支節(jié)，另一端，另一端連接凸輪23，， 閘線套于拉繩26外。 本發(fā)明中，所述凸輪23包括電機(jī)連接軸47和凸輪軸49，電機(jī)連接軸47套在電機(jī) 軸上，凸輪軸49與凸輪固定支架25相連。本發(fā)明中，所述拉繩支架24包括第一斜孔43、第四螺紋孔44。第一斜孔43用于 通過拉繩26，固定閘線；第四螺紋孔44用于將拉繩支架24固定在軀干骨架上。
本發(fā)明中，所述位于拉繩支架24上的斜孔共有6個(gè)，其傾角為45° 。
本發(fā)明中，所述電機(jī)齒輪箱凹槽35內(nèi)放置有電機(jī)齒輪箱。 本發(fā)明中，柔性結(jié)構(gòu)33包括底座連接桿39、彈簧40、細(xì)軸41和脛節(jié)連接桿42，彈
簧40 —端固定于底座連接桿39的凹槽中，另一端穿過細(xì)軸41，通過細(xì)軸41與脛節(jié)連接桿
42相連，脛節(jié)連接桿42嵌入底座連接桿39的凹槽中，二者是間隙配合。 本發(fā)明中，6個(gè)仿生肢節(jié)安裝橫梁的兩側(cè)均設(shè)有限位塊，仿生肢節(jié)通過該限位塊安
裝于仿生肢節(jié)安裝橫梁上。 本發(fā)明中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路連接控制器，控制器安裝于電路板固定橫梁上，本發(fā)明中，系統(tǒng)控制電路包括飛思卡爾控制器MC9S12DG128B、8塊驅(qū)動(dòng)電路板。
MC9S12DG128B的通用10 口與驅(qū)動(dòng)電路板芯片MC3386的控制輸入口相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)
的控制。 本發(fā)明具有以下特點(diǎn)六足仿生濕吸機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)細(xì)長，重心位于整體結(jié)構(gòu)的 中后端且緊貼壁面，降低了對(duì)安裝在機(jī)器人足端的足墊吸附力的要求；在仿生肢節(jié)中加入 了柔性結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)器人對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，符合仿生的概念；采用機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行限位控 制，減少了傳感器的安裝，降低成本及電氣控制復(fù)雜度；預(yù)壓結(jié)構(gòu)增加了足墊與壁面的有 效接觸面積，增大吸附力；凸輪的設(shè)計(jì)放大了電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩，提高了電機(jī)的效率；拉繩結(jié)構(gòu)使足墊剝離容易控制。該發(fā)明結(jié)構(gòu)精簡，各部分模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，加工、組裝方便，采用鏤 空結(jié)構(gòu)，整體質(zhì)量輕，多電機(jī)驅(qū)動(dòng)，易于步態(tài)規(guī)劃，容易實(shí)現(xiàn)六足爬壁機(jī)器人的穩(wěn)定、可靠運(yùn) 行。


圖1為六足仿生濕吸爬壁機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖。
圖2為仿生肢節(jié)安裝橫梁結(jié)構(gòu)圖。
圖3為裝有橫梁的軀干骨架結(jié)構(gòu)圖。 圖4為仿生肢節(jié)結(jié)構(gòu)圖。其中(a)為仿生肢節(jié)的俯視圖，(b)為仿生肢節(jié)的仰視 圖。 圖5為股節(jié)底座結(jié)構(gòu)圖。 圖6為脛節(jié)柔性連接結(jié)構(gòu)圖。 圖7為肢節(jié)支架結(jié)構(gòu)圖。 圖8為股節(jié)延伸T型支架結(jié)構(gòu)圖。 圖9為凸輪結(jié)構(gòu)圖。 圖10為凸輪固定支架結(jié)構(gòu)圖。 圖11為拉繩支架結(jié)構(gòu)圖。 圖中標(biāo)號(hào)1為右前足，2為右中足，3為右后足，4為左后足，5為左中足，6為左前 足，7、8、11、12、15、16分別為仿生肢節(jié)的第一安裝橫梁、第二安裝橫梁、第三安裝橫梁、第四 安裝橫梁、第五安裝橫梁和第六安裝橫梁，9、10分別為第一電機(jī)固定橫梁、第二電機(jī)固定橫 梁，13、14分別為第一電路板固定橫梁、第二電路板固定橫梁，17為軀干骨架，18、19、20為 第一肢節(jié)支架、第二肢節(jié)支架和第三肢節(jié)支架，21為變速齒輪箱固定支架，22為電機(jī)固定 支架，23為凸輪，24為拉繩支架，25為凸輪固定支架，26為拉繩，27為限位塊，28為第一通 孔，29為仿生肢節(jié)底座，30為股節(jié)，31為脛節(jié)，32為彈簧鋼片，33為柔性結(jié)構(gòu)，34為第一螺 紋孔，35為電機(jī)齒輪箱凹槽，36為電機(jī)軸孔，37、38分別為第二螺紋孔、第三螺紋孔，39底座 連接桿，40為彈簧，41為細(xì)軸，42為脛節(jié)連接桿，43第一斜孔，44、45、46分別為第四螺紋孔、 第五螺紋孔、第六螺紋孔，47為電機(jī)連接軸，48為第二通孔，49為凸輪軸，50為限位螺紋孔， 51為第三通孔，52為第二斜孔。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。 如圖1所示，本發(fā)明六足仿生濕吸爬壁機(jī)器人包括軀干骨架17、仿生肢節(jié)、電機(jī)、 驅(qū)動(dòng)電路、預(yù)壓結(jié)構(gòu)、凸輪結(jié)構(gòu)、拉繩結(jié)構(gòu)。軀干骨架為機(jī)器人的支撐結(jié)構(gòu)，仿生肢節(jié)、電機(jī)、 驅(qū)動(dòng)電路、預(yù)壓結(jié)構(gòu)、凸輪結(jié)構(gòu)和拉繩結(jié)構(gòu)都安裝在軀干骨架上；仿生肢節(jié)作為機(jī)器人的六 肢，由電機(jī)控制，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)；預(yù)壓結(jié)構(gòu)用于增加機(jī)器人足端的足墊與壁面的接觸面 積，增大吸附力；凸輪結(jié)構(gòu)、拉繩結(jié)構(gòu)用于控制足墊的剝離過程，易于剝離。
如圖2、圖3所示，橫梁共有10個(gè)，每個(gè)裝橫梁長70mm，寬10mm，厚3mm，分為用于安 裝仿生肢節(jié)的第一仿生肢節(jié)安裝橫梁7、第二仿生肢節(jié)安裝橫梁8、第三仿生肢節(jié)安裝橫梁 11、第四仿生肢節(jié)安裝橫梁12、第五仿生肢節(jié)安裝橫梁15和第六仿生肢節(jié)安裝橫梁16 ;用于安裝電機(jī)的第一電機(jī)固定橫梁9、第二電機(jī)固定橫梁10 ;用于固定電路板的第一電路板
固定橫梁13、第二電路板固定橫梁14，上述這些橫梁自上而下平行安裝于軀干骨架17上， 依次為第一仿生肢節(jié)安裝橫梁7、第二仿生肢節(jié)安裝橫梁8、第一電機(jī)固定橫梁9、第二電機(jī) 固定橫梁10、第三仿生肢節(jié)安裝橫梁11、第四仿生肢節(jié)安裝橫梁12、第一電路板固定橫梁 13、第二電路板固定橫梁14、第五仿生肢節(jié)安裝橫梁15和第六仿生肢節(jié)安裝橫梁16 ;如圖 3所示。第一仿生肢節(jié)安裝橫梁7、第二仿生肢節(jié)安裝橫梁8、第三仿生肢節(jié)安裝橫梁11、第 四仿生肢節(jié)安裝橫梁12、第五仿生肢節(jié)安裝橫梁15和第六仿生肢節(jié)橫梁16上均包括限位 塊27，用于安裝仿生肢節(jié)；限位塊27高5mm，共2個(gè)，左右對(duì)稱分布，能夠?qū)Ψ律?jié)的吸 附、剝離動(dòng)作進(jìn)行限位，將其前后運(yùn)動(dòng)范圍限定在30。內(nèi)；第一仿生肢節(jié)安裝橫梁7、第二 仿生肢節(jié)安裝橫梁8、第三仿生肢節(jié)安裝橫梁11、第四仿生肢節(jié)安裝橫梁12、第五仿生肢節(jié) 安裝橫梁15和第六仿生肢節(jié)橫梁16通過螺釘安裝到軀干骨架17的凹槽中。用于安裝電 機(jī)的第一電機(jī)固定橫梁9、第二電機(jī)固定橫梁10上共有6個(gè)螺紋孔，分別用于固定電機(jī)及與 軀干骨架17相連；用于固定電路板的第一電路板固定橫梁13、第二電路板固定橫梁14，共 有4個(gè)螺紋孔，分別用于固定電路板及與軀干骨架相連。軀干骨架17、橫梁上的所有的螺紋 孔的直徑均為2mm。 六足的比四足的能夠更好地吸附，本發(fā)明的仿生肢節(jié)共6個(gè)，分成三組右前足1、 左前足6，右中足2、左中足5，右后足3、左后足4，分別安裝在第一仿生肢節(jié)安裝橫梁7、第 二仿生肢節(jié)安裝橫梁8、第三仿生肢節(jié)安裝橫梁11、第四仿生肢節(jié)安裝橫梁12、第五仿生肢 節(jié)安裝橫梁15、第六仿生肢節(jié)安裝橫梁16上，其中右前足1、左前足6，右中足2、左中足5 的彈簧鋼片32向前；右后足3、左后足4的彈簧鋼片32向后，如圖1所示。
6個(gè)仿生肢節(jié)的結(jié)構(gòu)完全相同，如圖4 圖6所示，每個(gè)仿生肢節(jié)包括底座29、股 節(jié)30、脛節(jié)31、彈簧鋼片32、柔性結(jié)構(gòu)33，第一螺紋孔34、電機(jī)齒輪箱凹槽35、電機(jī)軸孔36、 第二螺紋孔37和第三螺紋孔38，底座連接桿39、彈簧40、細(xì)軸41、脛節(jié)連接桿42。底座29 通過第二螺紋孔37與用于安裝仿生肢節(jié)的第一仿生肢節(jié)安裝橫梁7、第二仿生肢節(jié)安裝橫 梁8相連，安裝到機(jī)器人的軀干骨架17上；柔性結(jié)構(gòu)33的底座連接桿39通過螺紋孔與仿 生肢節(jié)底座29相連；電機(jī)的電機(jī)軸嵌入電機(jī)軸孔36中，并與股節(jié)30連接，電機(jī)豎直安裝在 仿生肢節(jié)上，電機(jī)的減速齒輪箱安裝在電機(jī)齒輪箱凹槽35中，電機(jī)工作時(shí)，即可驅(qū)動(dòng)仿生 肢節(jié)運(yùn)動(dòng)；股節(jié)30通過螺紋孔與脛節(jié)31相連；脛節(jié)31通過螺紋孔與脛節(jié)連接桿42相連； 脛節(jié)31通過螺紋孔與彈簧鋼片32相連；彈簧鋼片32下表面安裝仿生濕吸機(jī)器人的足墊， 由于內(nèi)部應(yīng)力的作用，彈簧鋼片32具有一定的下壓弧度，保證足墊在自然狀態(tài)下受到一定 的預(yù)壓力，增加足墊與壁面的接觸面積，加大足墊的吸附力，同時(shí)彈簧鋼片32能夠及時(shí)回 復(fù)，有利于足墊的剝離。 為了提高本發(fā)明所設(shè)計(jì)的六足爬壁機(jī)器人對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，根據(jù)仿生的概念，在 仿生肢節(jié)中加入了柔性結(jié)構(gòu)33，如圖6所示。柔性結(jié)構(gòu)33包括底座連接桿39、彈簧40、細(xì) 軸41和脛節(jié)連接桿42。彈簧40的一端固定在底座連接桿39的凹槽中， 一端通過細(xì)軸41 與脛節(jié)連接桿42相連，脛節(jié)連接桿42嵌入底座連接桿39的凹槽中，二者是間隙配合。柔 性結(jié)構(gòu)33通過螺紋孔與底座29、脛節(jié)31相連。該柔性結(jié)構(gòu)33能夠保證仿生肢節(jié)在自然狀 態(tài)下，有一個(gè)向軀干骨架收攏的趨勢，利于有效地吸附及剝離，同時(shí)具有緩沖的作用，能夠 限定仿生肢節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍，增強(qiáng)了仿生肢節(jié)的抗干擾性。
3個(gè)預(yù)壓結(jié)構(gòu)完全相同，因此僅就一個(gè)預(yù)壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。如圖7、圖8所示，預(yù)壓 結(jié)構(gòu)包括肢節(jié)支架、股節(jié)延伸T型支架和壓縮彈簧。肢節(jié)支架為3個(gè)，分別為第一肢節(jié)支架 18、第二肢節(jié)支架19和第三肢節(jié)支架20。肢節(jié)支架18包括第一斜孔43、第四螺紋孔44 ;股 節(jié)延伸T型支架包括第五螺紋孔45、第六螺紋孔46。肢節(jié)支架18固定在軀干骨架17上，位 于第一仿生肢節(jié)安裝橫梁7、第二仿生肢節(jié)安裝橫梁8之間；股節(jié)延伸T型支架經(jīng)過第五螺 紋孔45固定在底座29上；第一斜孔43與第六螺紋孔46通過壓縮彈簧相連接，該狀態(tài)下， 壓縮彈簧出于壓縮狀態(tài)，同時(shí)肢節(jié)支架18是固定的，彈簧對(duì)股節(jié)延伸T型支架有個(gè)向下的 壓力；第四螺紋孔44與底座29的第一螺紋孔34之間通過彈簧相連，對(duì)底座29有個(gè)向下的 壓力。該預(yù)壓結(jié)構(gòu)結(jié)合彈簧鋼片32，給仿生足墊提供一定的預(yù)壓力，改善了仿生足墊的吸附 性能，有利于爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。 凸輪結(jié)構(gòu)共有2個(gè)，結(jié)構(gòu)完全相同，左右兩側(cè)對(duì)稱地安裝在軀干骨架的第一電機(jī) 固定橫梁10、第二電機(jī)固定橫梁11之間，因此僅就一個(gè)凸輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。如圖9、圖10 所示，凸輪結(jié)構(gòu)包括凸輪23、凸輪固定支架25。凸輪23包括電機(jī)連接軸47、第二通孔48、 凸輪軸49、限位螺紋孔50 ;凸輪固定支架25具有第三通孔51。凸輪23的電機(jī)連接軸47套 在電機(jī)軸上，用螺釘將二者固定；凸輪軸49通過軸承，固定在第三通孔51中，軸承與第三通 孔51是過盈配合；限位螺紋孔50中的螺釘與拉繩支架24構(gòu)成了限位結(jié)構(gòu)，限定了 6個(gè)仿 生肢節(jié)抬起的高度；第二通孔48用于連接拉繩26 ;凸輪固定支架25通過螺紋孔固定在軀 干骨架的橫梁11上。凸輪23的設(shè)計(jì)，放大了電機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩，降低了對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 的要求，配合拉繩結(jié)構(gòu)，通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了 6個(gè)仿生肢節(jié)的抬起及放下。
如圖11所示，拉繩結(jié)構(gòu)包括拉繩支架24、拉繩26、閘線。拉繩支架24具有第二斜 孔52。第二斜孔52共6個(gè)，分成兩組對(duì)稱排列在拉繩支架24的兩端，用于通過拉繩26，固 定閘線。第二斜孔52具有45。向下的傾角，減小了拉繩26與第二斜孔52之間的摩擦，降 低了對(duì)電機(jī)輸出力矩的要求，提高了電機(jī)的效率。拉繩支架24通過螺紋孔固定在軀干骨架 的橫梁10、11之間。拉繩26由鋼絲組成；閘線是中空的導(dǎo)線。拉繩26穿過閘線，一端與股 節(jié)延伸T型支架的第六螺紋孔46相連，經(jīng)過肢節(jié)支架18的第一斜孔43，拉繩支架24的第 二斜孔52，與凸輪23的第二通孔48相連。左前足6、右中足2、左后足4仿生肢節(jié)的拉繩 26與軀干骨架左側(cè)凸輪23的三個(gè)第二通孔48相連；右前足1、左中足5、右后足3仿生肢 節(jié)的拉繩26與軀干骨架右側(cè)凸輪23的三個(gè)第二通孔48相連。在肢節(jié)支架18的第一斜孔 43與拉繩支架24的第二斜孔52之間，拉繩26套有閘線，防止各條拉繩之間的相互干擾。
本發(fā)明的執(zhí)行器為8個(gè)直流減速電機(jī)，型號(hào)為GA12YN30-298-4531 ，減速比 1 : 298，額定電壓4. 5V，最大輸出轉(zhuǎn)矩1500g. cm，轉(zhuǎn)速26rpm。 8個(gè)直流減速電機(jī)分成兩組， 6個(gè)電機(jī)安裝在仿生肢節(jié)底座29的電機(jī)齒輪箱凹槽35中，通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)仿 生肢節(jié)的前后運(yùn)動(dòng)，通過機(jī)械限位結(jié)構(gòu)，將該運(yùn)動(dòng)限定在30。內(nèi)；2個(gè)電機(jī)通過齒輪箱固定 支架21、電機(jī)固定支架22，橫臥安裝在軀干骨架的用于安裝電機(jī)的第一電機(jī)固定橫梁9、第 二電機(jī)固定橫梁10的左右兩側(cè)，結(jié)合凸輪結(jié)構(gòu)、拉繩結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)仿生肢節(jié)的抬起及放下。電 機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，凸輪隨著電機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，拉繩繞在凸輪表面，使得驅(qū)動(dòng)臂逐漸變短，仿生肢節(jié)抬 起，降低了對(duì)電機(jī)輸出力矩的要求；電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，拉繩脫離凸輪，凸輪的力臂逐漸變長，仿生 肢節(jié)能夠迅速放下。 本發(fā)明的控制器為飛思卡爾開發(fā)板，型號(hào)為MC9S12DG128B，通過編程實(shí)現(xiàn)控制器
8飛思卡爾控制器通過螺釘安裝在 第一固定電路板橫梁13、第二固定電路板橫梁14上；6個(gè)仿生肢節(jié)的驅(qū)動(dòng)電路板，通過螺釘 對(duì)稱地安裝在用于安裝在第一仿生肢節(jié)固定橫梁7、第三仿生肢節(jié)固定橫梁11、第五仿生 肢節(jié)固定橫梁15上；2個(gè)與凸輪耦合的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板，通過螺釘安裝在齒輪箱固定支架 21、電機(jī)固定支架22上。 如圖1所示，本發(fā)明六足仿生濕吸爬壁機(jī)器人上所有的螺紋孔直徑為2mm，連 接使用M2的螺釘；柔性結(jié)構(gòu)、預(yù)壓結(jié)構(gòu)所使用的彈簧外徑2. 7mm，內(nèi)徑2. 3mm，彈性系數(shù) 0. 032kg/mm。機(jī)器人上所有結(jié)構(gòu)都是模塊化，易于加工、組裝、替換；大量使用標(biāo)準(zhǔn)件，降低 成本；轉(zhuǎn)動(dòng)部分使用鋁合金制作，通過軸承連接，其余固定部分使用塑料制作，同時(shí)采用了 大量的鏤空結(jié)構(gòu)，在保證一定機(jī)械強(qiáng)度的情況下，減少了整體的質(zhì)量。 通過對(duì)六足仿生濕吸爬壁機(jī)器人進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，進(jìn)一步保證機(jī)器人在壁面上的穩(wěn) 定、可靠運(yùn)動(dòng)。綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制復(fù)雜度、可實(shí)現(xiàn)性等，本發(fā)明通過對(duì)6個(gè)仿生肢 節(jié)的控制，結(jié)合凸輪結(jié)構(gòu)及拉繩結(jié)構(gòu)，選擇"三角步態(tài)"作為步態(tài)規(guī)劃依據(jù)。
機(jī)器人按照"三角步態(tài)"運(yùn)動(dòng)，初始狀態(tài)為由機(jī)器人左前足6、右中足2、左后足4 組成的第一肢節(jié)組處于接觸壁面，向后擺，且接觸第二仿生肢節(jié)安裝橫梁8、第四仿生肢節(jié) 安裝橫梁12、第六仿生肢節(jié)安裝橫梁16的限位塊27的狀態(tài)；由機(jī)器人右前足1、左中足5、 右后足3組成的第二肢節(jié)組處于接觸壁面，向前擺，且接觸第一仿生肢節(jié)安裝橫梁7、第三 仿生肢節(jié)安裝橫梁11、第五仿生肢節(jié)安裝橫梁15的限位塊27的狀態(tài)。
運(yùn)動(dòng)時(shí)，(1)機(jī)器人左側(cè)與凸輪耦合的驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)拉繩拉 動(dòng)第一肢節(jié)組的仿生肢節(jié)向上抬起，凸輪上的限位螺絲孔50上的螺釘用于限定凸輪的旋 轉(zhuǎn)角度，即第一肢節(jié)組的仿生肢節(jié)抬起的角度；(2)第一肢節(jié)組的仿生肢節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)3 個(gè)仿生肢節(jié)向前旋轉(zhuǎn)，同時(shí)第二肢節(jié)組的仿生肢節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)另外3個(gè)仿生肢節(jié)向后旋 轉(zhuǎn)，二者相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人向前的整體運(yùn)動(dòng)。在該過程中，每個(gè)仿生肢節(jié)兩側(cè)的限位塊27 限定了仿生肢節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍；(3)機(jī)器人左側(cè)與凸輪耦合的驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，第一肢節(jié)組的3 個(gè)仿生肢節(jié)下落，此時(shí)預(yù)壓結(jié)構(gòu)、彈簧鋼片32使3個(gè)仿生肢節(jié)加速下降，足墊能夠較好地與 垂直壁面相接觸，增強(qiáng)足墊的吸附力；(4)機(jī)器人右側(cè)與凸輪耦合的驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)凸輪旋 轉(zhuǎn)，拉繩拉動(dòng)第二肢節(jié)組的仿生肢節(jié)向上抬起，同樣凸輪上的限位螺絲孔50上的螺釘用于 限定凸輪的旋轉(zhuǎn)角度；(5)第二肢節(jié)組的仿生肢節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)3個(gè)仿生肢節(jié)向前旋轉(zhuǎn)，同 時(shí)第一肢節(jié)組的仿生肢節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)另外3個(gè)仿生肢節(jié)向后旋轉(zhuǎn)，二者相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)機(jī) 器人第二次向前的整體運(yùn)動(dòng)，同樣，在該過程中，每個(gè)仿生肢節(jié)兩側(cè)的限位塊27限定了仿 生肢節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍；(6)機(jī)器人右側(cè)與凸輪耦合的驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，第二肢節(jié)組的3個(gè)仿生肢 節(jié)下落，此時(shí)預(yù)壓結(jié)構(gòu)、彈簧鋼片32起到與剛才相同的作用，增強(qiáng)足墊的吸附力。重復(fù)步驟 (1) (6)，實(shí)現(xiàn)仿生濕吸爬壁機(jī)器人在壁面上的連續(xù)運(yùn)動(dòng)。 本發(fā)明六足仿生濕吸爬壁機(jī)器人，其創(chuàng)新點(diǎn)主要在機(jī)器人的整體構(gòu)架、柔性結(jié)構(gòu)、 預(yù)壓結(jié)構(gòu)、限位結(jié)構(gòu)、凸輪結(jié)構(gòu)、預(yù)壓結(jié)構(gòu)、拉繩結(jié)構(gòu)。機(jī)器人的重心位于整體結(jié)構(gòu)的中后 端且緊貼壁面，降低了對(duì)安裝在機(jī)器人足端的足墊吸附力的要求；柔性結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)器人 對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性；預(yù)壓結(jié)構(gòu)增加了仿生足墊與壁面的有效接觸面積， 增大吸附力；采用機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行限位控制，減少了傳感器的安裝，降低成本及電氣控制復(fù) 雜度；凸輪的設(shè)計(jì)放大了電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩，降低了對(duì)電機(jī)輸出力矩的要求，提高了電機(jī)的效率；拉繩結(jié)構(gòu)使足墊剝離容易控制，易于實(shí)現(xiàn)基于三角步態(tài)的步態(tài)規(guī)劃。該發(fā)明體現(xiàn)了仿生 的概念，采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，大量使用標(biāo)準(zhǔn)件、鏤空結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)材料，易于加工、安裝、替 換，同時(shí)降低整體質(zhì)量，本發(fā)明機(jī)器人的質(zhì)量在500g以內(nèi)，多電機(jī)驅(qū)動(dòng)，易于步態(tài)規(guī)劃，容 易實(shí)現(xiàn)六足爬壁機(jī)器人的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。 研究基于仿生學(xué)的濕吸爬壁機(jī)器人可為搜索、救援、偵察、科學(xué)實(shí)驗(yàn)及科學(xué)考察等 方面提供很好的參考和實(shí)踐模型。本發(fā)明研制出新型的仿生濕吸爬壁機(jī)器人，可以用于許 多領(lǐng)域如空間探索、執(zhí)行軍事任務(wù)、危險(xiǎn)排除、高空戶外作業(yè)、地下管道探傷等，大大擴(kuò)展 人類活動(dòng)范圍，提高了生產(chǎn)效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
一種六足仿生濕吸爬壁機(jī)器人，包括軀干骨架、仿生肢節(jié)、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、預(yù)壓結(jié)構(gòu)、凸輪結(jié)構(gòu)和拉繩結(jié)構(gòu)；仿生肢節(jié)、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、預(yù)壓結(jié)構(gòu)、凸輪結(jié)構(gòu)和拉繩結(jié)構(gòu)均安裝于軀干骨架上；其特征在于所述軀干骨架(17)上上自上而下平行安裝有2個(gè)仿生肢節(jié)安裝橫梁、2個(gè)電機(jī)固定橫梁、2個(gè)仿生肢節(jié)安裝橫梁、2個(gè)電路板固定橫梁和2個(gè)仿生肢節(jié)安裝橫梁；2個(gè)仿生肢節(jié)安裝橫梁為一組，即6個(gè)仿生肢節(jié)安裝橫梁分別位于軀干骨架(17)的前部、中部和后部；所述仿生肢節(jié)共有6個(gè)，根據(jù)六足濕吸類昆蟲，6個(gè)仿生肢節(jié)分成前足、中足和后足3組，前足、中足向前，后足向后，分別對(duì)稱地安裝于軀干骨架的6個(gè)仿生肢節(jié)安裝橫梁上；每個(gè)仿生肢節(jié)包括底座(29)、股節(jié)(30)、脛節(jié)(31)、彈簧鋼片(32)和柔性結(jié)構(gòu)(33)，股節(jié)(30)和柔性結(jié)構(gòu)(33)的一端均安裝在底座(29)上，股節(jié)(30)另一端連接脛節(jié)(31)，柔性結(jié)構(gòu)(33)的另一端連接脛節(jié)(31)，脛節(jié)(31)另一端安裝彈簧鋼片(32)，底座(29)上設(shè)有電機(jī)齒輪箱凹槽(35)，電機(jī)齒輪箱凹槽(35)內(nèi)設(shè)有電機(jī)軸孔(36)；所述電機(jī)共有8個(gè)，6個(gè)安裝于仿生肢節(jié)的電機(jī)齒輪箱凹槽(35)中，電機(jī)上的電機(jī)軸穿過電機(jī)軸孔(36)連接股節(jié)(30)；2個(gè)電機(jī)橫臥安裝于軀干骨架(17)兩端的電機(jī)固定橫梁上；所述驅(qū)動(dòng)電路包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、系統(tǒng)控制電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路連接電機(jī)，系統(tǒng)控制電路連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，通過系統(tǒng)控制電路發(fā)出控制信號(hào)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；所述預(yù)壓結(jié)構(gòu)為3組，每組包括肢節(jié)支架、股節(jié)延伸T型支架和壓縮彈簧，肢節(jié)支架固定于軀干骨架(17)上，3個(gè)肢節(jié)支架分別位于三組仿生肢節(jié)安裝橫梁之間；股節(jié)延伸T型支架固定于仿生股節(jié)底座(29)的外側(cè)；拉繩(26)經(jīng)肢節(jié)支架第一斜孔(43)與股節(jié)延伸T型支架相連；位于肢節(jié)支架上的第四螺紋孔(44)用于固定壓縮彈簧；股節(jié)延伸T型支架上的第六螺紋孔(46)用于固定拉繩(26)；螺釘通過股節(jié)延伸T型支架第五螺紋孔(45)將股節(jié)延伸T型支架固定在股節(jié)底座(29)上；所述凸輪結(jié)構(gòu)為2個(gè)，每個(gè)凸輪結(jié)構(gòu)包括凸輪(23)和凸輪固定支架(25)，凸輪(23)的一端固定在電機(jī)軸上，另一端與凸輪固定支架(25)相連；凸輪固定支架(25)安裝于位于軀干骨架中部的仿生肢節(jié)安裝橫梁上；所述拉繩結(jié)構(gòu)包括拉繩支架(24)、拉繩(26)和閘線，拉繩支架(24)安裝于軀干骨架(17)上；拉繩(26)的一端穿過拉繩支架(24)上的斜孔連接仿生支節(jié)，另一端連接凸輪(23)，閘線套于拉繩(26)外。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的六足仿生濕吸爬壁機(jī)器人，其特征在于所述凸輪(23)包括電 機(jī)連接軸(47)和凸輪軸(49)，電機(jī)連接軸(47)套在電機(jī)軸上，凸輪軸(49)與凸輪固定支 架(25)相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的六足仿生濕吸爬壁機(jī)器人，其特征在于所述拉繩支架(24)包 括第一斜孔(43)、第四螺紋孔(44);第一斜孔(43)用于通過拉繩(26)，固定閘線；第四螺 紋孔(44)用于將拉繩支架(24)固定在軀干骨架上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的六足仿生濕吸爬壁機(jī)器人，其特征在于所述位于拉繩支架(24) 上的斜孔共有6個(gè)，其傾角為45。。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的六足仿生濕吸爬壁機(jī)器人，其特征在于所述電機(jī)齒輪箱凹槽 (35)內(nèi)放置有電機(jī)齒輪箱。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的六足仿生濕吸爬壁機(jī)器人，其特征在于柔性結(jié)構(gòu)(33)包括底 座連接桿(39)、彈簧(40)、細(xì)軸(41)和脛節(jié)連接桿(42)，彈簧(40) —端固定于底座連接桿 (39)的凹槽中，另一端穿過細(xì)軸(41)，通過細(xì)軸(41)與脛節(jié)連接桿(42)相連，脛節(jié)連接桿 (42)嵌入底座連接桿(39)的凹槽中，二者是間隙配合。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的六足仿生濕吸爬壁機(jī)器人，其特征在于6個(gè)仿生肢節(jié)安裝橫 梁的兩側(cè)均設(shè)有限位塊，仿生肢節(jié)通過該限位塊安裝于仿生肢節(jié)安裝橫梁上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的六足仿生濕吸爬壁機(jī)器人，其特征在于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路連接控 制器，控制器安裝于電路板固定橫梁上，
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的六足仿生濕吸爬壁機(jī)器人，其特征在于系統(tǒng)控制電路包括飛 思卡爾控制器MC9S12DG128B、8塊驅(qū)動(dòng)電路板MC3386 ;MC9S12DG1 (28)B的通用10 口輸出16 路P麗信號(hào)，與MC3386的8個(gè)控制輸入口相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。
全文摘要
本發(fā)明屬于仿生學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種六足仿生濕吸爬壁機(jī)器人，由軀干骨架、仿生肢節(jié)、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、預(yù)壓結(jié)構(gòu)、凸輪結(jié)構(gòu)和拉繩結(jié)構(gòu)組成，所有部件安裝在軀干骨架上。軀干骨架包括支架、橫梁，橫梁安裝在軀干支架凹槽中；仿生肢節(jié)包括底座、股節(jié)、脛節(jié)、彈簧鋼片、柔性結(jié)構(gòu)，股節(jié)、柔性結(jié)構(gòu)的一端與底座相連，一端與脛節(jié)相連，彈簧鋼片安裝在脛節(jié)上；驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電機(jī)聯(lián)合控制，電機(jī)豎直安裝在電機(jī)槽中和橫臥安裝在橫梁上；預(yù)壓結(jié)構(gòu)包括肢節(jié)支架、股節(jié)延伸T型支架，通過彈簧連接；凸輪結(jié)構(gòu)包括凸輪、凸輪固定支架，凸輪的一端固定在電機(jī)軸上，一端與凸輪固定支架相連；拉繩結(jié)構(gòu)包括拉繩支架、拉繩、閘線，拉繩通過拉繩支架與仿生肢節(jié)相連。本發(fā)明結(jié)構(gòu)精簡，各部分模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，加工、組裝方便，采用鏤空結(jié)構(gòu)，整體質(zhì)量輕，多電機(jī)驅(qū)動(dòng)，易于步態(tài)規(guī)劃，容易實(shí)現(xiàn)六足爬壁機(jī)器人的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。
文檔編號(hào)B62D57/024GK101746429SQ20101010213
公開日2010年6月23日 申請日期2010年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月28日
發(fā)明者何斌, 周艷敏, 秦海燕, 黎明和 申請人:同濟(jì)大學(xué)