[实用新型]一种履带式仿生爬壁机器人脚掌结构

说明书

技术领域

本实用新型涉及仿生机器人领域，具体涉及一种履带式仿生爬壁机器人脚掌结构及其运动方法，主要应用于爬壁机器人中以实现不同倾角壁面的粘附、行走、停留以及越障功能。

背景技术

三维空间表面爬行机器人一直是机器人领域研究热点。利用爬壁机器人可以代替人类在陡峭的壁面上执行任务，例如摩天大楼外墙清洗、油气罐检修、核设施维护等。研究发现大壁虎脚趾表面生长有数百万根的微米级刚毛，每根刚毛顶端又有数千根纳米级绒毛。这些刚毛阵列与壁面间的范德华力(即分子间力)为大壁虎在壁面上粘附行走提供了支持。研究人员采用MEMS(微机电系统)技术、NEMS(纳机电系统)技术等，以PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PU(聚氨脂)等高聚物或者硅片等为基底，在表面加工出仿大壁虎脚趾表面微纳刚毛阵列，并将其装备在机器人上，使其获得三维空间表面爬行能力，有利于提高爬壁机器人爬壁能力，降低能耗、噪音等不利因素。在研究过程中还发现，某些高聚物，如硅胶等，其表面虽然未经过加工，但也具有一定粘附性，故经常被国内外的研究者用于测试机构的可行性。以上表面加工或者未加工过的粘附材料在使用前须要施加一定的法向压力以提高粘附强度，故又称“压力敏感粘附材料”(Pressure Sensitive Material)。

国内南京航空航天大学实用新型了一种机器人仿壁虎粘附脚趾，并提供了运动方法。该仿壁虎脚趾可适用于在光滑表面粘附的仿壁虎爬行机器人脚掌设计和运动实现中，能完全模拟大壁虎脚趾粘附阵列单方向较大的粘附力和反方向较小脱附力的各向异性力学特征。然而，该种脚趾刚度主要由弹簧和柔性材料决定，针对不同场合的自适应调整能力不强。美国斯坦福大学研制出四足爬壁机器人Stickybot，Stickybot每个足上有四片脚趾，通过内嵌钢丝实现脚趾翻起。可以在90°壁面上稳定粘附行走。然而，其结构较为复杂，并且运动范围有限。美国卡耐基梅隆大学研制出的Geckobot爬壁机器人、Four-bar爬壁机器人、Waalbot系列爬壁机器人等采用盘状脚掌作为粘附行走部件，通过直线运动或转动进行剥离或粘附动作。该类型脚掌材料力学性能固定，无法在壁面角度变化或外加载荷变化时进行自适应性调节以保持最佳粘附状态，避免粘附失效。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是提供一种履带式仿生爬壁机器人脚掌结构及其运动方法。该脚掌结构可以帮助仿生爬壁机器人在三维空间光滑表面粘附、行走。通过机器人机体输出旋转运动和切向运动可以实现在任意角度壁面停留，适应不同外加载荷和不同角度壁面。通过张紧机构可以进行粘附履带内部张力调整，调整剥离角度，适应外加载荷、壁面角度和壁面曲率变化。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：

一种履带式仿生爬壁机器人脚掌结构，包括机身框架、滚动轮、张紧机构、粘附履带，所述滚动轮通过滚动轮轴安装于所述机身框架两端，所述张紧机构包括张紧轮架、张紧弹簧、微型力传感器、张紧轮、套筒，所述套筒设于所述机身框架上表面，所述套筒上表面设有所述微型力传感器，所述张紧轮架包括轴伸和安装端，所述轴伸下端穿过所述微型力传感器和套筒，所述轴伸上套设有张紧弹簧，所述张紧弹簧设于所述微型力传感器和安装端之间，所述张紧轮通过张紧轮轴安装于所述安装端上，所述张紧轮和滚动轮通过粘附履带连接，还包括一设于机身框架上的驱动机构。

所述套筒为固定于所述机身框架上表面的固定套筒。

所述套筒为设于所述机身框架上表面的升降套筒，所述升降套筒外侧面设有齿条，所述机身框架上设有一连接有张紧电机的驱动齿轮，所述驱动齿轮啮合所述升降套筒的齿条并驱动所述升降套筒升降。

所述驱动机构包括设于所述机身框架侧面的滑动槽，所述滑动槽内设有侧向滑动件，所述侧向滑动件两侧通过侧向弹簧安装于所述滑动槽内。

所述粘附履带由柔软橡胶平带外侧固定一层粘附材料制成。

一种履带式仿生爬壁机器人脚掌结构的运动方法，

(1)机器人机体通过控制侧向滑动件，向脚掌输出x-y平面内旋转和平移的运动指令，通过旋转运动，使脚掌两个滚动轮连线与壁面间呈一定位姿角度；

(2)处于悬空相的脚掌，机器人机体通过控制侧向滑动件，使脚掌前进方向的前滚动轮碰触壁面，随后将脚掌向前方平推，使前滚动轮向前滚动，并配合一定的位姿角度变化，在此过程中完成粘附履带与壁面的接触、粘附。在实现完全粘附之后，即进入支撑相；