專利名稱：微型四足仿生爬壁機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于微型移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微型四足爬壁仿生機(jī)構(gòu)，該四足仿生爬壁機(jī)構(gòu)能夠在壁面上實(shí)現(xiàn)連續(xù)的動(dòng)態(tài)行走。
背景技術(shù)：
隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展和微小型移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓廣，已出現(xiàn)了這樣一種需求，即用微小型爬壁機(jī)器人代替人工進(jìn)行各種極限作業(yè)，如公安消防中使用微小型爬壁機(jī)器人進(jìn)入縱橫交織、上下連通的大樓通風(fēng)管道進(jìn)行災(zāi)情現(xiàn)場考察、敵情偵察，或進(jìn)入空間狹窄的核工業(yè)管道群之間進(jìn)行外管壁的檢測和維修，這就要求機(jī)器人具備微小外形、良好的任意材質(zhì)壁面自吸附性能和靈活的適應(yīng)各種形狀壁面的移動(dòng)性能、并具備一定的荷重能力，而采用類似壁虎仿生機(jī)構(gòu)的微小型爬壁機(jī)器人將是最佳的選擇之一。因此，通過對壁虎的仿生機(jī)構(gòu)學(xué)研究，舍棄管道內(nèi)微小機(jī)器人移動(dòng)時(shí)所必需的形封閉和力封閉基本要求，開發(fā)能象壁虎一樣適應(yīng)各種材質(zhì)(如玻璃、粉墻和金屬等)和任意形狀表面(如平面、柱面、弧面和拐角等)的微小型爬壁仿生機(jī)構(gòu)，是值得重視并發(fā)展的一種微型移動(dòng)機(jī)構(gòu)。
近年來，采用MENS技術(shù)進(jìn)入狹窄空間的微機(jī)器人，展示了誘人的應(yīng)用前景和在軍民兩用上的戰(zhàn)略意義。因此，作為微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展方向之一的基于精密機(jī)械加工微機(jī)器人技術(shù)研究已成為國際上的一個(gè)研究熱點(diǎn)，這方面的研究不僅有強(qiáng)大的市場推動(dòng)，而且得到眾多研究機(jī)構(gòu)和科技人員的參與。以日本為代表的許多國家在這方面已開展了大量研究，重點(diǎn)之一是發(fā)展進(jìn)入工業(yè)狹窄空間微機(jī)器人，已研制成微小夾持器、微小移動(dòng)機(jī)構(gòu)和微小檢測系統(tǒng)等，而國內(nèi)在國家自然科學(xué)基金、863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃等的資助下，有清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、廣東工學(xué)院、上海大學(xué)等科研院所針對進(jìn)入工業(yè)管道微機(jī)器人進(jìn)行了大量研究，并分別研制了原理樣機(jī)。
對進(jìn)入狹窄空間微小型移動(dòng)機(jī)器人的大量文獻(xiàn)檢索，能象壁虎一樣能進(jìn)入狹窄空間、適應(yīng)在多種材質(zhì)和各種形式壁面移動(dòng)的微小型爬壁仿生機(jī)構(gòu)研究，國內(nèi)外未見報(bào)道。所以，通過對壁虎的仿生機(jī)構(gòu)學(xué)研究，探索微小型爬壁仿生機(jī)構(gòu)在各種形狀和材質(zhì)壁面吸附、移動(dòng)的仿生機(jī)構(gòu)原理和性能，應(yīng)用基于精密機(jī)械加工的微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，研究適合進(jìn)入狹小空間并具備高的機(jī)動(dòng)性的微小型爬壁仿生機(jī)構(gòu)，對微型移動(dòng)機(jī)器人的研究帶有一定的普遍性。
盡管國內(nèi)外開發(fā)了不少微小型多足機(jī)器人樣機(jī)和研究模型，但機(jī)器人結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制十分復(fù)雜，總體結(jié)構(gòu)尺寸和體積很難縮小。現(xiàn)在采用的微小機(jī)器人系統(tǒng)大多采用壓電晶體和形狀記憶合金作為驅(qū)動(dòng)器，但是由于壓電晶體產(chǎn)生的執(zhí)行力和變形量較小，而形狀記憶合金響應(yīng)速度慢，因此使得他們在微型機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用受到了限制。上海交通大學(xué)開發(fā)了由形狀記憶合金絲驅(qū)動(dòng)的仿生六足步行機(jī)器人，并研究了該類機(jī)器人靜步態(tài)行走的控制策略。由于該機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器采用形狀記憶合金，因而機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)頻率和運(yùn)行速度慢，運(yùn)動(dòng)速度調(diào)節(jié)受到限制。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種微型四足仿生爬壁機(jī)構(gòu)，能以連續(xù)緩慢地在任意形狀表面及管道內(nèi)移動(dòng)。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思是采用四套端部運(yùn)動(dòng)軌跡為D型曲線的平面四連桿機(jī)構(gòu)作為腿足機(jī)構(gòu)，滿足機(jī)構(gòu)的直線移動(dòng)功能，而在移動(dòng)機(jī)構(gòu)的腹部安裝1套回轉(zhuǎn)裝置，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的方向控制。在每套腿足機(jī)構(gòu)的腳掌上貼有采用一種與壁虎腳趾表面結(jié)構(gòu)相近的、經(jīng)物理改性的硅橡膠薄膜，該薄膜可利用分子間的親附力(又稱“范德瓦爾斯力”)可吸附在多種材質(zhì)的表面，為了自如地控制腳掌薄膜與行走壁面間的吸附和脫離，采用了借助壓電陶瓷的電致伸縮效應(yīng)而制作的直線移動(dòng)裝置，控制腳掌圍繞鉸接關(guān)節(jié)的傾斜角度，實(shí)現(xiàn)腳掌的吸附和脫離。為了減輕移動(dòng)機(jī)構(gòu)的自重，該移動(dòng)機(jī)構(gòu)的四套腿足機(jī)構(gòu)采用一套微型減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過齒輪裝置及皮帶裝置的驅(qū)動(dòng)組合，把電機(jī)的運(yùn)動(dòng)分別傳遞到4套腿足機(jī)構(gòu)。為了保證四足腿足機(jī)構(gòu)的連續(xù)移動(dòng)，四套腿足機(jī)構(gòu)分成2組，斜腳對應(yīng)為一組，每組的運(yùn)動(dòng)相位相差180度，使得在移動(dòng)的任意時(shí)刻均有2套腿足機(jī)構(gòu)與壁面吸附，保證機(jī)體的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。而為了調(diào)整機(jī)構(gòu)的移動(dòng)方向，需要借助腹部的回轉(zhuǎn)吸盤，在四套腿足裝置的腳掌脫離壁面的情況下完成機(jī)體的轉(zhuǎn)向，該腹部的回轉(zhuǎn)吸盤有一套微型減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并具有微量的直線彈性伸縮功能以控制吸盤的吸附與脫離，該吸盤的表面同樣貼有硅橡膠薄膜。該微小型四足爬壁仿生機(jī)構(gòu)配備相應(yīng)的傳感器和作業(yè)裝置，可以進(jìn)入狹小空間環(huán)境中的管壁表面檢測、以及現(xiàn)代高層建筑中進(jìn)入通風(fēng)管道的火災(zāi)現(xiàn)場偵察和敵情監(jiān)控。
根據(jù)上述構(gòu)思，本實(shí)用新型采用下述技術(shù)方案
一種微型四足仿生爬壁機(jī)構(gòu)，包括一個(gè)構(gòu)架，其特征在于構(gòu)架上固定安裝兩個(gè)微型減速電機(jī)，其中一個(gè)微型減速電機(jī)經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連動(dòng)安裝在構(gòu)架兩側(cè)前后的四個(gè)腿桿，腿桿下端各裝有一個(gè)吸附腳掌，另一個(gè)微型減速電機(jī)經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連動(dòng)一個(gè)安裝在構(gòu)架中部下面的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的下端裝有一個(gè)回轉(zhuǎn)吸附腳掌。
上述的微型減速電機(jī)連動(dòng)腿桿的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是微型減速電機(jī)輸出軸通過一個(gè)連軸節(jié)聯(lián)接一根動(dòng)力蝸桿，動(dòng)力蝸桿與一個(gè)動(dòng)力蝸輪嚙合，動(dòng)力蝸輪轉(zhuǎn)軸一端有小齒輪與一根主動(dòng)軸上的大齒輪嚙合，主動(dòng)軸上有驅(qū)動(dòng)帶輪，通過傳動(dòng)皮帶聯(lián)動(dòng)一根從動(dòng)軸上的從動(dòng)帶輪；主動(dòng)軸和從動(dòng)軸兩端分別通過偏心銷與四個(gè)腿桿彎折上段末端鉸連；有四根連桿分別以其一端與構(gòu)架鉸連，而其另一端與一根腿桿上彎折段中部鉸連。
上述的主動(dòng)軸兩端的兩個(gè)偏心銷方位相差180°，從動(dòng)軸左端的偏心銷方位與主動(dòng)軸右端偏心銷方位相同，而從動(dòng)軸右端的偏心銷方位與主動(dòng)軸的左端偏心銷方位相同。
上述的微型減速電機(jī)連動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是水平安裝的微型減速電機(jī)通過一對傘齒輪聯(lián)動(dòng)垂直安裝的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為軸承支承的一根回轉(zhuǎn)軸。
上述的四個(gè)腿桿為彎折腿桿，其下彎折段末端通過球關(guān)節(jié)與吸附腳掌鉸連，有一個(gè)電壓驅(qū)動(dòng)裝置的一端與吸附腳掌上邊緣鉸連，而另一端與腿桿下彎折段中部鉸連。
上述的四個(gè)吸附腳掌和一個(gè)回轉(zhuǎn)吸附腳掌的下底均貼有硅橡膠薄膜。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)本實(shí)用新型就是基于仿生學(xué)原理、超精細(xì)加工的微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，解決了微小型壁面爬行機(jī)構(gòu)的移動(dòng)速度緩慢、運(yùn)動(dòng)斷續(xù)的問題，舍棄管道內(nèi)微小機(jī)器人移動(dòng)時(shí)所必需的形封閉和力封閉基本要求，提供一種能象壁虎一樣能進(jìn)入狹窄空間、適應(yīng)在多種材質(zhì)和多種形式壁面移動(dòng)的微小型爬壁仿生機(jī)構(gòu)。這種微小型四足爬壁仿生機(jī)構(gòu)的外形尺寸可制成為長50mm，寬20mm，高16mm，重130g，移動(dòng)速度60mm/min，荷重50g，適應(yīng)于能象壁虎一樣在多種材質(zhì)(如玻璃、粉墻和金屬等)、任意形狀表面(如平面、柱面、弧面和拐角等)以及管道內(nèi)連續(xù)移動(dòng)。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動(dòng)靈活，通過性和適應(yīng)性良好，適應(yīng)更廣泛的地形地貌，特別是微小空間、微小管道、凹凸不平、障礙物眾多等環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)方式接近生物體的運(yùn)動(dòng)特征，因而運(yùn)動(dòng)更加靈活多變、易于控制，在設(shè)計(jì)方法上具有顯著的進(jìn)步。
圖1是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1的俯視圖。
圖3是圖1示例的動(dòng)態(tài)步行原理圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例是參見圖1、圖2，本微型四足仿生爬壁機(jī)構(gòu)，包括一個(gè)構(gòu)架12，構(gòu)架12上固定安裝兩個(gè)微型減速電機(jī)11、17，其中一個(gè)微型減速電機(jī)11經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連動(dòng)安裝在構(gòu)架12兩側(cè)前后的四個(gè)腿桿5，腿桿5下端各裝有一個(gè)吸附腳掌1，另一個(gè)微型減速電機(jī)7經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連動(dòng)一個(gè)安裝在構(gòu)架12中部下面的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)18，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)18的下端裝有一個(gè)回轉(zhuǎn)吸附腳掌19。微型減速電機(jī)11連動(dòng)腿桿5的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是微型減速電機(jī)11輸出軸通過一個(gè)連軸節(jié)10聯(lián)接一根動(dòng)力蝸桿8，動(dòng)力蝸桿8與一個(gè)動(dòng)力蝸輪10嚙合，動(dòng)力蝸輪10轉(zhuǎn)軸一端有小齒輪與一根主動(dòng)軸20上的大齒輪16嚙合，主動(dòng)軸20上有驅(qū)動(dòng)帶輪15，通過傳動(dòng)皮帶13聯(lián)動(dòng)一根從動(dòng)軸21上的從動(dòng)帶輪14；主動(dòng)軸20和從動(dòng)軸21兩端分別通過偏心銷6與四個(gè)腿桿5彎折上段末端鉸連；有四根連桿7分別以其一端與構(gòu)架12鉸連，而其另一端與一根腿桿5上彎折段中部鉸連。主動(dòng)軸20兩端的兩個(gè)偏心銷6方位相差180°，從動(dòng)軸21左端的偏心銷方位與主動(dòng)軸20右端偏心銷方位相同，而從動(dòng)軸21右端的偏心銷方位與主動(dòng)軸20的左端偏心銷方位相同。微型減速電機(jī)17連動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)18的結(jié)構(gòu)是水平安裝的微型減速電機(jī)17通過一對傘齒輪聯(lián)動(dòng)垂直安裝的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)18，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)18為軸承支承的一根回轉(zhuǎn)軸。四個(gè)腿桿5為彎折腿桿，其下彎折段末端通過球關(guān)節(jié)3與吸附腳掌1鉸連，有一個(gè)電壓驅(qū)動(dòng)裝置4的一端與吸附腳掌1上邊緣鉸連，而另一端與腿桿1下彎折段中部鉸連。四個(gè)吸附腳掌1和一個(gè)回轉(zhuǎn)吸附腳掌19的下底均貼有硅橡膠薄膜。
本微型四足仿生爬壁機(jī)構(gòu)的步行原理如下參見圖3，本實(shí)用新型的四足分兩組，即左側(cè)的前腿a和右側(cè)的后腿d為第一組，另外兩條腿b和c為第二組。除了微小運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)外同組兩腿同時(shí)行動(dòng)，兩組腿在運(yùn)動(dòng)上互隔180°，兩組運(yùn)動(dòng)腿交替運(yùn)動(dòng)。該仿生移動(dòng)機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，左側(cè)后腿c和右側(cè)前腿b準(zhǔn)備抬起向前移動(dòng)，并相對于機(jī)器人向前擺動(dòng)到最前端。而另外兩條腿剛好著地呈支撐狀態(tài)，并相當(dāng)于機(jī)構(gòu)本體12向后擺動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及地面摩擦力的作用下使移動(dòng)機(jī)構(gòu)本體向前移動(dòng)了半個(gè)步長S。在機(jī)體移動(dòng)到位時(shí)，左側(cè)后腿c和右側(cè)前腿b開始著地呈支撐狀態(tài)，左側(cè)前腿a和右側(cè)后腿d準(zhǔn)備抬起向前移動(dòng)，同樣在支撐腿的作用下使移動(dòng)機(jī)構(gòu)本體移動(dòng)了半個(gè)步長S。不斷重復(fù)上述過程，周而復(fù)始的使爬壁仿生機(jī)構(gòu)不斷向前移動(dòng)。通過改變微型減速電機(jī)11的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，四足爬壁仿生機(jī)構(gòu)將向相反方向運(yùn)動(dòng)?？刂莆⑿蜏p速電機(jī)11的速度，即能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)構(gòu)多種運(yùn)動(dòng)速度的要求，在任意時(shí)刻，機(jī)器人總是兩足著地。該爬壁仿生機(jī)構(gòu)除具有良好的地形適應(yīng)能力外，改變著地點(diǎn)的位置也能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。針對步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，機(jī)器人足端必須有抬腿、擺腿、著地、驅(qū)動(dòng)等動(dòng)作。相應(yīng)的足端軌跡須有平直的著地支撐部分、著地驅(qū)動(dòng)部分、抬腿擺動(dòng)部分，其足端腳掌的運(yùn)動(dòng)軌跡類似與D字型曲線，該D型曲線軌跡通過腿桿5、偏心銷6、連桿7構(gòu)件組成的四桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，軌跡的直線部分用于移動(dòng)，而曲線部分軌跡用于抬腿和落腿動(dòng)作。該機(jī)器人外形尺寸為長50mm，寬20mm，高16mm，重130g，移動(dòng)速度60mm/min，荷重50g。
權(quán)利要求1.一種微型四足仿生爬壁機(jī)構(gòu)，包括一個(gè)構(gòu)架(12)，其特征在于構(gòu)架(12)上固定安裝兩個(gè)微型減速電機(jī)(11、17)，其中一個(gè)微型減速電機(jī)(11)經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連動(dòng)安裝在構(gòu)架(12)兩側(cè)前后的四個(gè)腿桿(5)，腿桿(5)下端各裝有一個(gè)吸附腳掌(1)，另一個(gè)微型減速電機(jī)(7)經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連動(dòng)一個(gè)安裝在構(gòu)架(12)中部下面的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(18)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(18)的下端裝有一個(gè)回轉(zhuǎn)吸附腳掌(19)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型四足仿生爬壁機(jī)構(gòu)，其特征在于微型減速電機(jī)(11)連動(dòng)腿桿(5)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是微型減速電機(jī)(11)輸出軸通過一個(gè)連軸節(jié)(10)聯(lián)接一根動(dòng)力蝸桿(8)，動(dòng)力蝸桿(8)與一個(gè)動(dòng)力蝸輪(10)嚙合，動(dòng)力蝸輪(10)轉(zhuǎn)軸一端有小齒輪與一根主動(dòng)軸(20)上的大齒輪(16)嚙合，主動(dòng)軸(20)上有驅(qū)動(dòng)帶輪(15)，通過傳動(dòng)皮帶(13)聯(lián)動(dòng)一根從動(dòng)軸(21)上的從動(dòng)帶輪(14)；主動(dòng)軸(20)和從動(dòng)軸(21)兩端分別通過偏心銷(6)與四個(gè)腿桿(5)彎折上段末端鉸連；有四根連桿(7)分別以其一端與構(gòu)架(12)鉸連，而其另一端與一根腿桿(5)上彎折段中部鉸連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型四足仿生爬壁機(jī)構(gòu)，其特征在于主動(dòng)軸(20)兩端的兩個(gè)偏心銷(6)方位相差180°，從動(dòng)軸(21)左端的偏心銷方位與主動(dòng)軸(20)右端偏心銷方位相同，而從動(dòng)軸(21)右端的偏心銷方位與主動(dòng)軸(20)的左端偏心銷方位相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型四足仿生爬壁機(jī)構(gòu)，其特征在于微型減速電機(jī)(17)連動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(18)的結(jié)構(gòu)是水平安裝的微型減速電機(jī)(17)通過一對傘齒輪聯(lián)動(dòng)垂直安裝的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(18)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(18)為軸承支承的一根回轉(zhuǎn)軸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型四足仿生爬壁機(jī)構(gòu)，其特征在于四個(gè)腿桿(5)為彎折腿桿，其下彎折段末端通過球關(guān)節(jié)(3)與吸附腳掌(1)鉸連，有一個(gè)電壓驅(qū)動(dòng)裝置(4)的一端與吸附腳掌(1)上邊緣鉸連，而另一端與腿桿(1)下彎折段中部鉸連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型四足仿生爬壁機(jī)構(gòu)，其特征在于四個(gè)吸附腳掌(1)和一個(gè)回轉(zhuǎn)吸附腳掌(19)的下底均貼有硅橡膠薄膜。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種微型四足爬壁仿生機(jī)構(gòu)。它包含有一個(gè)構(gòu)架，其特征在于構(gòu)架上固定安裝兩個(gè)微型減速電機(jī)，其中一個(gè)微型減速電機(jī)經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連動(dòng)安裝在構(gòu)架兩側(cè)前后的四個(gè)腿桿，腿桿下端各裝有一個(gè)吸附腳掌，另一個(gè)微型減速電機(jī)經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連動(dòng)一個(gè)安裝在構(gòu)架中部下面的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的下端裝有一個(gè)回轉(zhuǎn)吸附腳掌。本實(shí)用新型能以連續(xù)緩慢速度在任意形狀表面及管道內(nèi)移動(dòng)。本實(shí)用新型配備相應(yīng)的傳感器和作業(yè)裝置，可以進(jìn)入狹小空間環(huán)境中的管壁表面檢測，以及現(xiàn)代高層建筑中進(jìn)入通風(fēng)管道的火災(zāi)現(xiàn)場偵察和敵情監(jiān)控。
文檔編號B25J11/00GK2688461SQ200420021038
公開日2005年3月30日 申請日期2004年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月18日
發(fā)明者談士力, 宋曉峰, 張海洪, 蘇建良, 沈立紅 申請人:上海大學(xué)