阅读说明：本技术 具有主动粘/脱附能力的变刚度自适应仿壁虎脚掌及方法 (Variable-rigidity self-adaptive gecko-like sole with active sticking/desorbing capability and method ) 是由 俞志伟 刘琦 熊建宇 杨先一 吉爱红 郭策 王周义 戴振东 于 2020-04-20 设计创作，主要内容包括：本发明的目的在于提供一种具有主动粘/脱附能力的变刚度自适应仿壁虎脚掌及方法,属于机器人技术领域。该脚掌包括：牵线舵机(1)、牵线舵机上端固定件(2)、牵线舵机下端固定件(3)、旋转支撑架(4)、旋转法兰(5)、球头(6)、球关节上盖(7)、脚掌固定件(8)、N个结构相同的脚掌单元。每个脚掌单元包括一片脚掌片、一片脚掌片粘附材料、一个脚掌轴元件、一个多节式运动伸缩杆、一个复位弹簧、一根脚掌片形变线。本发明可以主动驱动多个脚掌,实现主动粘附和主动脱附功能；采用复位弹簧约束自适应球关节,既保证了脚掌能与空间表面贴合,又实现在不受力状态下恢复到初始位置。(The invention aims to provide a variable-rigidity self-adaptive gecko-like sole with active sticking/desorbing capability and a method, and belongs to the technical field of robots. This sole includes: the wire-pulling steering engine comprises a wire-pulling steering engine (1), a wire-pulling steering engine upper end fixing piece (2), a wire-pulling steering engine lower end fixing piece (3), a rotary support frame (4), a rotary flange (5), a ball head (6), a ball joint upper cover (7), a sole fixing piece (8) and N sole units with the same structure. Each sole unit comprises a sole sheet, a sole sheet adhesive material, a sole shaft element, a multi-section type movement telescopic rod, a reset spring and a sole sheet variable line. The invention can actively drive a plurality of soles to realize the functions of active adhesion and active desorption; the self-adaptive ball joint is restrained by the return spring, so that the sole can be attached to the surface of a space, and the sole can be restored to the initial position in an unstressed state.)

具有主动粘/脱附能力的变刚度自适应仿壁虎脚掌及方法

技术领域

本发明属于机器人应用技术领域，具体涉及一种具有主动粘/脱附能力的变刚度自适应仿壁虎脚掌及方法，主要应用于微小型粘附足式机器人结构设计中。

技术背景

特种机器人是当今世界最重要的高技术之一，它集计算机、微电子、传感、自动控制等技术为一身，已成为衡量一个国家科技水平和综合国力的重要标志之一，是机器人技术中最具有挑战性、需求日益扩大的领域。3 维空间表面无障碍运动机器人（爬壁机器人）是特种机器人的重要分支，指能够在光滑或粗糙的正、零和负表面上自如运动的可控移动平台系统。借鉴生物体某些机制，解决某些机械问题的设计，自然界中壁虎能在光滑的墙壁上行走自如，甚至能贴在天花板上快速爬行。以大壁虎作为仿生对象，以期研制出可实现三维空间无障碍的运动的仿生机器人。

仿壁虎机器人常见的附着方式有真空吸附、磁吸附、推力吸附、钩爪抓附、静电吸附以及仿生干粘附。其中基于真空吸盘原理的机器人脚，在比较粗糙表面上接触时，因密封效果较差，吸附力会大幅度降低，严重影响到机器人工作的可靠性。磁吸附方式包括永磁体吸附和电磁铁吸附，该吸附方式无法在非导磁性壁吸附，具有一定的局限性。推力吸附主要利用推力使机器人贴附于垂直面，推力一般由螺旋桨或涵道风扇产生，该吸附方式容易控制吸附力大小但稳定性较差。钩爪抓附主要依靠钩爪结构实现在粗糙面的稳定爬行，该抓附方式只适用于粗糙表面，环境适应性较差。静电吸附主要依靠通过电极与壁面极性相反的电荷间电力场的方法产生吸附力，该吸附方式能耗低、稳定性好，适用于大部分干燥绝缘体墙面。干粘附材料的粘附力不依赖于表面材料或大气压力，来自于干粘附材料与接触面分子间的范德华力，因此粘附过程简单、无噪声，可重复使用且在接触面无残留，应用范围广泛，可以在各种各样的表面上攀爬，主要用于光滑表面的粘附运动。因此，设计一种利用干粘附材料具有主动粘/脱附能力的变刚度自适应仿壁虎脚掌，将有重要意义。

国内外许多科研机构都展开了关于仿壁虎脚掌的研究，其中最典型的是斯坦福大学研制的仿生爬壁机器人Stickybot，其足端有四片采用人造刚毛（特殊橡胶材料）结构的柔软脚趾，利用分子之间的范德华力使得机器人在墙壁上粘附并实现了在垂直粗糙平面上的爬行（Kim S, Spenko M, Trujillo S, et al. Smooth vertical surface climbingwith directional adhesion [J]. IEEE Transactions on robotics, 2008, 24(1):65-74.）。***梅隆大学研制了仿生足式爬壁机器人Geckobot，该机器人采用干粘附材料附着于脚掌，通过四足与壁面的交替粘附，已经实现了在85°的平面上的稳定粘附运动（Unver O, Uneri A, Aydemir A, et al. Geckobot: a gecko inspired climbingrobot using elastomer adhesives [C]. IEEE International Conference onRobotics and Automation. 2006: 2329-2335.）。韩国蔚山国家科学技术研究所的研究人员研制出了一款能在水下进行负表面爬行的仿壁虎机器人UNIclimb，该机器人主要由处于机体中间的身体框架、四条腿以及带有一种复制成型技术制成的粘附垫的四只脚掌三部分组成。身体和腿、腿和脚掌之间安装有伺服电机，粘附垫采用PDMS，用被动脱附方式的粘附脚掌增加了能量损耗（Ko H, Yi H, Jeong H E. Wall and ceiling climbing quadrupedrobot with superior water repellency manufactured using 3D printing(UNIclimb) [J]. International Journal of Precision Engineering andManufacturing-Green Technology, 2017, 4(3): 273-280.）。南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所研制了新款仿壁虎机器人，该机器人各关节由12个舵机分别驱动，脚掌采用带有干粘附材料的弹性基底结构，该机器人已实现了在竖直光滑表面的自由爬行，可以在静止的状态下粘附于光滑负表面（Yu Z, Wang Z, Liu R, et al. Stable gaitplanning for a gecko-inspired robot to climb on vertical surface [C]. IEEEInternational Conference on Mechatronics and Automation (ICMA). 2013: 307-311.）。

目前为止，相似的粘附机器人脚掌只具有简单的脱附拉线传动，不具有主动粘附功能，且在空间表面适应性方面并未开展研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有主动粘/脱附能力的变刚度自适应仿壁虎脚掌及方法，该脚掌以壁虎为仿生对象实现主动粘附和脱附运动功能、满足空间表面自适应要求，可应用于微小型粘附足式机器人结构设计中。

一种具有主动粘/脱附能力的变刚度自适应仿壁虎脚掌，其特征在于包括：牵线舵机、牵线舵机上端固定件、牵线舵机下端固定件、旋转支撑架、旋转法兰、球头、球关节上盖、脚掌固定件；还包括均匀布置于脚掌固定件一圈的N个结构相同的脚掌单元；其中N为3-9的自然数；上述牵线舵机置于牵线舵机上端固定件与牵线舵机下端固定件内，两者固定并将牵线舵机包裹在内；旋转支撑架与牵线舵机上端固定件固连；牵线舵机旋转输出轴平行于Z轴，穿过旋转支撑架与旋转法兰固定；球头的杆端与牵线舵机下端固定件下端固连，球关节上盖与脚掌固定件将球头的球端包裹在内，球关节上盖与脚掌固定件用螺栓固连；上述每个脚掌单元包括一片脚掌片、一片脚掌片粘附材料、一个脚掌轴元件、一个多节式运动伸缩杆、一个复位弹簧、一根脚掌片形变线；上述脚掌片第一端***脚掌固定件侧面凹槽内并固定，脚掌片粘附材料固定在脚掌片下面，多节式运动伸缩杆位于脚掌片上方，它的第一端通过脚掌轴元件与脚掌固定件连接；脚掌轴元件与牵线舵机输出轴垂直；复位弹簧一端固定于球关节上盖另一端固定于牵线舵机下端固定件；上述脚掌片形变线一端固定于脚掌片第二端，另一端从多节式运动伸缩杆的第二端进入，从内部穿过，从多节式运动伸缩杆的第一端穿出，再通过旋转支撑架上的孔后反向缠绕旋转法兰根部3-5圈，并固定于旋转法兰；上述脚掌片是一种整体为长条形的弹性金属片；弹性金属片的宽度方向上的截面为圆弧型，且未受力时宽度方向呈拱形支撑状态，此时弹性金属片长度方向上呈挺直状态；当对弹性金属片施加向下的压力，其宽度方向上的拱形支撑结构失效，长度方向上向上弯曲。

所述的具有主动粘/脱附能力的变刚度自适应仿壁虎脚掌，其特征在于：上述多节式运动伸缩杆为三节式运动伸缩杆，它由伸缩杆外杆、伸缩杆a内杆、伸缩杆b内杆、伸缩杆a弹簧、伸缩杆b弹簧组成；伸缩杆b内杆套装于伸缩杆a内杆，伸缩杆b弹簧置于伸缩杆a内杆内，伸缩杆a内杆套装于伸缩杆外杆，伸缩杆a弹簧置于伸缩杆外杆内。

所述的具有主动粘/脱附能力的变刚度自适应仿壁虎脚掌，其特征在于：上述N等于4。

所述的具有主动粘/脱附能力的变刚度自适应仿壁虎脚掌的主动粘/脱附方法，其特征在于：当牵线舵机旋转输出端绕着Z轴正向旋转一定角度时，脚掌形变线输出增加，多节式运动伸缩杆内部压缩的弹簧伸长，推动多节式运动伸缩杆伸长，进而推动脚掌片伸展开，脚掌向下运动，促使粘附材料与接触表面贴合粘附，实现主动粘附功能；当牵线舵机旋转输出端绕着Z轴反向旋转一定角度时，脚掌形变线输出减少，牵动多节式运动伸缩杆缩短，脚掌片向上卷曲，多节式运动伸缩杆内部弹簧压缩，为主动粘附时推动多节式运动伸缩杆伸长蓄能，脚掌向上运动，促使粘附材料与接触表面分离，实现主动脱附功能；当脚掌抬起时，利用复位弹簧能够迅速恢复脚掌初始姿态。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、本发明可以主动驱动多个脚掌，实现主动粘附和主动脱附功能，方便微小型足式粘附机器人在目标表面的粘/脱附行走运动；

2、本发明采用复位弹簧约束自适应球关节，既保证了脚掌能与接触表面自适应贴合，又实现在不受力状态下脚掌能恢复到初始位置；

3、本发明满足微小型足式粘附机器人脚掌结构-驱动一体化设计要求，利用变刚度圆弧截面型的弹性金属片以及自适应球关节模拟壁虎脚趾的外翻、内收和脚掌的扭转三种运动模式，为微小型足式粘附机器人提供有效的仿生脚掌设计方案。

4、本发明的结构巧妙、体积小、重量轻、加工方便、经济可行。

附图说明

图1是本发明所述的一种具有主动粘/脱附能力的变刚度自适应仿壁虎脚掌的立体视图；

图2是本发明所述的一种具有主动粘/脱附能力的变刚度自适应仿壁虎脚掌的***图；

图3是本发明所述的一种具有主动粘/脱附能力的变刚度自适应仿壁虎脚掌粘附示意图；

图4是本发明所述的一种具有主动粘/脱附能力的变刚度自适应仿壁虎脚掌脱附示意图；

图1-4中标号名称：1、牵线舵机；2、牵线舵机上端固定件；3、牵线舵机下端固定件；3a、牵线舵机下端固定件a孔;3b、牵线舵机下端固定件b孔;3c、牵线舵机下端固定件c孔;3d、牵线舵机下端固定件d孔;4、旋转支撑架;4a、旋转支撑架a孔;4b、旋转支撑架b孔;4c、旋转支撑架c孔;4d、旋转支撑架d孔;5、旋转法兰;5a、旋转法兰a孔;5b、旋转法兰b孔;5c、旋转法兰c孔;5d、旋转法兰d孔;6、球头;7、球关节上盖;7a、球关节上盖a孔;7b、球关节上盖b孔;7c、球关节上盖c孔;7d、球关节上盖d孔;8、脚掌固定件;9、一号变刚度圆弧截面型钢片;9a、一号变刚度圆弧截面型钢片a孔;10、二号变刚度圆弧截面型钢片;10a、二号变刚度圆弧截面型钢片a孔;11、三号变刚度圆弧截面型钢片;11a、三号变刚度圆弧截面型钢片a孔;12、四号变刚度圆弧截面型钢片;12a、四号变刚度圆弧截面型钢片a孔;13、一号三节式运动伸缩杆;13-1、一号伸缩杆外杆;13-2、一号伸缩杆a内杆;13-3、一号伸缩杆b内杆;13-4、一号伸缩杆a弹簧;13-5、一号伸缩杆b弹簧;14、二号三节式运动伸缩杆;14-1、二号伸缩杆外杆;14-2、二号伸缩杆a内杆;14-3、二号伸缩杆b内杆;14-4、二号伸缩杆a弹簧;14-5、二号伸缩杆b弹簧;15、三号三节式运动伸缩杆;15-1、三号伸缩杆外杆;15-2、三号伸缩杆a内杆;15-3、三号伸缩杆b内杆;15-4、三号伸缩杆a弹簧;15-5、三号伸缩杆b弹簧;16、四号三节式运动伸缩杆;16-1、四号伸缩杆外杆;16-2、四号伸缩杆a内杆;16-3、四号伸缩杆b内杆;16-4、四号伸缩杆a弹簧;16-5、四号伸缩杆b弹簧;17、一号脚掌轴元件;18、二号脚掌轴元件;19、三号脚掌轴元件;20、四号脚掌轴元件;21、一号脚掌片粘附材料;22、二号脚掌片粘附材料;23、三号脚掌片粘附材料;24、四号脚掌片粘附材料;25、一号复位弹簧;26、二号复位弹簧;27、三号复位弹簧;28、四号复位弹簧;29、一号脚掌片形变线;30、二号脚掌片形变线;31、三号脚掌片形变线;32、四号脚掌片形变线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对发明进一步详细说明：

结合图1-4，本实施例为一种具有主动粘/脱附能力的变刚度自适应仿壁虎脚掌及方法，包括：牵线舵机1、牵线舵机上端固定件2、牵线舵机下端固定件3、牵线舵机下端固定件a孔3a、牵线舵机下端固定件b孔3b、牵线舵机下端固定件c孔3c、牵线舵机下端固定件d孔3d、旋转支撑架4、旋转支撑架a孔4a、旋转支撑架b孔4b、旋转支撑架c孔4c、旋转支撑架d孔4d、旋转法兰5、旋转法兰a孔5a、旋转法兰b孔5b、旋转法兰c孔5c、旋转法兰d孔5d、球头6、球关节上盖7、球关节上盖a孔7a、球关节上盖b孔7b、球关节上盖c孔7c、球关节上盖d孔7d、脚掌固定件8、一号变刚度圆弧截面型钢片9、一号变刚度圆弧截面型钢片a孔9a、二号变刚度圆弧截面型钢片10、二号变刚度圆弧截面型钢片a孔10a、三号变刚度圆弧截面型钢片11、三号变刚度圆弧截面型钢片a孔11a、四号变刚度圆弧截面型钢片12、四号变刚度圆弧截面型钢片a孔12a、一号三节式运动伸缩杆13、一号伸缩杆外杆13-1、一号伸缩杆a内杆13-2、一号伸缩杆b内杆13-3、一号伸缩杆a弹簧13-4、一号伸缩杆b弹簧13-5、二号三节式运动伸缩杆14、二号伸缩杆外杆14-1、二号伸缩杆a内杆14-2、二号伸缩杆b内杆14-3、二号伸缩杆a弹簧14-4、二号伸缩杆b弹簧14-5、三号三节式运动伸缩杆15、三号伸缩杆外杆15-1、三号伸缩杆a内杆15-2、三号伸缩杆b内杆15-3、三号伸缩杆a弹簧15-4、三号伸缩杆b弹簧15-5、四号三节式运动伸缩杆16、四号伸缩杆外杆16-1、四号伸缩杆a内杆16-2、四号伸缩杆b内杆16-3、四号伸缩杆a弹簧16-4、四号伸缩杆b弹簧16-5、一号脚掌轴元件17、二号脚掌轴元件18、三号脚掌轴元件19、四号脚掌轴元件20、一号脚掌片粘附材料21、二号脚掌片粘附材料22、三号脚掌片粘附材料23、四号脚掌片粘附材料24、一号复位弹簧25、二号复位弹簧26、三号复位弹簧27、四号复位弹簧28、一号脚掌片形变线29、二号脚掌片形变线30、三号脚掌片形变线31、四号脚掌片形变线32。

结合图1-2，定义三维坐标系，Z轴为脚掌向上方向，X轴为脚掌向右方向，Y轴为脚掌向前方向。其中牵线舵机1置于牵线舵机上端固定件2与牵线舵机下端固定件3内，两者固定并将牵线舵机1包裹在内，牵线舵机1旋转输出轴平行于Z轴，穿过旋转支撑架4，旋转支撑架4通过其四个通孔与牵线舵机上端固定件2固连，旋转法兰5与牵线舵机1旋转输出轴固定；球头6的杆端与牵线舵机下端固定件3下端固连，球关节上盖7与脚掌固定件8将球头6的球端包裹在内，球关节上盖7通过其四个通孔与脚掌固定件8用螺栓固连。一号变刚度圆弧截面型钢片9、二号变刚度圆弧截面型钢片10、三号变刚度圆弧截面型钢片11、四号变刚度圆弧截面型钢片12结构相同，且分别***脚掌固定件8侧面四个凹槽并固定。一号脚掌片粘附材料21、二号脚掌片粘附材料22、三号脚掌片粘附材料23、四号脚掌片粘附材料24分别对应固定在一号变刚度圆弧截面型钢片9、二号变刚度圆弧截面型钢片10、三号变刚度圆弧截面型钢片11、四号变刚度圆弧截面型钢片12的下面。

一号三节式运动伸缩杆13、二号三节式运动伸缩杆14、三号三节式运动伸缩杆15以及四号三节式运动伸缩杆16结构相同，并且分别依次利用一号脚掌轴元件17、二号脚掌轴元件18、三号脚掌轴元件19及四号脚掌轴元件20以相同的方式与脚掌固定件8连接。以一号三节式运动伸缩杆13为例,三节式运动伸缩杆组件包括：一号伸缩杆外杆13-1、一号伸缩杆a内杆13-2、一号伸缩杆b内杆13-3、一号伸缩杆a弹簧13-4、一号伸缩杆b弹簧13-5；一号伸缩杆b内杆13-3套装于一号伸缩杆a内杆13-2，一号伸缩杆b弹簧13-5置于一号伸缩杆a内杆13-2内，一号伸缩杆a内杆13-2套装于一号伸缩杆外杆13-1，一号伸缩杆a弹簧13-4置于一号伸缩杆外杆13-1内，构成一号三节式运动伸缩杆13。二号三节式运动伸缩杆14、三号三节式运动伸缩杆15以及四号三节式运动伸缩杆16用一号三节式运动伸缩杆13的相同方法组装起来。一号三节式运动伸缩杆13卡入脚掌固定件8侧面凸起的两个小长方体之间，并将一号三节式运动伸缩杆13侧面的通孔与脚掌固定件8侧面凸起上的两个通孔对齐，将一号脚掌轴元件17***通孔。二号三节式运动伸缩杆14、三号三节式运动伸缩杆15以及四号三节式运动伸缩杆16按照一号三节式运动伸缩杆13的组装方式依次固定在脚掌固定件8的其余三个侧面。

该脚掌设置有4个复位弹簧，分别为：一号复位弹簧25、二号复位弹簧26、三号复位弹簧27、四号复位弹簧28。一号复位弹簧25一端固定于球关节上盖a孔7a、另一端固定于牵线舵机下端固定件a孔3a；二号复位弹簧26一端固定于球关节上盖b孔7b、另一端固定于牵线舵机下端固定件b孔3b；三号复位弹簧27一端固定于球关节上盖c孔7c、另一端固定于牵线舵机下端固定件c孔3c；四号复位弹簧28一端固定于球关节上盖d孔7d、另一端固定于牵线舵机下端固定件d孔3d。

该脚掌设置有4根细线，分别为：一号脚掌片形变线29、二号脚掌片形变线30、三号脚掌片形变线31、四号脚掌片形变线32。一号脚掌片形变线29一端固定于一号变刚度圆弧截面型钢片a孔9a，通过一号三节式运动伸缩杆13后从一号三节式运动伸缩杆13上方的小孔穿出，后通过旋转支撑架a孔4a后，反向缠绕旋转法兰5根部三圈，并固定于旋转法兰a孔5a；二号脚掌片形变线30一端固定于二号变刚度圆弧截面型钢片a孔10a，通过二号三节式运动伸缩杆14后从二号三节式运动伸缩杆14上方的小孔穿出，后通过旋转支撑架b孔4b后，反向缠绕旋转法兰5根部三圈，并固定于旋转法兰b孔5b；三号脚掌片形变线31一端固定于三号变刚度圆弧截面型钢片a孔11a，通过三号三节式运动伸缩杆15后从三号三节式运动伸缩杆15上方的小孔穿出，后通过旋转支撑架c孔4c后，反向缠绕旋转法兰5根部三圈，并固定于旋转法兰c孔5c；四号脚掌片形变线32一端固定于四号变刚度圆弧截面型钢片a孔12a，通过四号三节式运动伸缩杆16后从四号三节式运动伸缩杆16上方的小孔穿出，后通过旋转支撑架d孔4d后，反向缠绕旋转法兰5根部三圈，并固定于旋转法兰d孔5d。

结合图1-4，所述的一种具有主动粘/脱附能力的变刚度自适应仿壁虎脚掌及方法，其特征在于包括以下方面：变刚度圆弧截面型钢片是一种有特殊形状、略施加力即可自动向上卷曲的弹性钢片。利用牵线舵机1旋转输出端正/反向旋转一定角度时，4个脚掌形变线输出增加/减少，进而牵动三节式运动伸缩杆的伸长/缩短，实现变刚度圆弧截面型钢片的伸展/卷曲，进而实现主动粘/脱附功能。复位弹簧约束自适应球关节实现三个姿态自由度转动，进而实现与接触表面自适应贴合，且在不受力的状态下利用复位弹簧迅速恢复脚掌初始状态。

变刚度圆弧截面型钢片包括弹性钢片以及包裹于弹性钢片外部的硅胶层：弹性钢片的横截面呈弧形，当弹性钢片伸展呈直条型时，因其横截面呈弧度，相比于薄的平整矩形截面具有较大的抗弯能力，截面惯性矩较大，具有大的刚度；当弹性钢片弯曲呈半环形时，因其横截面呈弧度，略施加力即可反向自动弯曲，此时抗弯能力较小，截面惯性矩小，具有较小的刚度。弹性钢片外侧设有的硅胶层能够保护操作人员，避免被弹性钢片划伤，增加安全性能。如图3所示，当牵线舵机1旋转输出端绕着Z轴正向旋转一定角度时，4个脚掌形变线输出增加，三节式运动伸缩杆内部压缩的弹簧伸长，推动三节式运动伸缩杆伸长，进而推动变刚度圆弧截面型钢片伸展开，4个脚掌向下运动，促使粘附材料与接触表面贴合粘附，自适应球关节可以调节脚掌进行三个姿态自由度转动，实现主动自适应粘附功能。

如图4所示，当牵线舵机1旋转输出端绕着Z轴反向旋转一定角度时，4个脚掌形变线输出减少，牵动三节式运动伸缩杆缩短，变刚度圆弧截面型钢片向上卷曲，三节式运动伸缩杆内部弹簧压缩，为主动粘附时推动三节式运动伸缩杆伸长蓄能，4个脚掌向上运动，促使粘附材料与接触表面分离，复位弹簧恢复脚掌初始状态，实现主动自适应脱附功能。