[發明專利]一種機器人仿壁虎粘附腳趾及其運動方法

有效

• 申請號: 201010190219.4
• 申請日: 2010-06-02
• 公開（公告）號: CN101890988A
• 公開（公告）日: 2010-11-24
• 發明（設計）人: 俞志偉;戴振東;張昊;李宏凱;宮俊;張曉峰
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B62D57/024
• 分類號: B62D57/024
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 唐小紅

技術領域

本發明屬于仿生機器人技術應用領域，具體涉及一種仿壁虎腳趾的結構設計及其使用方法，主要應用于仿壁虎爬壁機器人腳掌設計中以實現爬壁運動。

背景技術

大壁虎可以在地面、陡壁、天花板等不同法向面上自由靈活地運動。壁虎的這種運動特征能力成為科學家研究模仿的對象。爬壁機器人可以在危險陡峭的豎直面上工作，在大廈外壁清洗、船舶檢測、航天艙外維修等領域具有廣泛的用途，因而受到各發達國家的重視。像壁虎一樣能夠在豎直壁面和天花板上爬行的仿壁虎爬行機器人是目前世界上仿生機器人中比較前沿的熱點問題之一。吸附技術是仿壁虎機器人實現爬壁的核心技術，而目前國內外經過多年的研究和發展后，現有爬壁機器人在吸附方式上主要有磁吸附和負壓式吸附方式。現就本項技術和相關領域的研究現狀和試驗樣機的優缺點做一下介紹：

(1)北京航空航天大學機器人研究所研制的一種能夠地、壁過渡的仿壁虎四足爬行機器人(專利號：CNI01353064A)。該機器人采用四足爬行方式，由機械部分和電路部分組成，機械部分由身體和四肢構成，分前后兩部分，完全對稱，兩部分之間通過移動副連接。該機器人采用的粘附方式是主動的電磁式吸附。電磁吸附是通過磁力吸附在附著面上，吸附力大，但要求附著面導磁。并且機器人在移動過程中需要向電磁鐵供電，對機器人的供電需求很大。

(2)哈爾濱工程大學王立權教授申請的專利仿壁虎微小型機器人(專利號：CN?1947959A)采用了主動真空吸附方式。機械結構包括仿生壁虎單腿結構、仿壁虎機器人身體組裝結構和負壓吸附及放壓裝置，仿生壁虎單腿由大腿、小腿和吸盤組成。單腿由3個舵機驅動，身體結構包括兩個腰部驅動舵機、兩個氣泵、兩個氣體放壓裝置、兩個四通氣管接頭和六個塑料導體管等構成。真空吸附方式不但吸附結構復雜，不穩定，而且由于這樣的吸附方式要求附著面平整易密封，因此對環境有較大的局限性。

在基于干性粘附方式中，美國斯坦福大學教授馬克·庫特科斯基的研究小組開發出壁虎機器人Stickybot(Daltorio，2005；Carlo?Menon，2004)。該機器人在結構和吸附方式上能模仿壁虎，其腳掌上擁有彈性材料制成的人造剛毛，每根剛毛都能利用分子力即著名的范德華力“吸住”墻壁。這些微小的聚合體毛墊能確保足底和墻壁接觸面積大，進而使范德華粘性達到最大化。但是該粘附材料的制作工藝難度大，制造成本高。目前干性粘附的吸附能力比起真實壁虎還是相差很多，而且加工難度高卻易損耗。同時該機器人轉動腳掌的舵機驅動拉線方式，實現腳掌脫附和粘附。這種主動粘附方式需要附加拉線機構和獨立的拉線驅動電機，因此實現時也增加了系統的復雜度。

傳統的粘附材料，由于其相同粘附材料具有相同的粘附性能，在直接應用時粘附力和脫附力是恒定的，即會出現相同大小的粘附力和相同大小的脫附力(有可能導致粘住后脫離不了，也有可能根本導致初始就粘不住)，不利于模擬壁虎單方向具有較大粘附力而反方向具有較小脫附力的特性。

上述的主動驅動爬壁方式，增加了系統的復雜性和能耗，而磁吸附和負壓吸附等粘附力和脫附力恒定，不能完全模擬壁虎一個方向具有較大粘附力而另一方向具有較小脫附力的特性。

發明內容

本發明的目的在于提供一種機器人仿壁虎粘附腳趾及其運動方法，該仿壁虎腳趾可適用于在光滑表面粘附的仿壁虎爬行機器人腳掌設計和運動實現中，依據其特殊的懸臂式結構特點，采用被動驅動的方式，能夠提供單方向具有較大粘附力而反方向具有較小脫附力的特性，能完全模擬壁虎單方向較大的粘附力和反方向較小脫附力的這種力學各向異性特點，并應用于仿壁虎機器人中。

方案一：

一種機器人仿壁虎粘附腳趾，其特征在于：腳趾整體呈平板狀；腳趾包括柔性材料腳趾基底、嵌于柔性材料腳趾基底的粘性材料層，且上述粘性材料層的下底面與柔性材料腳趾基底下底面高度一致；在柔性材料腳趾基底上面還設有彈簧層，彈簧層前端后端分別與柔性材料腳趾基底前端后端固定；上述柔性材料腳趾基底在趾尖部位和趾跟部位無粘性材料

由于其特殊的懸臂式結構特點，有利于克服較小脫附力阻力就能實現脫附，具備了較小脫附力的特點；同時腳趾粘附后在沿粘附表面平行向后的方向施加作用力時，能夠產生較大的粘附力，因此具備了較大粘附力特點。可滿足單方向具有較大粘附力而反方向具有較小脫附力的要求，能完全模擬壁虎單方向較大的粘附力和反方向較小脫附力的這種力學各向異性特點。