[发明专利]一种被动自适黏附-主动快速脱附的仿生黏附末端效应器

说明书

一种被动自适黏附‑主动快速脱附的仿生黏附末端效应器，包括驱动结构一体化仿生腿、具有灵活被动自由度的仿生脚，以及若干具备高效黏‑脱附性能的黏附脚趾；所述仿生腿的腕关节通过球关节和弹簧与仿生脚配合连接，实现被动自由度；黏附脚趾固定在仿生脚下边缘，仿生腿内还固定有主动脱附驱动电机，所述主动脱附驱动电机通过牵拉绳控制黏附脚趾的上抬。上述技术方案提供的被动自适黏附‑主动快速脱附的仿生黏附末端效应器，能有效解决现有黏附末端效应器黏附性能差，无法适应粗糙、凹凸表面，以及被动脱附方式脱附力大、效率低的问题。

技术领域

本发明涉及一种被动自适黏附-主动快速脱附的仿生黏附末端效应器，属于仿生机器人技术应用领域。

背景技术

仿生爬壁机器人作为仿生学在机器人方向上的重要应用，一直是国内外研究的热点。壁虎能在垂直面、天花板等自由爬行，能适应各种粗糙度表面，是爬壁机器人的理想仿生对象。垂直/倒置壁面的工作任务、特殊环境的军事任务、管道的探测检伤作业、太空空间站的辅助作业都需要一种能在各种粗糙度、倾斜度表面稳定爬行的机器人。目前国内外的研究机构研制出各类爬壁机器人，主要是在重力环境下工作的，这些爬壁机器人的脚掌采用的大多是磁吸附、压力式吸附原理，针对性较强，通用性较差。磁吸附脚掌仅能用于具有磁性的金属表面，而压力式吸附脚掌不能用于粗糙表面和真空环境。基于生物学原理的干黏附材料能够在各种表面(粗糙面、光滑面、湿表面、不同倾斜表面甚至倒置面)产生强大的黏附力。

利用干黏附机理的机器人能适应多种表面和环境，适用范围广，是爬壁机器人脚掌的理想选择。但目前干黏附材料的使用还具有一定局限性(需要有效的预压力并且保证黏附材料与被黏附表面的完全贴合)、仿生黏附末端效应器结构还不完善、黏附机器人运动稳定性有待提高。仿生黏附末端效应器多采用整片黏附材料的脚掌设计或整片黏附材料的脚趾组合设计，当被黏附表面粗糙或有凹凸时，黏附材料无法与表面很好地贴合接触，因而这种黏附脚掌或脚趾对具有粗糙度、凹凸表面的适应性很低。黏附末端效应器采用的基底材料太软(如泡沫)无法给黏附材料传递足够大的预压力，过硬(金属或硬橡胶)无法给黏附材料提供一定的顺应性，使黏附材料与被黏附表面产生良好的接触。目前仿生黏附末端效应器多采用被动脱附方式，脱附过程往往脱附力大、耗时长、效率低。此外，末端效应器多采用固定的腕关节或关节轴承，固定腕关节缺乏表面适应性，关节轴承的活动范围有限制，往往会导致脚掌平面无法贴合黏附表面而难以实现优异的黏附性能。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种被动自适黏附-主动快速脱附的仿生黏附末端效应器，能有效解决现有黏附末端效应器黏附性能差，无法适用于粗糙、凹凸表面，以及被动脱附方式脱附力大、效率低的问题。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括驱动结构一体化仿生腿、具有灵活被动自由度的仿生脚，以及若干具备高效黏-脱附性能的黏附脚趾，所述仿生腿使用球关节和弹簧与仿生脚配合连接，实现灵活的被动自由度，若干黏附脚趾固定在仿生脚下边缘，仿生腿内还固定有主动脱附驱动电机，主动脱附驱动电机驱动牵拉绳收绳来控制黏附脚趾翻卷脱附。

进一步地方案为，仿生腿包括自上至下依次连接一体的腿部固定座、中空腿部结构和被动球关节，所述中空腿部结构内通过一个电机固定架安装主动脱附驱动电机，在被动球关节上方套装一个弹簧固定盘，在被动球关节与弹簧固定盘之间的中空腿部结构上设有横向的通孔Ⅰ，所述通孔Ⅰ内插设固定销，仿生腿通过被动球关节配合连接于下方仿生脚的中心，且仿生脚通过四周的多根弹簧与仿生腿被动球关节上的弹簧固定盘连接。

进一步地方案为，仿生脚包括截圆锥体脚掌，截圆锥体脚掌的上方中心具有与被动球关节配合的通孔Ⅱ，截圆锥体脚掌的下方边缘延展后固定连接同心的脚趾固定环，通过脚趾固定环固定黏附脚趾，在截圆锥体脚掌外周固设多个弹簧固定环，弹簧固定环的数量与弹簧数量一致且连接弹簧。