一种应对复杂环境的仿生多模式爬行滚动附着弹跳机器人[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011524973.7
(22)申请日 2020.12.22
(71)申请人 中国科学院合肥物质科学研究院
地址 230031 安徽省合肥市蜀山区蜀山湖
路350号
(72)发明人 卞世元　孔德义　许锋　卫玉梁　
(74)专利代理机构 合肥国和专利代理事务所
(普通合伙) 34131
代理人 孙永刚
(51)Int.Cl.
B62D 57/02(2006.01)
(54)发明名称
一种应对复杂环境的仿生多模式爬行滚动
附着弹跳机器人
(57)摘要
一种应对复杂环境的仿生多模式爬行滚动
附着弹跳机器人，包括机器人主体，机器人主体
内搭载有侦查装置和控制系统，机器人主体上安
装有机器人行走部件；机器人行走部件包括偶数
多只机器人腿部，屈服折叠为对称的两幅轮子；
每只机器人腿部的末端都设有一个复合仿生机
器人足部，复合仿生机器人足部包括旋转切换的
掌体，在掌体上兼具仿壁虎脚趾粘性材料薄板、
仿天牛脚趾勾刺掌部和仿岩鳅小提琴状吸盘；机
器人主体上还布置有机器人弹跳部件，机器人弹
跳部件包括仿跳虫和瘿蚊幼虫的弹跳机构；由控
制系统调控实现各部件的协调动作。

本发明仿生
多模式附着移动弹跳机器人的多种壁面、路面的
适应性能强，能够胜任边境复杂环境的侦查巡防
工作。

权利要求书1页 说明书4页 附图11页CN 112572628 A 2021.03.30
C N 112572628
A
1.一种应对复杂环境的仿生多模式爬行滚动附着弹跳机器人，包括机器人主体(1)，机器人主体(1)内搭载有侦查装置和控制系统，机器人主体(1)上安装有机器人行走部件；其特征是：
所述的机器人行走部件包括偶数多只机器人腿部(2)，对称排列在机器人主体(1)的外周，所有的机器人腿部(2)均分成两组，屈服折叠为对称的两幅轮子(21)，两幅轮子(21)连在同一个轴上，由电机和齿轮传动驱动；
每只机器人腿部(2)的末端都设有一个复合仿生机器人足部(3)，复合仿生机器人足部
(3)包括旋转切换的掌体(32)，在掌体(32)上兼具仿壁虎脚趾粘性材料薄板(33)、仿天牛脚趾勾刺掌部(35)和仿岩鳅小提琴状吸盘(34)；
所述的机器人主体(1)上还布置有机器人弹跳部件(4)，机器人弹跳部件(4)包括仿跳虫和瘿蚊幼虫的弹跳机构；
由控制系统调控实现各部件的协调动作。

2.根据权利要求1所述的一种应对复杂环境的仿生多模式爬行滚动附着弹跳机器人，其特征是：所述仿壁虎脚趾粘性材料薄板(33)和仿岩鳅小提琴状吸盘(34)布置在复合仿生机器人足部(3)的掌体(32)正面。

3.根据权利要求2所述的一种应对复杂环境的仿生多模式爬行滚动附着弹跳机器人，其特征是：所述仿壁虎脚趾粘性材料薄板(33)为两块，其表面设有倾斜圆柱体刚毛阵列(331)，仿岩鳅小提琴状吸盘(34)设在两块仿壁虎脚趾粘性材料薄板(33)之间。

4.根据权利要求3所述的一种应对复杂环境的仿生多模式爬行滚动附着弹跳机器人，其特征是：所述仿岩鳅小提琴状吸盘(34)由间隔安装在掌体(32)上的两块仿岩鳅小提琴状软胶吸盘构成。

5.根据权利要求2所述的一种应对复杂环境的仿生多模式爬行滚动附着弹跳机器人，其特征是：所述的仿天牛脚趾勾刺掌部(35)布置在复合仿生机器人足部(3)的掌体(32)背面。

6.根据权利要求5所述的一种应对复杂环境的仿生多模式爬行滚动附着弹跳机器人，其特征是：所述仿天牛脚趾勾刺掌部(35)由阵列在掌体(32)上的多根仿天牛勾刺(351)组成。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种应对复杂环境的仿生多模式爬行滚动附着弹跳机器人，其特征是：所述的机器人腿部(2)由三个电机和两个连杆构成，三个电机控制两个连杆具有三个自由度，实现机器人的横向和纵向爬行。

8.根据权利要求7所述的一种应对复杂环境的仿生多模式爬行滚动附着弹跳机器人，其特征是：所述机器人腿部(2)的数量为六只。

9.根据权利要求1至6任一项所述的一种应对复杂环境的仿生多模式爬行滚动附着弹跳机器人，其特征是：所述的机器人弹跳部件(4)至少为一个，布置在机器人主体(1)的底部中心。

权　利　要　求　书1/1页CN 112572628 A
一种应对复杂环境的仿生多模式爬行滚动附着弹跳机器人
技术领域
[0001]本发明涉及一种仿生机器人，尤其是一种应对复杂环境的仿生多模式爬行滚动附着弹跳机器人，属于机械自动化工程领域。

背景技术
[0002]随着国际局势的严峻，国界边境的安防任务严峻，随着机器人的发展，边境的侦查巡防会由机器人承担。

但在中国的很多边境地形复杂，没有道路，山路崎岖，常规的轮式车辆或者机器人无法前行进入，现边境侦查急需一款可以适应多种路况的机器，此类机器人携带侦查设备，必须可以适应不同的崎岖地面，且在遇到有一定高度的障碍物的时候得爬行翻越过去。

[0003]目前，已知的一些仿生机器人往往只可以在崎岖水平道路爬行，没有附着粘附结构，不可能实现爬壁翻越。

而现有的附着爬墙机器人又只能执行爬壁任务，无法山地行走，且其吸附附着部件是基于传统的真空吸附、永磁和电磁吸附、静电吸附等方法来实现，难以在上述复杂环境中使用。

发明内容
[0004]为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种应对复杂环境的仿生多模式爬行滚动附着弹跳机器人，该仿生多模式附着移动弹跳机器人的多种壁面、路面的适应性能强，能够胜任边境复杂环境的侦查巡防工作。

[0005]本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括机器人主体，机器人主体内搭载有侦查装置和控制系统，机器人主体上安装有机器人行走部件；所述的机器人行走部件包括偶数多只机器人腿部，对称排列在机器人主体的外周，所有的机器人腿部均分成两组，屈服折叠为对称的两幅轮子，两幅轮子连在同一个轴上，由电机和齿轮传动驱动；每只机器人腿部的末端都设有一个复合仿生机器人足部，复合仿生机器人足部包括旋转切换的掌体，在掌体上兼具仿壁虎脚趾粘性材料薄板、仿天牛脚趾勾刺掌部和仿岩鳅小提琴状吸盘；所述的机器人主体上还布置有机器人弹跳部件，机器人弹跳部件包括仿跳虫和瘿蚊幼虫的弹跳机构；由控制系统调控实现各部件的协调动作。

[0006]相比现有技术，本发明的一种应对复杂环境的仿生多模式爬行滚动附着弹跳机器人，集具有复合仿生机器人足部、可以屈服折叠成轮子的机器人行走部件与包括了仿跳虫和瘿蚊幼虫弹跳机构的机器人弹跳部件为一体，通过控制系统调控，实现了爬行、附着、滚动、弹跳的多运动模式，特别是各部件通过在生物界获取灵感设计而来，所以附着爬行、附着壁面、滚动和弹跳性能卓越。

具体是，机器人行走部件能够屈服折叠为对称的两幅轮子，可实现机器人的滚动功能，既适用于平整路面，又适合稍微不平整路面，还能够适应崎岖路面；组成机器人行走部件的复合仿生机器人足部兼具仿壁虎脚趾粘性材料薄板、仿天牛脚趾勾刺掌部和仿岩鳅小提琴状吸盘，仿天牛脚趾勾刺掌部辅助机器人在粗糙的壁面上爬行，也用于机器人在干性壁面爬行，仿壁虎脚趾粘性材料薄板和仿岩鳅小提琴状吸盘辅助
机器人在光滑潮湿壁面上爬行；机器人弹跳部件具有仿跳虫和瘿蚊幼虫的弹跳机构辅助机器人越过沟壑；综上，本发明的机器人能够胜任在平坦地面、崎岖山地、障碍物路面、陡峭的壁面、粗糙或光滑的壁面及以上各种情况叠加的各类复杂环境中完成侦查作业。

附图说明
[0007]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

[0008]图1是本发明一个实施例机器人的爬行状态图。

[0009]图2是图1的主视图。

[0010]图3是本发明一个实施例机器人的滚动状态图。

[0011]图4是图3的主视图。

[0012]图5是本发明一个实施例中机器人腿部的结构示意图。

[0013]图6是本发明一个实施例中复合仿生机器人足部的结构示意图。

[0014]图7a是图6中仿壁虎脚趾粘性材料薄板的结构示意图。

[0015]图7b是7a中A处的局部放大图。

[0016]图7c是7a的侧视图。

[0017]图8是图6中仿岩鳅小提琴状吸盘的结构示意图。

[0018]图9a是图6中仿天牛脚趾勾刺掌部的结构示意图。

[0019]图9b是图9a中仿天牛勾刺的结构示意图。

[0020]图10是本发明一个实施例中机器人弹跳部件的结构示意图。

[0021]图中，1、机器人主体，2、机器人腿部，21、轮子，22、第一腿部电机，23、连接杆，24、第二腿部电机，25、电机连接架，26、第三腿部电机，27、腿部支撑架，3、机器人足部，31、足部电机，32、掌体，33、仿壁虎脚趾粘性材料薄板，331、倾斜圆柱体刚毛阵列，34、仿岩鳅小提琴状吸盘，35、仿天牛脚趾勾刺掌部，351、仿天牛勾刺，4、机器人弹跳部件，41、弹跳部件电机，42、弹跳部件齿轮箱，43、弹跳压缩部件。

具体实施方式
[0022]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

[0023]图1至图10示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，图1中的一种应对复杂环境的仿生多模式爬行滚动附着弹跳机器人，包括机器人主体1，机器人主体1内搭载有侦查装置和控制系统，侦查装置用于实现对恶劣环境的侦查。

[0024]其中，所述的机器人主体1上安装有机器人行走部件；所述的机器人行走部件包括偶数多只机器人腿部2，可实现稳定的机器人伸腿爬行，可靠性增强。

参见图3和图4，多只机器人腿部2对称排列在机器人主体1的外周，所有的机器人腿部2均分成两组，屈服折叠为对称的两幅轮子21，两幅轮子21连在同一个轴上，由电机和齿轮传动驱动；这样机器人就通过屈服自己的腿部，实现了机器人的滚动，利用滚轮可以在平整路面可以实现滚动，也可以实现稍微不平整路面的滚动，又可以适应崎岖路面。

作为优选的方案，参见图1，所述机器人腿
部2的数量为六只，六只机器人腿部2通过腿部电机与机器人主体1连接，机器人腿部2展开，可以在不平整路面利用六足爬行，适应于复杂的不平整路面。

更具体地，参见图5，所述的机器人腿部2由三个电机和两个连杆构成，三个电机控制两个连杆具有三个自由度，实现机器人的横向和纵向爬行。

在本发明的具体实施例中，两个连杆的实现结构具体表现为连接杆23和腿部支撑架27，三个电机分别是第一腿部电机22、第二腿部电机24和第三腿部电机26，机器人腿部2在连接杆23、第一腿部电机22、第二腿部电机24、电机连接架25、第三腿部电机26和腿部支撑架27的串联下可以实现机器人的爬行和攀爬运动。

[0025]在本发明实施例中，每只机器人腿部2的末端都设有一个复合仿生机器人足部3，参见图6，复合仿生机器人足部3包括旋转切换的掌体32，在掌体32上兼具仿壁虎脚趾粘性材料薄板33、仿天牛脚趾勾刺掌部35和仿岩鳅小提琴状吸盘34，具体地可以依靠足部电机31实现掌体32的旋转，从而实现切换仿壁虎脚趾粘性材料薄板33、仿天牛脚趾勾刺掌部35和仿岩鳅小提琴状吸盘34的目的。

仿天牛脚趾勾刺掌部35的作用是让机器人很好地爪附在粗糙的壁面，当仿生机器人遇到粗糙壁面的时候，爬壁机器人可以良好的附着在壁面上爬行；仿壁虎脚趾粘性材料薄板33和仿岩鳅小提琴状吸盘34在光滑壁面上有良好的粘性，可以让机器人在光滑壁面上粘附爬行；从而使得复合仿生机器人足部3能适应多种环境，在粗糙和光滑壁面爬行。

[0026]在本发明实施例中，参见图2和图10，所述的机器人主体1上还布置有机器人弹跳部件4，机器人弹跳部件4包括仿跳虫和瘿蚊幼虫的弹跳机构，这里的仿跳虫和瘿蚊幼虫的弹跳机构与申请人在先的发明申请(一种多运动模式可调轨迹的仿生弹跳机器人)中的弹跳机构结构一致，借鉴跳虫和瘿蚊幼虫两种不同的弹跳特性，设计出仿生结构的仿跳虫弹跳机构和仿瘿蚊幼虫弹跳机构，再将两种仿生结构进行融合形成新型类似六杆机构的弹跳机构，得到的该高性能的弹跳机构，具体主要由弹跳部件电机41、弹跳部件齿轮箱42和弹跳压缩部件43依次连接构成。

进一步地，所述的机器人弹跳部件4至少为一个，布置在机器人主体1的底部中心，并且机器人弹跳部件4可以在弹跳部件电机41的驱动下调整方向实现不同角度的弹跳。

[0027]另外，在本发明实施例中，所述的控制系统调控实现各部件的协调动作，可实现控制机器人爬行、攀爬、滚动和弹跳运行，具体是，控制系统驱动机器人行走部件运动实现机器人的山地运动；爬壁的时候，复合仿生机器人足部3提供机器人整机的附着力；弹跳的时候，机器人弹跳部件4的弹跳机构提供瞬时爆发力可以越过沟壑；水平或者稍崎岖的路面，机器人腿部2可以屈服为轮子21滚动。

[0028]在本发明一个优选实施例中，所述仿壁虎脚趾粘性材料薄板33和仿岩鳅小提琴状吸盘布置在复合仿生机器人足部3的掌体32正面，以适应光滑壁面的爬行。

所述的仿天牛脚趾勾刺掌部35布置在复合仿生机器人足部3的掌体32背面，以适应粗糙壁面的爬行。

通过足部电机31旋转切换掌体32的正面和背面。

[0029]在本发明一个优选实施例中，参见图7a、图7b和图7c所述仿壁虎脚趾粘性材料薄板33为两块，其表面设有倾斜圆柱体刚毛阵列331，鉴于壁虎手掌具有很好的粘附性能，采用光刻技术制备仿壁虎粘性刚毛阵列，制备的仿壁虎粘性刚毛阵列最好是直径0.1mm，间距0.5mm。

而仿岩鳅小提琴状吸盘34设在两块仿壁虎脚趾粘性材料薄板33之间。

参见图8，为了进一步增强粘附性能，鉴于岩鳅在水下具有很好的粘附性能，所述仿岩鳅小提琴状吸盘34
由间隔安装在掌体32上的两块仿岩鳅小提琴状软胶吸盘构成，利用3D打印技术打印出来安装在掌体32正面，在机器人爬行的时候以更好地提供在光滑潮湿壁面的粘附力。

再进一步，参见图9a和图9b所述仿天牛脚趾勾刺掌部35由阵列在掌体32上的多根仿天牛勾刺351组成。

[0030]本发明一种应对复杂环境的仿生多模式爬行滚动附着弹跳机器人吸取了壁虎的刚毛阵列、仿天牛勾刺351的分叉结构、仿喉盘鱼微结构复合吸盘和仿岩鳅特殊小提琴状吸盘的粘附性能，设计了了复合仿生机器人足部3，借鉴了跳虫和瘿蚊幼虫的弹跳结构，设计了仿跳虫和瘿蚊幼虫的弹跳机构，并采用微纳米加工技术和3D打印技术制造而成，可以在复杂壁面、复杂地形实施侦查等任务。

[0031]以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。

图1
图2
图3
图4
图5
图6
图7a
图7b
图7c
图8
图9a
图9b
图10。