CN104290831A - 弹簧钢片式变刚度钩爪组件及其钩爪机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弹簧钢片式变刚度钩爪组件及其钩爪机构，该钩爪组件包括钩爪主体、弹性连接件以及连接架，钩爪主体设置有钩爪，连接架包括钩爪位移微调部，钩爪位移微调部通过弹性连接件与钩爪主体连接；所述弹性连接件为串联弹性连接组，由不同刚度的弹性件串联而成，且串联弹性连接组中，各弹性件的刚度渐变，同时远离钩爪位移微调部的弹性件的刚度大于紧邻钩爪位移微调部的弹性件的刚度。由此可知：本发明所述钩爪组件的变刚度特性能够极大提高爬升机器人抓取的稳定性，可提供更大的抓取力，能够适应更为复杂工作环境，具有更广的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及高空建筑物粗糙表面爬升机器人的抓取钩爪（如粗糙混凝土壁面，悬崖壁面，水刷石壁面），尤其涉及一种能够稳定、有效实现对高空建筑物壁面抓取的可变刚度钩爪，属于智能仿生机器人领域。
背景技术
目前，爬升机器人已经广泛应用于光滑壁面的检测工作，但对于以粗糙混凝土、方砖和岩石为材料的灰尘较多、处于小幅低频振动的高空壁面，尚未出现较好的吸附方法。近年来，国内的高空建筑事故屡见不鲜，如2007年湖南凤凰桥桥梁坍塌事故，2007年常州公路桥坍塌，2012年哈尔滨阳明摊大桥断裂，2013年河南义昌大桥坍塌事故，等等。因此，对高空建筑物进行定期检测具有重要意义，人工检测的周期长，危险性极高，难度大，开发出专用的高空建筑物检测机器人取代人工检测工作成为必然要求。
与常规磁吸附、真空、负压吸附方式不同，本专利所提出的机器人与粗糙墙面的吸附方式是通过钩爪对墙面的抓取动作实现的，其作用原理与蟑螂、大黄蜂、甲虫等攀爬墙面的原理基本相同，钩爪相当于小动物的脚爪。钩爪与墙面的抓取力及稳定性受到钩爪自身结构、墙面的表面状态、外部扰动载荷等诸多方面因素的影响，作用机理极其复杂。钩爪式吸附方式作为高空建筑物攀爬机器人的最核心的技术，对机器人实现稳定、高效、安全的攀爬作业具有决定性作用。
一个抓取单元通常包含多个钩爪，这些钩爪通过固定架并联装配在一起，每个钩爪可以在一定的范围内独立运动。通过每个钩爪在各自位置上的小范围运动，可以使爪尖贴合在墙面上寻找各自的最合适的抓取点，实现稳定的抓取。
图1公开了现有技术中一种钩爪组件的结构简图，该钩爪组件包括爪尖101'、钩爪主体102'、弹性连接件103'（弹簧）、连接架105'、第一转动副106'、第二转动副109'、限位110'；当爪尖贴近墙面时，由于弹性连接件103'的柔性连接作用，爪尖可以在小范围内移动，爪尖贴合在粗糙的墙面上运动，寻求最佳抓取点；随着抓取动作的继续，抓取力F逐渐增大，弹性连接件103'被进一步拉伸，与此同时爪尖部分向右侧运动，当图示距离 被压缩为0时，爪尖向右侧运动到达极限位置。
由图1可知，弹性连接件103'的主要作用是为灵活地寻找最佳抓取点提供必要的低刚度柔性支撑，而抓取力主要是由刚性的限位提供。这种结构的钩爪具有近似的恒刚度特性，结构简单、外形尺寸小巧、加工制造工艺难度低，在一些墙面粗糙度较大，表面状态较好的情况下应用很广，但是存在以下不足：
1、弹性连接件103'的刚度很小，抓取力主要由刚性的限位提供，由于一个抓取单元中的若干钩爪的最佳抓取位置不同，每个钩爪的弹性连接件103'的伸长量不同，个别钩爪的爪尖已经位于极限位移，而有的钩爪的爪尖没有到达极限位置，这就导致了抓取单元中的多个钩爪所提供的抓取力不均匀，有的钩爪的抓取力很大，有的钩爪作用较小，甚至导致一个抓取单元中只有个别的一两个钩爪起作用，单个抓取单元所提供的抓取力较小；
2、爪尖与墙面凹凸特征间的作用力较为复杂，外部环境因素的扰动以及墙面自身微观结构强度的不确定性会导致爪尖与墙面脱离，采用该技术方案一旦钩爪与墙面间的抓取脱离，较难建立起二次抓取，导致抓取动作的稳定性下降，易引起机器人从墙面跌落的安全事故；
3、刚度调整范围小、调整不便，制约了爬升机器人的适用范围。
发明内容
本发明针对上述问题，从结构仿生角度出发，通过对蟑螂、大黄蜂、甲虫等小动物脚爪结构和运动特征的研究，设计了一种弹簧钢片式变刚度钩爪组件；本发明所述钢爪组件的变刚度特性能够极大提高爬升机器人抓取的稳定性，可提供更大的抓取力，能够适应更为复杂工作环境，具有更广的应用范围。
为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：
一种弹簧钢片式变刚度钩爪组件，该钩爪组件包括钩爪主体、弹性连接件以及连接架，钩爪主体设置有钩爪，连接架包括钩爪位移微调部，钩爪位移微调部通过弹性连接件与钩爪主体连接；所述弹性连接件为串联弹性连接组，由不同刚度的弹性件串联而成，且串联弹性连接组中，各弹性件的刚度渐变，同时远离钩爪位移微调部的弹性件的刚度大于紧邻钩爪位移微调部的弹性件的刚度。
作为本发明的进一步改进：所述钩爪主体为具有开口的空腔结构；所述连接架还包括平移滑动部，平移滑动部包括肩部以及与肩部的中心位置连接的狭长部，所述平移滑动部的肩部置于钩爪主体的空腔中，而平移滑动部的狭长部则穿过钩爪主体的空腔开口后与钩爪位移微调部连接，同时所述平移滑动部与钩爪主体之间滑动配合连接；钩爪位移微调部包括第一定位安装部、第二定位安装部以及连接在第一定位安装部、第二定位安装部之间的柔性连接部；串联弹性连接组设置在平移滑动部的肩部与钩爪主体的内壁之间，且串联弹性连接组中，靠近平移滑动部肩部的弹性件的刚度大于紧邻钩爪位移微调部的弹性件的刚度。
作为本发明的进一步改进：所述的钩爪主体为具有开口的矩形框状结构；所述平移滑动部为T形结构；所述平移滑动部的肩部与钩爪主体的内壁滑动配合连接，而平移滑动部的狭长部则与钩爪主体的开口滑动配合连接。
作为本发明的进一步改进：钩爪位移微调部为一板件，所述的第一定位安装部、第二定位安装部为开设在前述板件上的两个轴线相互平行的定位安装孔，柔性连接部为两个定位安装孔之间的微细连接部分；所述的两个定位安装孔的轴线方向与平移滑动部的平移方向垂直。
作为本发明的进一步改进：所述的钩爪组件通过激光切割加工一体成形。
本发明的另一技术目的是提供一种基于上述的弹簧钢片式变刚度钩爪组件的钩爪机构，包括钩爪组件以及固定架；所述固定架包括钩爪安装部和连接头；钩爪安装部包括一U形框，该U形框中通过等间距布置隔板以形成安装钩爪组件的沟槽，钩爪组件置于沟槽内，且钩爪组件通过钩爪位移微调部上的第一定位安装部、第二定位安装部与固定架定位连接；同时钩爪组件与沟槽之间滑动配合连接。
本发明具有刚度可变的特性，与现有技术相比，具有如下优点：1、可实现较大的抓取力。通过低刚度弹簧建立起来的柔软连接，对于爪尖寻找最佳抓取点较为有利，与此同时，大刚度弹簧的弹性变形能够产生较大的抓取力，能够使抓取单元中的各钩爪的抓取力分配更加均匀，可以在很大程度上提高单个抓取单元的抓取力；2、抓取动作更稳定。在实际抓取过程中，一个抓取单元中的个别钩爪与墙面间的以外脱离时，在低刚度弹簧的作用下钩爪可以迅速地找到第二个抓取点，并迅速建立起二次抓取，即便墙体的表面状态很差，单个钩爪的抓取动作很不稳定，一个抓取单元中的若干钩爪可以交替地进行二次抓取，仍然能够保证整个抓取单元“黏”在墙面上；3、该部件可以采用激光切割一次加工而成，不仅制造成本低，同时还可以通过调整弹簧波纹的宽度和数量来改变零件的拓扑结构，以获得不同的刚度参数匹配，参数调整范围大，且调整方便，这一特性对于扩宽爬升机器人的适用环境大有裨益。
本发明与现有技术相比，在抓取力及抓取稳定性方面具有明显优势，采用本发明技术方案的爬升机器人不仅可以用于普通建筑物的检测，还可应用于斜拉桥索塔壁面检测、偏远山区高架桥墩检测、高楼火灾和地震灾害废墟中的生命搜寻工作，悬崖峭壁的探索等。另外，还可以应用于对人体有强辐射的区域，如核反应堆壁面的检查、大型变压站壁面的检查等，具有较为广阔的社会需求和应用价值。
附图说明
图1是现有技术中一种钩爪组件的结构简图；
图1中：爪尖101'、钩爪主体102'、弹性连接件103'、连接架105'、第一转动副106'、第二转动副109'、限位110'；
图2是图1所述的钩爪组件的力特性曲线图；
图3是本发明所述钩爪组件的结构简图；
图4是对应于图3所述钩爪组件结构简图的一种钩爪组件结构示意图；
图5是图4中所述钩爪主体的结构示意图；
图6是图4中所述串联弹性连接组的结构示意图；
图7是图4中所述连接架的结构示意图；
图8是图4所述钩爪组件的力特性曲线图；
图9是本发明图4所述钩爪组件的自由状态示意图；
图10是本发明图4所述钩爪组件寻找最佳抓取点的结构示意图；
图11是本发明图4所述钩爪组件实现抓取动作示意图；
图12是一种包含图4所述钩爪组件的钩爪机构的结构示意图；
图2-12中：钩爪组件1、爪尖101、钩爪主体102、第一弹簧103、第二弹簧104、柔性连接部105、第一定位安装部106、第一平移导向部107-a、第二平移导向部107-b、连接架108、连接架凸缘108-a、第二定位安装部109、固定架2、隔板201、沟槽202、连接头203。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
如图3、4所示，本发明所述的钩爪组件包括钩爪主体、连接架以及串联弹性连接组三个部分；其中：
所述的钩爪主体，如图5所示，呈方框结构，下部设有爪尖101，方框的右侧设置有水平布置的开口；所述的水平布置的开口以及方框的内壁均作为连接架水平移动的导向工作面；
所述的串联弹性连接组，如图6所示，包括第一弹簧103、第二弹簧104；第一弹簧103的右侧与第二弹簧104的左侧连接，两个弹簧103、104构成一组串联连接的弹簧组，弹簧的刚度由波纹的宽度和波纹的数目决定，第一弹簧103、第二弹簧104相比，第一弹簧103的宽度较大、数量较少，第一弹簧103的刚度较第二弹簧104的刚度大很多；
所述的连接架，如图7所示，包括连接成一体的两个部分，分别为平移滑动部以及钩爪位移微调部，所述的平移滑动部呈T字形，而钩爪位移微调部为一板件，该板件上同轴开设两个定位安装孔，且两个定位安装孔之间的连接部分为柔性连接件（比如为细长的具有一定弹性的连接件）；另外，所述的两个定位安装孔的圆心连线与平移滑动部的平移方向垂直；在此需要指出的是，所述的两个定位安装孔并不局限于同轴开设，其只需满足两者的轴线相互平行即可，此时，任一定位安装孔的轴线均与平移滑动部的平移方向垂直；
将钩爪主体、连接架以及串联弹性连接组进行装配时，T字形平移滑动部置于钩爪组件的内腔，该T字形平移滑动部的狭长部分与钩爪组件的开口可移动连接，而肩部则与钩爪组件的内壁可移动连接，即钩爪组件的开口部位作为T字形平移滑动部的狭长部分导向件使用，而钩爪组件的内壁则作为T字形平移滑动部的肩部导向件使用，因此，连接架在钩爪主体的内部沿水平方向运动；串联弹性连接组安装在T字形平移滑动部的肩部与钩爪组件的开口侧的内壁之间，本发明共设置两组串联弹性连接组，其对称地布置在T字形平移滑动部狭长部分的两侧。
本发明所述的钩爪组件事实上可以通过激光加工技术一次成型，此时，则不存在上述的装配过程。
本发明所述钩爪组件的变刚度力特性曲线如图8所示，曲线的前半段，弹簧的刚度较弱，主要是第二弹簧104和柔性连接部105的柔性起作用，由于第二弹簧104和柔性连接部105的刚度很小，有利于爪尖灵活、快速地找到最佳抓取点。在曲线的右半段，由于弹簧的刚度较大，此时第二弹簧104被压缩到极限，主要是第一弹簧103起作用，第一弹簧刚度较大，有利于产生较大的抓取力。由此可见，此变刚度特性能够兼顾灵活、快速寻找抓取点和产生较大抓取力这两方面的要求。
下面结合图9-11对本发明的变刚度特性的原理进行详细说明。图9所示，不受任何外部载荷时，自由状态下第一弹簧的长度为、第二弹簧的长度为、柔性连接部的长度为；图10所示，当爪尖接触到粗糙的墙面，并贴合在墙面滑动时，由于第二弹簧104和柔性连接部105的刚度很小，能够使得爪尖很轻柔的贴合在墙面上并只需克服很小的阻力即可实现在小范围内的灵活运动，用于寻找最佳的抓取点，当爪尖到达最佳抓取点时，第二弹簧的长度为，柔性连接部的长度为；图11所示，到爪尖的最佳抓取点找到后，随着抓取动作的继续，第二弹簧被压缩到极限，此时第二弹簧的长度为，抓取力主要由第一弹簧产生，此时的第一弹簧的长度为。
如图12所示，公开了一种含有上述钩爪组件的钩爪机构，包括钩爪组件1以及固定架2；所述的钩爪组件采用激光切割加工而成，切割后零件为一个整体；所述固定架，包括两个部分，分别为钩爪安装部和连接头，所述的连接头用于与驱动钩爪进行工作的驱动装置连接，钩爪安装部用于安装钩爪组件，包括一U形框，该U形框中等间距布置隔板，以形成安装钩爪组件的沟槽；所述的钩爪组件通过钩爪位移微调部上的定位安装孔与固定架定位连接。
综上所述，可知本发明将仿生学、结构力学、机构学、先进激光加工技术的研究成果应用于爬升机器人的钩爪的设计，在钩爪的结构方面进行了一定的创新，提供了一种结构更加简单、精妙，成本更低，更加易于制造，抓取力更大，稳定性更好的爬升机器人的抓取钩爪，对于智能仿生爬升机器人的实验样机试制以及实际应用的推广均具有重要意义。
Claims (6)
1.一种弹簧钢片式变刚度钩爪组件，该钩爪组件包括钩爪主体、弹性连接件以及连接架，钩爪主体设置有爪尖，连接架包括钩爪位移微调部，钩爪位移微调部通过弹性连接件与钩爪主体连接；其特征在于：所述弹性连接件为串联弹性连接组，由不同刚度的弹性件串联而成，且串联弹性连接组中，各弹性件的刚度渐变，同时远离钩爪位移微调部的弹性件的刚度大于紧邻钩爪位移微调部的弹性件的刚度。
2.根据权利要求1所述弹簧钢片式变刚度钩爪组件，其特征在于：所述钩爪主体为具有开口的空腔结构；所述连接架还包括平移滑动部，平移滑动部包括肩部以及与肩部的中心位置连接的狭长部，所述平移滑动部的肩部置于钩爪主体的空腔中，而平移滑动部的狭长部则穿过钩爪主体的空腔开口后与钩爪位移微调部连接，同时所述平移滑动部与钩爪主体之间滑动配合连接；钩爪位移微调部包括第一定位安装部、第二定位安装部以及连接在第一定位安装部、第二定位安装部之间的柔性连接部；串联弹性连接组设置在平移滑动部的肩部与钩爪主体的内壁之间，且串联弹性连接组中，靠近平移滑动部肩部的弹性件的刚度大于紧邻钩爪位移微调部的弹性件的刚度。
3.根据权利要求2所述弹簧钢片式变刚度钩爪组件，其特征在于：所述的钩爪主体为具有开口的矩形框状结构；所述平移滑动部为T形结构；所述平移滑动部的肩部与钩爪主体的内壁滑动配合连接，而平移滑动部的狭长部则与钩爪主体的开口滑动配合连接。
4.根据权利要求3所述弹簧钢片式变刚度钩爪组件，其特征在于：钩爪位移微调部为一板件，所述的第一定位安装部、第二定位安装部为开设在前述板件上的两个轴线相互平行的定位安装孔，柔性连接部为两个定位安装孔之间的微细连接部分；所述的两个定位安装孔的圆心连线与平移滑动部的平移方向垂直。
5.根据权利要求4所述弹簧钢片式变刚度钩爪组件，其特征在于：所述的钩爪组件通过激光切割加工一体成形。
6.一种基于权利要求2所述的弹簧钢片式变刚度钩爪组件的钩爪机构，包括钩爪组件以及固定架；其特征在于：所述固定架包括钩爪安装部和连接头；钩爪安装部包括一U形框，该U形框中通过等间距布置隔板以形成安装钩爪组件的沟槽，钩爪组件置于沟槽内，且钩爪组件通过钩爪位移微调部上的第一定位安装部、第二定位安装部与固定架定位连接，同时钩爪组件与沟槽之间滑动配合连接。
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