CN104670357A - 一种角度能调节的变刚度柔性钩爪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种角度能调节的变刚度柔性钩爪，包括连接杆、支架、连杆机构和至少一组钩爪机构；每组钩爪机构含有两个钩尖，钩尖中部外周同轴设置有一个颈形圆柱；颈形圆柱的外周同轴设置有一个为圆环形状的变刚度柔性关节，其纵截面呈弓形，且具有两个刚度较小的弓形端部和一个刚度较大的弓形中部；支架上至少设置有两个圆形通孔，弓形中部的凸面能与颈形圆柱的颈形凹部相配合，弓形中部的凹面与对应的圆形通孔的内侧边缘相卡合。采用上述结构后，连杆机构的设置，能调整钩尖与墙面局部法线间的夹角，且易形成机械自锁，抓取稳定性好。变刚度柔性关节的设置，能使钩尖在各个方向上灵活运动，能快速找到最佳抓取点，并利于产生较大的抓取力。

Description

一种角度能调节的变刚度柔性钩爪

技术领域

本发明涉及一种智能仿生机器人用钩爪，适用于高空建筑物粗糙表面爬升使用，特别是一种角度能调节的变刚度柔性钩爪。

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、方砖和岩石为材料且灰尘较多、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。然而，人工检测的周期长，危险性极高，难度大，故能开发出专用的高空建筑物检测机器人，以取代人工检测工作，已成为必然趋势。

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。

现有技术中的爬升机器人，仍然存在如下不足：

1、不能够实现抓取角度的调整与控制：在机器人实际爬墙的过程中，钩尖与墙面间的角度对抓取稳定性具有决定性影响。钩尖与墙面间的角度与墙面的粗糙度，表面材料，表面潮湿程度等诸多因素相关，在机器人爬升过程中，需要对抓取角度进行实时调整。

2、一方面现有变刚度的机构过于复杂，加工制造困难；另一方面，变刚度是通过串联一个刚度较大和一个刚度较小的弹簧实现的，在不同方向上的刚度特性变化较大，而钩尖在寻找最佳抓取点的过程中，各个方向的微小幅度的位置和姿态的调整都是随机的，这就要求钩爪在各个方向的刚度特性基本一致，显然现有的这种刚度特性不利于钩尖寻找最佳抓取点。

3、钩爪在寻找最佳抓取点过程中，仅能够做垂直于墙面的平面运动（三个自由度的运动，分别为沿平面内两个方向的平动和一个绕垂直于所在运动平面法线的转动），灵活性较差，不利于寻找最佳抓取点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种抓取角度能根据需要实时调整，能灵活、快速寻找最佳抓取点且能产生较大抓取力的角度能调节的变刚度柔性钩爪。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

    一种角度能调节的变刚度柔性钩爪，包括能与驱动机构相连接的连接杆和与连接杆固定连接的支架，其特征在于：所述支架上设置有一个连杆机构，该连杆机构上至少设置有一组钩爪机构；每组钩爪机构含有两个对称设置在连杆机构两侧的钩爪；每个钩爪均包括一个钩尖，钩尖中部外周同轴设置有一个颈形圆柱；颈形圆柱的外周同轴设置有一个变刚度柔性关节，变刚度柔性关节为圆环形状，且纵截面呈弓形；变刚度柔性关节具有两个弓形端部和一个弓形中部，且弓形端部的刚度小于弓形中部的刚度；两个弓形端部均与颈形圆柱的颈形端部固定连接；所述支架上至少设置有两个圆形通孔，弓形中部的凸面能与颈形圆柱的颈形凹部相配合，弓形中部的凹面与对应的圆形通孔的内侧边缘相卡合。

    所述支架上设置有电动缸，该电动缸的活塞杆与连杆机构左侧的第一铰接孔相铰接。

    所述电动缸中活塞杆的伸缩由伺服电机控制。

    所述连杆机构上除第一个铰接孔外的其余每个铰接孔内均设置有一根连接轴；每根连接轴的中间套装有一根摇臂，摇臂的另一端与支架相铰接；每根连接轴的两端各设置有一块钩爪板，每块钩爪板的底部固定连接一个钩尖。

    每块所述钩爪板均能竖向滑移。

    每根所述连接轴的两端各设置有两个挡片，两个挡片之间形成一个第一卡槽；每块钩爪板均设置有一个能与第一卡槽相配合的竖向滑槽。

    所述支架包括若干个相互连接的台阶板，每块台阶板上设置有两个圆形通孔。

    所述连杆机构为具有三个铰接孔的一根连杆，台阶板有两块，连接轴和摇臂也各有两个。

    所述变刚度柔性关节的材料为橡胶或硅胶。

本发明采用上述结构后，具有如下有益效果：

1.上述连杆机构的设置，能实时调整钩尖与墙面局部法线间的夹角，且易形成机械自锁，抓取稳定性好。

2.上述变刚度柔性关节的设置，能使钩尖在各个方向上灵活运动（理论上在空间6个自由度均可以运动），从而能够快速地找到最佳抓取点，并有利于产生较大的抓取力。当钩尖寻找到最佳抓取点，与墙面建立起稳定的抓取后，又可以产生较大的抓取力。

附图说明

图1显示了本发明一种角度能调节的变刚度柔性钩爪的立体结构示意图；

图2显示了本发明中支架的结构示意图；

图3显示了本发明中连杆机构的结构示意图；

图4显示了本发明中钩爪的结构示意图；

图5显示了本发明中图4中圆圈Ⅰ区的放大示意图；

图6显示了本发明中连杆机构的结构原理图；

图7显示了本发明中电动缸动作后，钩尖角度调整前后对比图；

图8显示了变刚度柔性关节工作原理示意图；

图9显示了钩尖与墙面间的角度调整示意图；

图10显示了本发明中钩尖的变刚度特性曲线以及与现有技术的对比图。

其中有：10.连接杆；20.支架；21.台阶板；211.圆形通孔；30.连杆机构；31.铰接孔；32.连接轴；33.摇臂；331.第一连接座；34.连杆；35.挡片；351.第一卡槽；36.电动缸；361.第二连接座；362.活塞杆；40.钩爪；41.钩爪板；411.竖向滑槽；42.钩尖；43.颈形圆柱；431.颈形端部；432.颈形凹部；44.第二卡槽；50.变刚度柔性关节；51.弓形端部；52.弓形中部；521.凸面；522.凹面；60.墙面；61.墙面局部法线。

其中，图6中的箭头表示电动缸中活塞杆的运动方向，V代表活塞杆的运动速度。

图7中虚线表示钩尖角度调整前的示意图，实线表示钩尖角度调整后的示意图。

图8中，图a表示钩尖与墙面接触前的状态；图b表示钩尖与墙面接触后，钩尖寻找最佳抓取位置的示意图；图c表示钩尖在寻找到最佳抓取位置后，抓取动作示意图。

图9中，图A表示钩尖与墙面局部法线呈较大夹角a时的示意图；图B表示钩尖与墙面局部法线呈较小夹角a1时的示意图。

图10中，S1表示现有技术中钩尖的刚度曲线；S2表示本发明中钩尖的变刚度特性曲线；另外，F表示抓取力，ΔL表示弹簧或变刚度柔性关节的变形量。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种角度能调节的变刚度柔性钩爪，包括连接杆10、支架20、连杆机构30、两组钩爪机构和四个变刚度柔性关节50。作为替换，钩爪机构也可以为一组，三组或多组；同时，变刚度柔性关节50的数量也可以为两个、六个或多个，均属本发明的保护范围。

上述连接杆10为现有技术，连接杆10的一端与驱动机构相连接，连接杆10的另一端与支架20固定连接。连接杆10能在驱动机构的带动下，进行伸缩或旋转等运动，从而带动钩爪机构中的钩爪进行抓取或松开，进而使机器人实现稳定、高效、安全的攀爬作业。

    如图2所示，上述支架20呈阶梯形状，优选包括两块台阶板21，也可以为一块、三块或多块。每块台阶板21上均设置有两个圆形通孔211。

如图3和图6所示，上述连杆机构30的左侧与电动缸36的活塞杆362相铰接，电动缸36的另一端通过第二连接座361铰接在支架20上。电动缸36中活塞杆362的伸缩优选由伺服电机控制。

上述连杆机构30优选为具有三个铰接孔31的一根连杆34。三个铰接孔31，优选不在一条直线上，也可以在一条直线上，其中最左侧的第一个铰接孔31与活塞杆362的端部铰接。作为替换，也可以具有多根连杆34或多个铰接孔31。

位于右侧的两个铰接孔31内均设置有一根与连杆34相垂直设置的连接轴32。连接轴32的中间套装有一根摇臂33，摇臂33的另一端通过第一连接座331铰接在对应的台阶板21上。连杆34和摇臂33均能相对与其对应的连接轴32转动。

每根连接轴32的两端各设置有两个档片35，两个档片35之间形成第一卡槽351。每根连接轴32两侧的第一卡槽351相互对称设置。

如图4所示，每组钩爪机构含有两个对称设置在连接轴32两侧的钩爪40。每个钩爪40包括一个钩爪板41和一根固定设置在钩爪板41底部的钩尖42。每个钩爪板41均设置有一个能与第一卡槽351相配合的竖向滑槽411，每块钩爪板41均能竖向进行滑移，形成槽轮配合机构，从而带动钩尖42移动，钩尖42的运动是绕柔性变刚度关节50的转动。位于每个第一卡槽351两侧的两个档片35，能对钩爪板41的竖向滑移进行限位。

如图5所示，每根钩尖42的中部外周同轴设置有一个颈形圆柱43，颈形圆柱43优选与钩尖42一体设置。颈形圆柱43具有两个颈形端部431和一个颈形凹部432，每个颈形端部431均设置有一条环状的第二卡槽44。

上述颈形圆柱43的外周同轴设置有一个变刚度柔性关节50，变刚度柔性关节50的材料优选为橡胶或硅胶，能够提供与弹簧相当的变形量。

变刚度柔性关节50为圆环形状，其纵截面呈弓形。变刚度柔性关节50具有两个弓形端部51和一个弓形中部52。

两个弓形端部51的刚度均小于弓形中部52的刚度。两个弓形端部51的刚度很弱，有利于钩尖42轻柔地寻找到最合适的抓取位置。弓形中部52的刚度较大，有利于产生较大的抓取力。

变刚度柔性关节50的两个弓形端部51均卡合在上述第二卡槽44内，也即两个弓形端部51与颈形圆柱43的颈形端部431固定连接。

弓形中部52的凸面521能与颈形圆柱43的颈形凹部432相配合，弓形中部52的凹面522与对应的圆形通孔311的内侧边缘相卡合。

  工作原理：如图9所示，当钩尖42与粗糙不平的墙面60接触时，电动缸36由伺服控制，使其伸缩到不同长度，从而能够实现钩尖42与墙面60间角度的控制。如图7所示，其中，图中虚线部分表示钩尖角度角度调整前的示意图，图中实线部分表示钩尖角度调整后的示意图。

  当钩尖42与墙面局部法线61呈较大夹角a时，如图9中的图A所示，容易发生脱离，抓取不稳。当钩尖42与墙面局部法线61呈较小夹角a1时，如图9中的图B所示，容易形成机械自锁，抓取稳定性显著提升。

如图8所示，在初始位置，不受任何外力的情况下，钩尖42在未与墙面60接触前的状态，如图8中的图a所示。当钩尖42逐渐靠近并与墙面60接触时，此时状态如图8中的图b所示，这时，钩尖42需要自适应找到一个最佳的抓取位置，此时起作用的是两个弓形端部51，由于两个弓形端部51的刚度很弱，故钩尖42可以轻柔，灵活地寻找到最佳的抓取位置。当钩尖42找到最佳抓取点后，如图8中的图c所示，随着抓取动作的继续，钩尖42逐渐与弓形中部52接触，并对弓形中部52进行挤压，此时由于弓形中部52的刚度较大，进行不大的压缩变形弓形中部52就可以产生较大的抓取力。

    上述变刚度柔性关节50的设置，能使钩尖42在各个方向上灵活运动（理论上在空间6个自由度均可以运动），从而能够快速地找到最佳抓取点，并有利于产生较大的抓取力。

发明人将本发明的钩爪与现有技术中的变刚度钩爪，经过多次对比试验验证，得出如图10所示的对比图，该图10中，S1表示现有技术中钩尖的刚度曲线；S2表示本发明中钩尖的变刚度特性曲线。图中，F表示抓取力，ΔL表示弹簧或变刚度柔性关节的变形量。S2曲线的前半段，钩爪的刚度很弱，主要是两个弓形端部51起作用，有利于爪尖灵活、快速地找到最佳抓取点；S2曲线的后半段，钩爪的刚度较大，此时主要是弓形中部52起作用，有利于产生较大的抓取力。由此可见，本发明的变刚度钩爪能够兼顾灵活、快速寻找抓取点和产生较大抓取力这两方面的要求。

 以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种角度能调节的变刚度柔性钩爪，包括能与驱动机构相连接的连接杆和与连接杆固定连接的支架，其特征在于：所述支架上设置有一个连杆机构，该连杆机构上至少设置有一组钩爪机构；每组钩爪机构含有两个对称设置在连杆机构两侧的钩爪；每个钩爪均包括一个钩尖，钩尖中部外周同轴设置有一个颈形圆柱；颈形圆柱的外周同轴设置有一个变刚度柔性关节，变刚度柔性关节为圆环形状，且纵截面呈弓形；变刚度柔性关节具有两个弓形端部和一个弓形中部，且弓形端部的刚度小于弓形中部的刚度；两个弓形端部均与颈形圆柱的颈形端部固定连接；所述支架上至少设置有两个圆形通孔，弓形中部的凸面能与颈形圆柱的颈形凹部相配合，弓形中部的凹面与对应的圆形通孔的内侧边缘相卡合。

2.根据权利要求1所述的角度能调节的变刚度柔性钩爪，其特征在于：所述支架上设置有电动缸，该电动缸的活塞杆与连杆机构左侧的第一个铰接孔相铰接。

3.根据权利要求2所述的角度能调节的变刚度柔性钩爪，其特征在于：所述电动缸中活塞杆的伸缩由伺服电机控制。

4.根据权利要求2或3所述的角度能调节的变刚度柔性钩爪，其特征在于：所述连杆机构上除第一个铰接孔外的其余每个铰接孔内均设置有一根连接轴；每根连接轴的中间套装有一根摇臂，摇臂的另一端与支架相铰接；每根连接轴的两端各设置有一块钩爪板，每块钩爪板的底部固定连接一个钩尖。

5.根据权利要求4所述的角度能调节的变刚度柔性钩爪，其特征在于：每块所述钩爪板均能竖向滑移。

6.根据权利要求5所述的角度能调节的变刚度柔性钩爪，其特征在于：每根所述连接轴的两端各设置有两个挡片，两个挡片之间形成一个第一卡槽；每块钩爪板均设置有一个能与第一卡槽相配合的竖向滑槽。

7.根据权利要求6所述的角度能调节的变刚度柔性钩爪，其特征在于：所述支架包括若干个相互连接的台阶板，每块台阶板上设置有两个圆形通孔。

8.根据权利要求7所述的角度能调节的变刚度柔性钩爪，其特征在于：所述连杆机构为具有三个铰接孔的一根连杆，台阶板有两块，连接轴和摇臂也各有两个。

9.根据权利要求1所述的角度能调节的变刚度柔性钩爪，其特征在于：所述变刚度柔性关节的材料为橡胶或硅胶。