CN204184485U - 粗糙壁面攀爬机器人的抓取手爪机构 - Google Patents

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徐丰羽
王志惠
蒋国平
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Abstract

本实用新型公开了一种粗糙壁面攀爬机器人的抓取手爪机构,包括底座、驱动机构以及与驱动机构的动力输出端连接的钩爪机构,所述的钩爪机构至少为一个,所述驱动机构包括驱动电机、往复直线移动机构以及柔性绳驱动机构;每一个钩爪机构均配置一个柔性绳驱动机构,而每一个柔性绳驱动机构则配装一个柔性绳张紧机构;所述驱动电机的动力输出端经过往复直线移动机构分别与各柔性绳驱动机构连接,各柔性绳驱动机构的动力输出端则与相应的钩爪机构连接。因此,本实用新型极大地简化了抓取机构,减轻了重量,能够适应更为复杂的工作环境。

Description

粗糙壁面攀爬机器人的抓取手爪机构
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种粗糙壁面攀爬机器人的抓取手爪机构,属于智能仿生机器人领域。
背景技术
[0002] 目前,爬升机器人已经广泛应用于光滑壁面的检测工作,但对于存在不规则的凹凸裂缝的壁面,如粗糙混凝土、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,由于人工检测的周期长,危险性高,难度大,开发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。
[0003] 机器人与粗糙墙面的附着是通过抓取机构的抓取动作实现的,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抓取机构、钩爪结构、墙壁的表面状态、外部扰动载荷等诸多因素的影响,作用机理较为复杂。抓取机构作为高空建筑物攀爬机器人的核心的技术,对机器人实现稳定、高效、安全的攀爬作业具有决定性作用。
[0004] 针对此类壁面的特殊性,哈尔滨工程大学所提出的钩爪式爬壁机器人,利用倒钩刺挂附于粗糙墙壁表面通过对手臂伸缩实现爬行,其技术方案公布在专利号为200710072237.0的专利文件中。根据该专利文件记载内容,可知:1、该机器人在墙面攀爬时,钩子(14)与墙面凹凸之间相互作用,仅能够产生沿墙面方向竖直向上的作用力,该作用力与机器人自身重力平衡,通过该力平衡状态能够实现竖直方向的攀爬。由于无法建立其他方向的力平衡状态,所以机器人在墙面的横向、转向等攀爬动作难以实现,其适应范围有限;2、该机构是通过钩子(14) “挂在”墙面上的,并未与墙面间形成稳定的抓取状态,因此其与墙面间的“黏附”作用稳定性不高,容易与墙面脱落,引发安全事故。
[0005] 针对斜拉桥索塔表面的检测工作,应用套索驱动多个微型尖钩抓取壁面,设计了钩爪抓取式爬壁机器人,技术方案公布在专利号为201010290721.2的实用新型专利中,本设计的每个钩爪均设有多个微型尖钩,其抓取稳定,但应用了多根套索传递动力,结构较为复杂。
实用新型内容
[0006] 本实用新型针对现有吸附方式的不足,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宄,设计了一种应用微小钩爪抓取墙壁粗糙突起的抓取机构,作为爬升机器人的吸附方式。1、钩爪与墙面间能够建立沿墙面各个方向的力平衡状态,该机构不仅可以做简单的竖直方向的攀爬动作,同时还能够完成横向、转向等复杂的攀爬动作,甚至可以像壁虎一样实现与墙面呈180°的棚顶表面的攀爬动作,适用性较强;2、该机构能够与墙面间建立起稳定的抓取状态,与墙面间的“黏附”作用稳定,具有较高的可靠性和安全性;3、本实用新型的抓取机构采用单个驱动机构即可实现“抓取”和“松开”两个动作,极大地简化了抓取机构,减轻了重量。本实用新型能够适应更为复杂的工作环境,如斜拉桥索塔和高架桥桥墩的高空作业壁面检测机器人,克服了壁面灰尘、裂缝和凹坑、高空风载和壁面振动对机器人爬升性能的影响,具有更广的应用范围。
[0007] 为实现以上的技术目的,本实用新型将采取以下的技术方案:
[0008] 一种粗糙壁面攀爬机器人的抓取手爪机构,包括底座、驱动机构以及与驱动机构的动力输出端连接的钩爪机构,所述的钩爪机构至少为一个,所述驱动机构包括驱动电机、往复直线移动机构以及柔性绳驱动机构,所述的驱动电机固定安装在底座上;每一个钩爪机构均配置一个柔性绳驱动机构,而每一个柔性绳驱动机构则配装一个柔性绳张紧机构;所述驱动电机的动力输出端经过往复直线移动机构分别与各柔性绳驱动机构连接,各柔性绳驱动机构的动力输出端则与相应的钩爪机构连接;柔性绳张紧机构一端与往复直线移动机构的动力输出端连接,另一端则与底座可旋转连接,且柔性绳张紧机构的可旋转端设置有导向座;所述钩爪机构的连接头可滑动地安装在导向座中。
[0009] 作为本实用新型的进一步改进,所述往复直线移动机构为丝杠机构,包括丝杠以及与丝杠螺纹配合连接的驱动盘;丝杠与驱动电机的动力输出端连接,各柔性绳驱动机构以及相应的柔性绳张紧机构则分别与驱动盘固定连接。
[0010] 作为本实用新型的进一步改进,所述柔性绳驱动机构包括柔性绳,所述柔性绳的一端通过第二弹簧与驱动盘连接,而柔性绳的另一端则与钩爪机构连接。
[0011] 作为本实用新型的进一步改进,所述柔性绳张紧机构包括连杆、悬架以及扭簧,所述悬架的一端开设有沟槽,另一端则通过扭簧铰接在底座上,且悬架上安装有滚轮;连杆的一端与驱动盘铰接,另一端则定位安装在沟槽中;柔性绳驱动机构的柔性绳通过滚轮张紧;导向座紧靠着悬架上安装扭簧的部位设置。
[0012] 作为本实用新型的进一步改进,所述的钩爪机构包括钩爪、固定架以及第一弹簧;所述的固定架包括钩爪安装部以及滑动连接头,钩爪可移动地安装在钩爪安装部中,而滑动连接头则可滑动地安装在导向座中,且滑动连接头的外围套接第一弹簧,所述第一弹簧的两端分别与钩爪安装部、导向座连接。
[0013] 本实用新型与现有技术相比,在抓取力及抓取稳定性方面具有明显优势,采用本实用新型技术方案的爬升机器人不仅可以用于普通建筑物粗糙壁面的检测,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、大型变压站粗糙混凝土壁面的检查等。具有极为广阔的社会需求和应用价值。
附图说明
[0014] 图1是本实用新型所述粗糙壁面攀爬机器人的抓取手爪机构的立体结构示意图;
[0015] 图2是本实用新型所述粗糙壁面攀爬机器人的抓取手爪机构的立体剖面结构示意图
[0016] 图3是本实用新型所述抓取手爪机构的剖视图;
[0017] 图4是本实用新型所述钩爪机构的结构示意图;
[0018] 图5是本实用新型所述抓取手爪机构的的原理图;
[0019] 图6是本实用新型处于自由状态时的示意图;
[0020] 图7是本实用新型处于抓取状态时的示意图;
[0021] 图8是本实用新型处于松开状态时的示意图;
[0022] 图中:1、钩爪;2、固定架;3、第一弹簧;4、悬架;5、滚轮;6、柔性绳;7、第二弹簧;8、连杆;9、涡卷弹簧;10、驱动盘;11、丝杠;12、驱动电机;13、底座;14、连接架;101、爪尖;102、转动副一 ;103、转动副二 ;201、平面滑动副;202、固定架右侧圆柱体;401、移动副;402、转动副三;403、转动副四;404、槽轮副;1001、螺纹传动副;1002、转动副五;1301、转动副六。
具体实施方式
[0023] 附图非限制性地公开了本实用新型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实用新型的技术方案。
[0024] 如图1-5所示,本实用新型所述的抓取机构主要由钩爪1、固定架2、第一弹簧3、悬架4、滚轮5、柔性绳6、第二弹簧7、连杆8、涡卷弹簧9、驱动盘10、丝杠11、驱动电机12等部分组成;
[0025] 所述钩爪I呈片状结构,钩爪的下部设有爪尖101,右侧设有两个圆孔;所述固定架2左部设置有沟槽,右侧设有圆柱体202 ;所述的钩爪I与固定架2的沟槽形成平面滑动副201,钩爪I通过下部圆孔与固定架2连接形成转动副一 102、上部圆孔形成转动副二103 ;
[0026] 所述悬架4呈三角形结构,左侧下部设置有左右方向的圆孔、左侧的上部设置有前后方向的圆孔,下部靠近右侧的位置设置有前后方向圆孔,右侧的上部设置有沟槽;固定架2的右侧的圆柱体202与悬架的左侧下部左右方向的圆孔相配合构成移动副401,悬架通过左侧上部的圆孔与底座13铰接形成转动副三402,滚轮5与下部靠近右侧位置的圆孔铰接形成转动副四403 ;第一弹簧3的左侧与固定架圆柱体202左侧固定连接,右侧与悬架的左侧刚性连接;
[0027] 所述的涡卷弹簧9设置在悬架4和底座13的转动副三402上,在悬架4与底座13两个部件之间绕转动副三402形成一个扭转力矩;
[0028] 如图3所示,所述驱动盘10中心位置设置有竖直方向的螺纹,下部设有圆孔1002 ;所述驱动盘10相对于底座13仅能做上下方向的单自由度的平移运动;所述柔性绳6的下端与固定架2圆柱体202的右端固定连接,经滚轮5支撑后,上端与第二弹簧7的下部固定连接;所述的第二弹簧7的上端与驱动盘10的圆周方向的外侧刚性连接;所述连杆8的上端与驱动盘10下部的圆孔铰接形成转动副五1002,下端与悬架的右侧的沟槽配合构成槽轮副404 ;
[0029] 所述驱动电机12固定在底座13上部,电机轴与所述丝杠11的上部轴径固定连接,所述丝杠11的下部与驱动盘中心位置的螺纹配合行程螺纹传动副1001 ;
[0030] 连接架14与底座13之间构成转动副六1301,连接架14用于与机器人本体机构相连,底座13连同整个抓取机构可以绕转动副六1301转动。
[0031] 图6-8公开了本实用新型所述抓取机构的工作原理图,其中图6为自由状态下机构的位置与姿态示意图。图7是本实用新型处于抓取状态时的示意图,其中:驱动电机12驱动丝杠11旋转带动驱动盘10向上运动,第二弹簧7产生拉伸变形,在柔性绳8拉力的作用下固定架2向右运动,在滚轮5处产生的支反力使得悬架产生逆时针方向的转动,此时第一弹簧3产生压缩变形,涡卷弹簧9也产生弹性变形,固定架2带动钩爪I向右贴合墙面滑动,当爪尖101达到最佳抓取点时爪尖的运动停止,整个抓取动作完成。松开动作如图8所示,电机13驱动丝杠11旋转带动驱动盘10向下运动,此时第二弹簧7内储备的弹性力逐步释放,机构内部的抓取力减小,连杆8的下端沿槽轮副404向下运动。随着驱动盘10向下运动的继续,机构内部的抓取力减小为零,连杆8下端到达槽轮副404的最下端。驱动盘继续向下运动,带动连杆通过槽轮副404推动悬架4绕转动副三402顺时针旋转,使得爪尖脱离墙面,完成整个“松开”动作。
[0032] 本实用新型将仿生学、结构力学、机构学的研宄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 (5)

1.一种粗糙壁面攀爬机器人的抓取手爪机构,包括底座、驱动机构以及与驱动机构的动力输出端连接的钩爪机构,所述的钩爪机构至少为一个,其特征在于:所述驱动机构包括驱动电机、往复直线移动机构以及柔性绳驱动机构,所述的驱动电机固定安装在底座上•’每一个钩爪机构均配置一个柔性绳驱动机构,而每一个柔性绳驱动机构则配装一个柔性绳张紧机构;所述驱动电机的动力输出端经过往复直线移动机构分别与各柔性绳驱动机构连接,各柔性绳驱动机构的动力输出端则与相应的钩爪机构连接;柔性绳张紧机构一端与往复直线移动机构的动力输出端连接,另一端则与底座可旋转连接,且柔性绳张紧机构的可旋转端设置有导向座;所述钩爪机构的连接头可滑动地安装在导向座中。
2.根据权利要求1所述粗糙壁面攀爬机器人的抓取手爪机构,其特征在于:所述往复直线移动机构为丝杠机构,包括丝杠以及与丝杠螺纹配合连接的驱动盘;丝杠与驱动电机的动力输出端连接,各柔性绳驱动机构以及相应的柔性绳张紧机构则分别与驱动盘固定连接。
3.根据权利要求2所述粗糙壁面攀爬机器人的抓取手爪机构,其特征在于:所述柔性绳驱动机构包括柔性绳,所述柔性绳的一端通过第二弹簧与驱动盘连接,而柔性绳的另一端则与钩爪机构连接。
4.根据权利要求2或3所述粗糙壁面攀爬机器人的抓取手爪机构,其特征在于:所述柔性绳张紧机构包括连杆、悬架以及扭簧,所述悬架的一端开设有沟槽,另一端则通过扭簧铰接在底座上,且悬架上安装有滚轮;连杆的一端与驱动盘铰接,另一端则定位安装在沟槽中;柔性绳驱动机构的柔性绳通过滚轮张紧;导向座紧靠着悬架上安装扭簧的部位设置。
5.根据权利要求2或3所述粗糙壁面攀爬机器人的抓取手爪机构,其特征在于:所述的钩爪机构包括钩爪、固定架以及第一弹簧;所述的固定架包括钩爪安装部以及滑动连接头,钩爪可移动地安装在钩爪安装部中,而滑动连接头则可滑动地安装在导向座中,且滑动连接头的外围套接第一弹簧,所述第一弹簧的两端分别与钩爪安装部、导向座连接。
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