CN204309921U - 可变刚度仿生钩爪机构及其钩爪组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可变刚度仿生钩爪机构及其钩爪组件；该钩爪组件，包括钩爪安装头以及与钩爪安装头弹性连接的钩爪；所述钩爪包括微爪连接头以及一个以上的微爪单元，每个微爪单元上均设置爪尖；各微爪单元呈线状依次串接，且位于端部的微爪单元的外侧端面设置限位柱，相邻的两个微爪单元之间、各微爪单元与微爪连接头的相邻端面之间均是弹性连接，同时钩爪的各组成部件之间的弹性连接刚度小于钩爪与钩爪安装头之间的弹性连接刚度；相邻两个微爪单元之间还设置有活动连接头。由此可知：本实用新型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

可变刚度仿生钩爪机构及其钩爪组件

技术领域

本实用新型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'、限位柱1110'；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2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。

实用新型内容

本实用新型针对上述问题，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，设计了一种可变刚度仿生钩爪组件；本实用新型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，本实用新型将采取以下的技术方案：

一种可变刚度仿生钩爪组件，包括钩爪安装头以及与钩爪安装头弹性连接的钩爪；所述钩爪包括微爪连接头以及一个以上的微爪单元，每个微爪单元上均设置爪尖；各微爪单元呈线状依次串接，且位于端部的微爪单元的外侧端面设置限位柱，相邻的两个微爪单元之间、各微爪单元与微爪连接头的相邻端面之间均是弹性连接，同时钩爪的各组成部件之间的弹性连接刚度小于钩爪与钩爪安装头之间的弹性连接刚度；相邻两个微爪单元之间还设置有活动连接头。

钩爪通过第一弹性连接件与钩爪安装头弹性连接；相邻的两个微爪单元之间通过第二弹性连接件弹性连接；各微爪单元与微爪连接头的相邻端面之间通过第三弹性连接件弹性连接；所述的第二弹性连接件、第三弹性连接件的弹性刚度均低于第一弹性连接件的弹性刚度。

所述钩爪安装头以及微爪安装头均呈U形状；所述U形微爪安装头置于U形钩爪安装头内；所述第一弹性连接件包括弹性连接件a、弹性连接件b，所述U形微爪安装头的封闭端与U形钩爪安装头的封闭端之间通过弹性连接件a连接，而U形微爪安装头的两侧臂，分别与U形钩爪安装头的两侧臂中相邻的一个侧臂通过弹性连接件b连接；所述第三弹性连接件包括弹性连接件c、弹性连接件d，位于端部的微爪单元的外侧端面通过弹性连接件c与相邻的U形微爪安装头侧臂连接，每一个微爪单元均通过弹性连接件d与U形微爪安装头的封闭端连接。

弹性连接件a的弹性伸缩方向垂直于U形钩爪安装头的封闭端，而弹性连接件b的弹性伸缩方向则垂直于U形钩爪安装头的侧臂；弹性连接件c的弹性伸缩方向垂直于U形微爪安装头的封闭端，而弹性连接件d的弹性伸缩方向则垂直于U形微爪安装头的侧臂。

本实用新型的另一技术目的是提供一种基于上述的可变刚度仿生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安装头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。

本实用新型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、刚度参数调整范围大，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'、限位柱1110'；

图2是图1所述的钩爪组件的力特性曲线图；

图3是本实用新型所述钩爪组件的结构示意图（自由状态）；

图4是本实用新型所述钩爪机构的结构示意图；

图5是本实用新型所述钩爪组件的力特性曲线；

图6是本实用新型所述钩爪组件的抓取动作原理图（抓取状态）；

图3-6中：钩爪组件1；钩爪安装头101；微爪连接头102；微爪单元103；弹性连接件c104；弹性连接件d105；第二弹性连接件106；弹性连接件b107；弹性连接件a108；爪尖109；活动连接头110；限位柱111；定位安装部112；固定架2；沟槽201。

具体实施方式

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。

如图3所示，本实用新型所述的钩爪组件包括钩爪安装头以及与钩爪安装头弹性连接的钩爪；所述钩爪包括微爪连接头以及一个以上的微爪单元，每个微爪单元上均设置爪尖；各微爪单元呈线状依次串接，且位于端部的微爪单元的外侧端面设置限位柱，相邻的两个微爪单元之间、各微爪单元与微爪连接头的相邻端面之间均是弹性连接，同时钩爪的各组成部件之间的弹性连接刚度小于钩爪与钩爪安装头之间的弹性连接刚度；相邻两个微爪单元之间还设置有活动连接头；钩爪通过第一弹性连接件与钩爪安装头弹性连接；相邻的两个微爪单元之间通过第二弹性连接件弹性连接；各微爪单元与微爪连接头的相邻端面之间通过第三弹性连接件弹性连接；所述的第二弹性连接件、第三弹性连接件的弹性刚度均低于第一弹性连接件的弹性刚度；其中：

钩爪安装头101呈倒置的U形结构，在框架的右侧设置有定位安装部112，分别为第一定位安装部、第二定位安装部对应的两个圆孔，通过两个圆孔连接于固定架2上；

微爪连接头102呈倒置的U形结构；

微爪单元103的下部设置有爪尖109，微爪单元有三个，分别为左、中、右三个微爪单元构成，微爪单元之间通过活动连接头110顺序相连，使得相邻两个微爪单元间可以在平面内小范围的相对运动，左边微爪单元的左侧设置有限位柱111，右边的微爪单元的右侧设置有限位柱111；

所述第一弹性连接件包括弹性连接件a、弹性连接件b，所述U形微爪安装头的封闭端与U形钩爪安装头的封闭端之间通过弹性连接件a连接，而U形微爪安装头的两侧臂，分别与U形钩爪安装头的两侧臂中相邻的一个侧臂通过弹性连接件b连接；所述第三弹性连接件包括弹性连接件c、弹性连接件d，位于端部的微爪单元的外侧端面通过弹性连接件c与相邻的U形微爪安装头侧臂连接，每一个微爪单元均通过弹性连接件d与U形微爪安装头的封闭端连接；弹性连接件a为两组，弹性连接件b也为两组，U形微爪安装头的一个侧臂安装一组；弹性连接件c为两组，每组包括上下两个弹簧且对称布置，U形微爪安装头的一个侧臂安装一组；本实用新型所述的微爪单元为3个，因此，配置两组第二弹性连接件，每组包括上下两个弹簧且对称布置，分别置于相邻的两个微爪单元之间，另外，本实用新型所述微爪单元、第二弹性连接件以及弹性连接件c在水平方向布置；弹性连接件d在竖直方向布置，为三组，对应于三个微爪单元布置。

由此可知，弹性连接件c、弹性连接件d以及第二弹性连接件，将各微爪单元柔性连接到U形微爪安装头的半包围内腔中，其中，第二弹性连接件完成相邻两个微爪单元之间的柔性连接，并通过活动连接头进行限位；弹性连接件d完成各微爪单元在纵向上与微爪安装头之间柔性连接，而弹性连接件c则完成端部的微爪单元与U形微爪安装头侧臂间的柔性连接；则第二弹性连接件、弹性连接件c的配合实现各微爪单元在横向上与微爪安装头之间的柔性连接；微爪单元、弹性连接件c、弹性连接件d以及第二弹性连接件构成组件（此处称为钩爪），作为一个整体，通过弹性连接件a、弹性连接件b与U形钩爪安装头柔性连接，其中：弹性连接件a完成钩爪在纵向上与U形钩爪安装头之间的柔性连接，而弹性连接件b完成钩爪在横向上与U形钩爪安装头之间的柔性连接。

附图中，左侧的弹性连接件c104，其左端与微爪连接头102外部的右侧刚性相连接，右端与钩爪安装头101内部的右侧刚性相联；弹性连接件b107左端与钩爪安装头101内部的左侧刚性相连，右端与微爪连接头102外部的左侧刚性相连；弹性连接件a108包括两组竖直布置的弹簧，两组弹簧并联，弹性连接件a的上端与钩爪安装头101内部的上侧刚性连接，下端与微爪连接头102外部的上侧刚性连接；微爪连接头102通过第二弹性连接件106、弹性连接件b107、弹性连接件a108柔性连接于钩爪安装头101的内部；

本实用新型的微爪单元103可包含任意数量的微爪单元；

本实用新型的弹簧可为弹性材料或者高分子材料；

如图4所示，本实用新型的可变刚度仿生钩爪为片状结构，钩爪101设置于固定架102的沟槽103之间，与沟槽间构成平面移动副，仅能在沟槽内做平面滑动，不会产生垂直方向的变形。

本实用新型的变刚度力特性曲线如图5所示，曲线的前半段，弹簧的刚度很弱，主要是弹性连接件c104、弹性连接件d105以及第二弹性连接件106起作用，由于弹性连接件c104、弹性连接件d105以及第二弹性连接件106的刚度很小，有利于爪尖灵活、快速地找到最佳抓取点。曲线的右半段，弹簧的刚度较大，此时限位柱111与微爪连接头102的内部接触，弹性连接件c104、弹性连接件d105以及第二弹性连接件106失去作用，主要是弹性连接件b107以及弹性连接件a108起作用，弹性连接件b107以及弹性连接件a108的刚度较大，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3、图6对本实用新型的变刚度特性的原理进行详细说明，按照一般的工作情况分析，中间与右侧的两个微爪单元爪尖勾住了墙面的粗糙凸起，并处于稳定的抓取状态，此时，在这两个微爪单元的爪尖上，产生抓取力F。中间和右侧的两个微爪单元带动左侧的微爪单元一起向左侧运动，使得弹性连接件c104、第二弹性连接件106产生弹性压缩变形，弹性连接件d105也会产生相应的变形，当限位接触到连接架内部右侧时，弹性连接件c104、第二弹性连接件106、弹性连接件d105失去作用；随着抓取动作的继续，抓取力F进一步增大，微爪单元将带动微爪连接头一起向左运动，使得右侧的弹性连接件b107产生弹性拉伸变形，左侧的弹性连接件b107产生弹性压缩变形，与此同时弹性连接件a108产生相应的弹性变形。由于弹性连接件b107、弹性连接件a108的刚度较大，因此，只需较小的压缩变形量即可产生足够的抓取力。根据图3（抓取机构不工作，各弹簧处于自由状态时）、图6（抓取机构进行抓取工作，各弹簧处于弹性变形状态时）的对比可知：在整个抓取过程中，各部件的位置和姿态都发生了变化，相应的各弹簧均产生了弹性变形。

本实用新型将仿生学、结构力学、机构学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 (5)

1.一种可变刚度仿生钩爪组件，包括钩爪安装头以及与钩爪安装头弹性连接的钩爪；其特征在于：所述钩爪包括微爪连接头以及一个以上的微爪单元，每个微爪单元上均设置爪尖；各微爪单元呈线状依次串接，且位于端部的微爪单元的外侧端面设置限位柱，相邻的两个微爪单元之间、各微爪单元与微爪连接头的相邻端面之间均是弹性连接，同时钩爪的各组成部件之间的弹性连接刚度小于钩爪与钩爪安装头之间的弹性连接刚度；相邻两个微爪单元之间还设置有活动连接头。

2.根据权利要求1所述可变刚度仿生钩爪组件，其特征在于：钩爪通过第一弹性连接件与钩爪安装头弹性连接；相邻的两个微爪单元之间通过第二弹性连接件弹性连接；各微爪单元与微爪连接头的相邻端面之间通过第三弹性连接件弹性连接；所述的第二弹性连接件、第三弹性连接件的弹性刚度均低于第一弹性连接件的弹性刚度。

3.根据权利要求2所述可变刚度仿生钩爪组件，其特征在于：所述钩爪安装头以及微爪安装头均呈U形状；所述U形微爪安装头置于U形钩爪安装头内；所述第一弹性连接件包括弹性连接件a、弹性连接件b，所述U形微爪安装头的封闭端与U形钩爪安装头的封闭端之间通过弹性连接件a连接，而U形微爪安装头的两侧臂，分别与U形钩爪安装头的两侧臂中相邻的一个侧臂通过弹性连接件b连接；所述第三弹性连接件包括弹性连接件c、弹性连接件d，位于端部的微爪单元的外侧端面通过弹性连接件c与相邻的U形微爪安装头侧臂连接，每一个微爪单元均通过弹性连接件d与U形微爪安装头的封闭端连接。

4.根据权利要求3所述可变刚度仿生钩爪组件，其特征在于：弹性连接件a的弹性伸缩方向垂直于U形钩爪安装头的封闭端，而弹性连接件b的弹性伸缩方向则垂直于U形钩爪安装头的侧臂；弹性连接件c的弹性伸缩方向垂直于U形微爪安装头的封闭端，而弹性连接件d的弹性伸缩方向则垂直于U形微爪安装头的侧臂。

5.一种基于权利要求1所述的可变刚度仿生钩爪组件的钩爪机构，其特征在于：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安装头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。