彈簧鋼片式變剛度鉤爪組件及其鉤爪機構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種彈簧鋼片式變剛度鉤爪組件及其鉤爪機構(gòu)，該鉤爪組件包括鉤爪主體、彈性連接件以及連接架，鉤爪主體設(shè)置有鉤爪，連接架包括鉤爪位移微調(diào)部，鉤爪位移微調(diào)部通過彈性連接件與鉤爪主體連接；所述彈性連接件為串聯(lián)彈性連接組，由不同剛度的彈性件串聯(lián)而成，且串聯(lián)彈性連接組中，各彈性件的剛度漸變，同時遠離鉤爪位移微調(diào)部的彈性件的剛度大于緊鄰鉤爪位移微調(diào)部的彈性件的剛度。由此可知：本發(fā)明所述鉤爪組件的變剛度特性能夠極大提高爬升機器人抓取的穩(wěn)定性，可提供更大的抓取力，能夠適應(yīng)更為復(fù)雜工作環(huán)境，具有更廣的應(yīng)用范圍。
【專利說明】彈簧鋼片式變剛度鉤爪組件及其鉤爪機構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高空建筑物粗糙表面爬升機器人的抓取鉤爪(如粗糙混凝土壁面，懸 崖壁面，水刷石壁面)，尤其涉及一種能夠穩(wěn)定、有效實現(xiàn)對高空建筑物壁面抓取的可變剛 度鉤爪，屬于智能仿生機器人領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，爬升機器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光滑壁面的檢測工作，但對于以粗糙混凝土、方 磚和巖石為材料的灰塵較多、處于小幅低頻振動的高空壁面，尚未出現(xiàn)較好的吸附方法。近 年來，國內(nèi)的高空建筑事故屢見不鮮，如2007年湖南鳳凰橋橋梁坍塌事故，2007年常州公 路橋坍塌，2012年哈爾濱陽明攤大橋斷裂，2013年河南義昌大橋坍塌事故，等等。因此，對 高空建筑物進行定期檢測具有重要意義，人工檢測的周期長，危險性極高，難度大，開發(fā)出 專用的高空建筑物檢測機器人取代人工檢測工作成為必然要求。
[0003] 與常規(guī)磁吸附、真空、負壓吸附方式不同，本專利所提出的機器人與粗糙墻面的吸 附方式是通過鉤爪對墻面的抓取動作實現(xiàn)的，其作用原理與蟑螂、大黃蜂、甲蟲等攀爬墻面 的原理基本相同，鉤爪相當(dāng)于小動物的腳爪。鉤爪與墻面的抓取力及穩(wěn)定性受到鉤爪自身 結(jié)構(gòu)、墻面的表面狀態(tài)、外部擾動載荷等諸多方面因素的影響，作用機理極其復(fù)雜。鉤爪式 吸附方式作為高空建筑物攀爬機器人的最核心的技術(shù)，對機器人實現(xiàn)穩(wěn)定、高效、安全的攀 爬作業(yè)具有決定性作用。
[0004] -個抓取單元通常包含多個鉤爪，這些鉤爪通過固定架并聯(lián)裝配在一起,每個鉤 爪可以在一定的范圍內(nèi)獨立運動。通過每個鉤爪在各自位置上的小范圍運動，可以使爪尖 貼合在墻面上尋找各自的最合適的抓取點，實現(xiàn)穩(wěn)定的抓取。
[0005] 圖1公開了現(xiàn)有技術(shù)中一種鉤爪組件的結(jié)構(gòu)簡圖，該鉤爪組件包括爪尖101'、鉤 爪主體102'、彈性連接件103'（彈簧)、連接架105'、第一轉(zhuǎn)動副106'、第二轉(zhuǎn)動副109'、 限位110' ；當(dāng)爪尖貼近墻面時，由于彈性連接件103'的柔性連接作用，爪尖可以在小范 圍內(nèi)移動，爪尖貼合在粗糙的墻面上運動，尋求最佳抓取點；隨著抓取動作的繼續(xù)，抓取力 F逐漸增大，彈性連接件103'被進一步拉伸，與此同時爪尖部分向右側(cè)運動，當(dāng)圖示距離 L。被壓縮為〇時，爪尖向右側(cè)運動到達極限位置。
[0006] 由圖1可知，彈性連接件103'的主要作用是為靈活地尋找最佳抓取點提供必要的 低剛度柔性支撐，而抓取力主要是由剛性的限位提供。這種結(jié)構(gòu)的鉤爪具有近似的恒剛度 特性，結(jié)構(gòu)簡單、外形尺寸小巧、加工制造工藝難度低，在一些墻面粗糙度較大，表面狀態(tài)較 好的情況下應(yīng)用很廣，但是存在以下不足： 1、彈性連接件103'的剛度很小，抓取力主要由剛性的限位提供，由于一個抓取單元中 的若干鉤爪的最佳抓取位置不同，每個鉤爪的彈性連接件103'的伸長量不同，個別鉤爪的 爪尖已經(jīng)位于極限位移，而有的鉤爪的爪尖沒有到達極限位置，這就導(dǎo)致了抓取單元中的 多個鉤爪所提供的抓取力不均勻，有的鉤爪的抓取力很大，有的鉤爪作用較小，甚至導(dǎo)致一 個抓取單元中只有個別的一兩個鉤爪起作用，單個抓取單元所提供的抓取力較??； 2、 爪尖與墻面凹凸特征間的作用力較為復(fù)雜，外部環(huán)境因素的擾動以及墻面自身微觀 結(jié)構(gòu)強度的不確定性會導(dǎo)致爪尖與墻面脫離，采用該技術(shù)方案一旦鉤爪與墻面間的抓取脫 離，較難建立起二次抓取，導(dǎo)致抓取動作的穩(wěn)定性下降，易引起機器人從墻面跌落的安全事 故； 3、 剛度調(diào)整范圍小、調(diào)整不便，制約了爬升機器人的適用范圍。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明針對上述問題，從結(jié)構(gòu)仿生角度出發(fā)，通過對蟑螂、大黃蜂、甲蟲等小動物 腳爪結(jié)構(gòu)和運動特征的研究，設(shè)計了一種彈簧鋼片式變剛度鉤爪組件；本發(fā)明所述鋼爪組 件的變剛度特性能夠極大提高爬升機器人抓取的穩(wěn)定性，可提供更大的抓取力，能夠適應(yīng) 更為復(fù)雜工作環(huán)境，具有更廣的應(yīng)用范圍。
[0008] 為實現(xiàn)以上的技術(shù)目的，本發(fā)明將采取以下的技術(shù)方案： 一種彈簧鋼片式變剛度鉤爪組件，該鉤爪組件包括鉤爪主體、彈性連接件以及連接架， 鉤爪主體設(shè)置有鉤爪，連接架包括鉤爪位移微調(diào)部，鉤爪位移微調(diào)部通過彈性連接件與鉤 爪主體連接；所述彈性連接件為串聯(lián)彈性連接組，由不同剛度的彈性件串聯(lián)而成，且串聯(lián)彈 性連接組中，各彈性件的剛度漸變，同時遠離鉤爪位移微調(diào)部的彈性件的剛度大于緊鄰鉤 爪位移微調(diào)部的彈性件的剛度。
[0009] 作為本發(fā)明的進一步改進：所述鉤爪主體為具有開口的空腔結(jié)構(gòu)；所述連接架還 包括平移滑動部，平移滑動部包括肩部以及與肩部的中心位置連接的狹長部，所述平移滑 動部的肩部置于鉤爪主體的空腔中，而平移滑動部的狹長部則穿過鉤爪主體的空腔開口后 與鉤爪位移微調(diào)部連接，同時所述平移滑動部與鉤爪主體之間滑動配合連接；鉤爪位移微 調(diào)部包括第一定位安裝部、第二定位安裝部以及連接在第一定位安裝部、第二定位安裝部 之間的柔性連接部；串聯(lián)彈性連接組設(shè)置在平移滑動部的肩部與鉤爪主體的內(nèi)壁之間，且 串聯(lián)彈性連接組中，靠近平移滑動部肩部的彈性件的剛度大于緊鄰鉤爪位移微調(diào)部的彈性 件的剛度。
[0010] 作為本發(fā)明的進一步改進：所述的鉤爪主體為具有開口的矩形框狀結(jié)構(gòu)；所述平 移滑動部為T形結(jié)構(gòu)；所述平移滑動部的肩部與鉤爪主體的內(nèi)壁滑動配合連接，而平移滑 動部的狹長部則與鉤爪主體的開口滑動配合連接。
[0011] 作為本發(fā)明的進一步改進：鉤爪位移微調(diào)部為一板件，所述的第一定位安裝部、第 二定位安裝部為開設(shè)在前述板件上的兩個軸線相互平行的定位安裝孔，柔性連接部為兩個 定位安裝孔之間的微細連接部分；所述的兩個定位安裝孔的軸線方向與平移滑動部的平移 方向垂直。
[0012] 作為本發(fā)明的進一步改進：所述的鉤爪組件通過激光切割加工一體成形。
[0013] 本發(fā)明的另一技術(shù)目的是提供一種基于上述的彈簧鋼片式變剛度鉤爪組件的鉤 爪機構(gòu)，包括鉤爪組件以及固定架；所述固定架包括鉤爪安裝部和連接頭；鉤爪安裝部包 括一 U形框，該U形框中通過等間距布置隔板以形成安裝鉤爪組件的溝槽，鉤爪組件置于溝 槽內(nèi)，且鉤爪組件通過鉤爪位移微調(diào)部上的第一定位安裝部、第二定位安裝部與固定架定 位連接；同時鉤爪組件與溝槽之間滑動配合連接。
[0014] 本發(fā)明具有剛度可變的特性，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點：1、可實現(xiàn)較大的抓 取力。通過低剛度彈簧建立起來的柔軟連接，對于爪尖尋找最佳抓取點較為有利，與此同 時，大剛度彈簧的彈性變形能夠產(chǎn)生較大的抓取力，能夠使抓取單元中的各鉤爪的抓取力 分配更加均勻，可以在很大程度上提高單個抓取單元的抓取力；2、抓取動作更穩(wěn)定。在實際 抓取過程中，一個抓取單元中的個別鉤爪與墻面間的以外脫離時，在低剛度彈簧的作用下 鉤爪可以迅速地找到第二個抓取點，并迅速建立起二次抓取，即便墻體的表面狀態(tài)很差，單 個鉤爪的抓取動作很不穩(wěn)定，一個抓取單元中的若干鉤爪可以交替地進行二次抓取，仍然 能夠保證整個抓取單元"黏"在墻面上；3、該部件可以采用激光切割一次加工而成，不僅制 造成本低，同時還可以通過調(diào)整彈簧波紋的寬度和數(shù)量來改變零件的拓撲結(jié)構(gòu)，以獲得不 同的剛度參數(shù)匹配，參數(shù)調(diào)整范圍大，且調(diào)整方便，這一特性對于擴寬爬升機器人的適用環(huán) 境大有裨益。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，在抓取力及抓取穩(wěn)定性方面具有明顯優(yōu)勢，采用本發(fā)明 技術(shù)方案的爬升機器人不僅可以用于普通建筑物的檢測，還可應(yīng)用于斜拉橋索塔壁面檢 測、偏遠山區(qū)高架橋墩檢測、高樓火災(zāi)和地震災(zāi)害廢墟中的生命搜尋工作，懸崖峭壁的探索 等。另外，還可以應(yīng)用于對人體有強輻射的區(qū)域，如核反應(yīng)堆壁面的檢查、大型變壓站壁面 的檢查等，具有較為廣闊的社會需求和應(yīng)用價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)中一種鉤爪組件的結(jié)構(gòu)簡圖； 圖1中：爪尖101'、鉤爪主體102'、彈性連接件103'、連接架105'、第一轉(zhuǎn)動副106'、 第二轉(zhuǎn)動副109'、限位110' ； 圖2是圖1所述的鉤爪組件的力特性曲線圖； 圖3是本發(fā)明所述鉤爪組件的結(jié)構(gòu)簡圖； 圖4是對應(yīng)于圖3所述鉤爪組件結(jié)構(gòu)簡圖的一種鉤爪組件結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是圖4中所述鉤爪主體的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是圖4中所述串聯(lián)彈性連接組的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7是圖4中所述連接架的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8是圖4所述鉤爪組件的力特性曲線圖； 圖9是本發(fā)明圖4所述鉤爪組件的自由狀態(tài)示意圖； 圖10是本發(fā)明圖4所述鉤爪組件尋找最佳抓取點的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖11是本發(fā)明圖4所述鉤爪組件實現(xiàn)抓取動作示意圖； 圖12是一種包含圖4所述鉤爪組件的鉤爪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2-12中：鉤爪組件1、爪尖101、鉤爪主體102、第一彈簧103、第二彈簧104、柔性連 接部105、第一定位安裝部106、第一平移導(dǎo)向部107-a、第二平移導(dǎo)向部107-b、連接架108、 連接架凸緣l〇8-a、第二定位安裝部109、固定架2、隔板201、溝槽202、連接頭203。

【具體實施方式】
[0017] 附圖非限制性地公開了本發(fā)明所涉及優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；以下將結(jié)合附圖 詳細地說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0018] 如圖3、4所示，本發(fā)明所述的鉤爪組件包括鉤爪主體、連接架以及串聯(lián)彈性連接 組三個部分；其中： 所述的鉤爪主體，如圖5所示，呈方框結(jié)構(gòu)，下部設(shè)有爪尖101，方框的右側(cè)設(shè)置有水 平布置的開口；所述的水平布置的開口以及方框的內(nèi)壁均作為連接架水平移動的導(dǎo)向工作 面； 所述的串聯(lián)彈性連接組，如圖6所示，包括第一彈簧103、第二彈簧104 ;第一彈簧103 的右側(cè)與第二彈簧104的左側(cè)連接，兩個彈簧103、104構(gòu)成一組串聯(lián)連接的彈簧組，彈簧的 剛度由波紋的寬度和波紋的數(shù)目決定，第一彈簧103、第二彈簧104相比，第一彈簧103的寬 度較大、數(shù)量較少，第一彈簧103的剛度較第二彈簧104的剛度大很多； 所述的連接架，如圖7所示，包括連接成一體的兩個部分，分別為平移滑動部以及鉤爪 位移微調(diào)部，所述的平移滑動部呈T字形，而鉤爪位移微調(diào)部為一板件，該板件上同軸開設(shè) 兩個定位安裝孔，且兩個定位安裝孔之間的連接部分為柔性連接件（比如為細長的具有一 定彈性的連接件）；另外，所述的兩個定位安裝孔的圓心連線與平移滑動部的平移方向垂 直；在此需要指出的是，所述的兩個定位安裝孔并不局限于同軸開設(shè)，其只需滿足兩者的軸 線相互平行即可，此時，任一定位安裝孔的軸線均與平移滑動部的平移方向垂直； 將鉤爪主體、連接架以及串聯(lián)彈性連接組進行裝配時，T字形平移滑動部置于鉤爪組件 的內(nèi)腔，該T字形平移滑動部的狹長部分與鉤爪組件的開口可移動連接，而肩部則與鉤爪 組件的內(nèi)壁可移動連接，即鉤爪組件的開口部位作為T字形平移滑動部的狹長部分導(dǎo)向件 使用，而鉤爪組件的內(nèi)壁則作為T字形平移滑動部的肩部導(dǎo)向件使用，因此，連接架在鉤爪 主體的內(nèi)部沿水平方向運動；串聯(lián)彈性連接組安裝在T字形平移滑動部的肩部與鉤爪組件 的開口側(cè)的內(nèi)壁之間，本發(fā)明共設(shè)置兩組串聯(lián)彈性連接組，其對稱地布置在T字形平移滑 動部狹長部分的兩側(cè)。
[0019] 本發(fā)明所述的鉤爪組件事實上可以通過激光加工技術(shù)一次成型，此時，則不存在 上述的裝配過程。
[0020] 本發(fā)明所述鉤爪組件的變剛度力特性曲線如圖8所示，曲線的前半段，彈簧的剛 度較弱，主要是第二彈簧104和柔性連接部105的柔性起作用，由于第二彈簧104和柔性連 接部105的剛度很小，有利于爪尖靈活、快速地找到最佳抓取點。在曲線的右半段，由于彈 簧的剛度較大，此時第二彈簧104被壓縮到極限，主要是第一彈簧103起作用，第一彈簧剛 度較大，有利于產(chǎn)生較大的抓取力。由此可見，此變剛度特性能夠兼顧靈活、快速尋找抓取 點和產(chǎn)生較大抓取力這兩方面的要求。
[0021] 下面結(jié)合圖9-11對本發(fā)明的變剛度特性的原理進行詳細說明。圖9所示，不受任 何外部載荷時，自由狀態(tài)下第一彈簧的長度為第二彈簧的長度為L 2Q、柔性連接部的長 度為L3D ;圖10所示，當(dāng)爪尖接觸到粗糙的墻面，并貼合在墻面滑動時，由于第二彈簧104和 柔性連接部105的剛度很小，能夠使得爪尖很輕柔的貼合在墻面上并只需克服很小的阻力 即可實現(xiàn)在小范圍內(nèi)的靈活運動，用于尋找最佳的抓取點，當(dāng)爪尖到達最佳抓取點時，第二 彈簧的長度為1* 2:，柔性連接部的長度為Ls:;圖11所示，到爪尖的最佳抓取點找到后，隨著 抓取動作的繼續(xù)，第二彈簧被壓縮到極限，此時第二彈簧的長度為抓取力主要由第一 彈簧產(chǎn)生，此時的第一彈簧的長度為L 2:。
[0022] 如圖12所示，公開了一種含有上述鉤爪組件的鉤爪機構(gòu)，包括鉤爪組件1以及固 定架2 ;所述的鉤爪組件采用激光切割加工而成，切割后零件為一個整體；所述固定架，包 括兩個部分，分別為鉤爪安裝部和連接頭，所述的連接頭用于與驅(qū)動鉤爪進行工作的驅(qū)動 裝置連接，鉤爪安裝部用于安裝鉤爪組件，包括一 U形框，該U形框中等間距布置隔板，以形 成安裝鉤爪組件的溝槽；所述的鉤爪組件通過鉤爪位移微調(diào)部上的定位安裝孔與固定架定 位連接。
[0023] 綜上所述，可知本發(fā)明將仿生學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、機構(gòu)學(xué)、先進激光加工技術(shù)的研究成 果應(yīng)用于爬升機器人的鉤爪的設(shè)計，在鉤爪的結(jié)構(gòu)方面進行了一定的創(chuàng)新，提供了一種結(jié) 構(gòu)更加簡單、精妙，成本更低，更加易于制造，抓取力更大，穩(wěn)定性更好的爬升機器人的抓取 鉤爪，對于智能仿生爬升機器人的實驗樣機試制以及實際應(yīng)用的推廣均具有重要意義。
【權(quán)利要求】
1. 一種彈簧鋼片式變剛度鉤爪組件，該鉤爪組件包括鉤爪主體、彈性連接件以及連接 架，鉤爪主體設(shè)置有爪尖，連接架包括鉤爪位移微調(diào)部，鉤爪位移微調(diào)部通過彈性連接件與 鉤爪主體連接；其特征在于：所述彈性連接件為串聯(lián)彈性連接組，由不同剛度的彈性件串 聯(lián)而成，且串聯(lián)彈性連接組中，各彈性件的剛度漸變，同時遠離鉤爪位移微調(diào)部的彈性件的 剛度大于緊鄰鉤爪位移微調(diào)部的彈性件的剛度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述彈簧鋼片式變剛度鉤爪組件，其特征在于：所述鉤爪主體為具 有開口的空腔結(jié)構(gòu)；所述連接架還包括平移滑動部，平移滑動部包括肩部以及與肩部的中 心位置連接的狹長部，所述平移滑動部的肩部置于鉤爪主體的空腔中，而平移滑動部的狹 長部則穿過鉤爪主體的空腔開口后與鉤爪位移微調(diào)部連接，同時所述平移滑動部與鉤爪主 體之間滑動配合連接；鉤爪位移微調(diào)部包括第一定位安裝部、第二定位安裝部以及連接在 第一定位安裝部、第二定位安裝部之間的柔性連接部；串聯(lián)彈性連接組設(shè)置在平移滑動部 的肩部與鉤爪主體的內(nèi)壁之間，且串聯(lián)彈性連接組中，靠近平移滑動部肩部的彈性件的剛 度大于緊鄰鉤爪位移微調(diào)部的彈性件的剛度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述彈簧鋼片式變剛度鉤爪組件，其特征在于：所述的鉤爪主體為 具有開口的矩形框狀結(jié)構(gòu)；所述平移滑動部為T形結(jié)構(gòu)；所述平移滑動部的肩部與鉤爪主 體的內(nèi)壁滑動配合連接，而平移滑動部的狹長部則與鉤爪主體的開口滑動配合連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述彈簧鋼片式變剛度鉤爪組件，其特征在于：鉤爪位移微調(diào)部為 一板件，所述的第一定位安裝部、第二定位安裝部為開設(shè)在前述板件上的兩個軸線相互平 行的定位安裝孔，柔性連接部為兩個定位安裝孔之間的微細連接部分；所述的兩個定位安 裝孔的圓心連線與平移滑動部的平移方向垂直。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述彈簧鋼片式變剛度鉤爪組件，其特征在于：所述的鉤爪組件通 過激光切割加工一體成形。
6. -種基于權(quán)利要求2所述的彈簧鋼片式變剛度鉤爪組件的鉤爪機構(gòu)，包括鉤爪組件 以及固定架；其特征在于：所述固定架包括鉤爪安裝部和連接頭；鉤爪安裝部包括一 U形 框，該U形框中通過等間距布置隔板以形成安裝鉤爪組件的溝槽，鉤爪組件置于溝槽內(nèi)，且 鉤爪組件通過鉤爪位移微調(diào)部上的第一定位安裝部、第二定位安裝部與固定架定位連接， 同時鉤爪組件與溝槽之間滑動配合連接。
【文檔編號】B62D57/024GK104290831SQ201410451702
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月5日
【發(fā)明者】徐豐羽, 王志惠, 蔣國平 申請人:南京郵電大學(xué)