一種角度能調(diào)節(jié)的變剛度柔性鉤爪的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)涉及一種智能仿生機(jī)器人用鉤爪，適用于高空建筑物粗糙表面爬升使用，特別是一種角度能調(diào)節(jié)的變剛度柔性鉤爪。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，爬升機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光滑壁面的檢測(cè)工作，但對(duì)于以粗糙混凝土、方磚和巖石為材料且灰塵較多、處于小幅低頻振動(dòng)的高空壁面，尚未出現(xiàn)較好的吸附方法。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的高空建筑事故屢見(jiàn)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(yáng)明攤大橋斷裂，2013年河南義昌大橋坍塌事故等等。因此，對(duì)高空建筑物進(jìn)行定期檢測(cè)具有重要意義。然而，人工檢測(cè)的周期長(zhǎng)，危險(xiǎn)性極高，難度大，故能開(kāi)發(fā)出專用的高空建筑物檢測(cè)機(jī)器人，以取代人工檢測(cè)工作，已成為必然趨勢(shì)。
[0003]與常規(guī)磁吸附、真空、負(fù)壓吸附方式不同，本專利所提出的機(jī)器人與粗糙墻面的吸附方式是通過(guò)鉤爪對(duì)墻面的抓取動(dòng)作實(shí)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(dòng)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(dòng)載荷等諸多方面因素的影響，作用機(jī)理極其復(fù)雜。鉤爪式吸附方式作為高空建筑物攀爬機(jī)器人的最核心的技術(shù)，對(duì)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效、安全的攀爬作業(yè)具有決定性作用。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中的爬升機(jī)器人，仍然存在如下不足:
[0005]1、不能夠?qū)崿F(xiàn)抓取角度的調(diào)整與控制:在機(jī)器人實(shí)際爬墻的過(guò)程中，鉤尖與墻面間的角度對(duì)抓取穩(wěn)定性具有決定性影響。鉤尖與墻面間的角度與墻面的粗糙度，表面材料，表面潮濕程度等諸多因素相關(guān)，在機(jī)器人爬升過(guò)程中，需要對(duì)抓取角度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。
[0006]2、一方面現(xiàn)有變剛度的機(jī)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，加工制造困難；另一方面，變剛度是通過(guò)串聯(lián)一個(gè)剛度較大和一個(gè)剛度較小的彈簧實(shí)現(xiàn)的，在不同方向上的剛度特性變化較大，而鉤尖在尋找最佳抓取點(diǎn)的過(guò)程中，各個(gè)方向的微小幅度的位置和姿態(tài)的調(diào)整都是隨機(jī)的，這就要求鉤爪在各個(gè)方向的剛度特性基本一致，顯然現(xiàn)有的這種剛度特性不利于鉤尖尋找最佳抓取點(diǎn)。
[0007]3、鉤爪在尋找最佳抓取點(diǎn)過(guò)程中，僅能夠做垂直于墻面的平面運(yùn)動(dòng)(三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，分別為沿平面內(nèi)兩個(gè)方向的平動(dòng)和一個(gè)繞垂直于所在運(yùn)動(dòng)平面法線的轉(zhuǎn)動(dòng))，靈活性較差，不利于尋找最佳抓取點(diǎn)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008]本申請(qǐng)要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種抓取角度能根據(jù)需要實(shí)時(shí)調(diào)整，能靈活、快速尋找最佳抓取點(diǎn)且能產(chǎn)生較大抓取力的角度能調(diào)節(jié)的變剛度柔性鉤爪。
[0009]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本申請(qǐng)采用的技術(shù)方案是:
[0010]—種角度能調(diào)節(jié)的變剛度柔性鉤爪，包括能與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接的連接桿和與連接桿固定連接的支架，其特征在于:所述支架上設(shè)置有一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)，該連桿機(jī)構(gòu)上至少設(shè)置有一組鉤爪機(jī)構(gòu)；每組鉤爪機(jī)構(gòu)含有兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置在連桿機(jī)構(gòu)兩側(cè)的鉤爪；每個(gè)鉤爪均包括一個(gè)鉤尖，鉤尖中部外周同軸設(shè)置有一個(gè)頸形圓柱；頸形圓柱的外周同軸設(shè)置有一個(gè)變剛度柔性關(guān)節(jié)，變剛度柔性關(guān)節(jié)為圓環(huán)形狀，且縱截面呈弓形；變剛度柔性關(guān)節(jié)具有兩個(gè)弓形端部和一個(gè)弓形中部，且弓形端部的剛度小于弓形中部的剛度；兩個(gè)弓形端部均與頸形圓柱的頸形端部固定連接；所述支架上至少設(shè)置有兩個(gè)圓形通孔，弓形中部的凸面能與頸形圓柱的頸形凹部相配合，弓形中部的凹面與對(duì)應(yīng)的圓形通孔的內(nèi)側(cè)邊緣相卡合。
[0011]所述支架上設(shè)置有電動(dòng)缸，該電動(dòng)缸的活塞桿與連桿機(jī)構(gòu)左側(cè)的第一個(gè)鉸接孔相鉸接。
[0012]所述電動(dòng)缸中活塞桿的伸縮由伺服控制。
[0013]所述連桿機(jī)構(gòu)上除第一鉸接孔外的其余每個(gè)鉸接孔內(nèi)均設(shè)置有一根連接軸；每根連接軸的中間套裝有一根搖臂，搖臂的另一端與支架相鉸接；每根連接軸的兩端各設(shè)置有一塊鉤爪板，每塊鉤爪板的底部固定連接一個(gè)鉤尖。
[0014]每塊所述鉤爪板均能豎向滑移。
[0015]每根所述連接軸的兩端各設(shè)置有兩個(gè)擋片，兩個(gè)擋片之間形成一個(gè)第一卡槽；每塊鉤爪板均設(shè)置有一個(gè)能與第一卡槽相配合的豎向滑槽。
[0016]所述支架包括若干個(gè)相互連接的臺(tái)階板，每塊臺(tái)階板上設(shè)置有兩個(gè)圓形通孔。
[0017]所述連桿機(jī)構(gòu)為具有三個(gè)鉸接孔的一根連桿，臺(tái)階板有兩塊，連接軸和搖臂也各有兩個(gè)。
[0018]所述變剛度柔性關(guān)節(jié)的材料為橡膠或硅膠。
[0019]本申請(qǐng)采用上述結(jié)構(gòu)后，具有如下有益效果:
[0020]1.上述連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)置，能實(shí)時(shí)調(diào)整鉤尖與墻面局部法線間的夾角，且易形成機(jī)械自鎖，抓取穩(wěn)定性好。
[0021]2.上述變剛度柔性關(guān)節(jié)的設(shè)置，能使鉤尖在各個(gè)方向上靈活運(yùn)動(dòng)(理論上在空間6個(gè)自由度均可以運(yùn)動(dòng))，從而能夠快速地找到最佳抓取點(diǎn)，并有利于產(chǎn)生較大的抓取力。當(dāng)鉤尖尋找到最佳抓取點(diǎn)，與墻面建立起穩(wěn)定的抓取后，又可以產(chǎn)生較大的抓取力。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1顯示了本申請(qǐng)一種角度能調(diào)節(jié)的變剛度柔性鉤爪的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2顯示了本申請(qǐng)中支架的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3顯示了本申請(qǐng)中連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4顯示了本申請(qǐng)中鉤爪的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖5顯示了本申請(qǐng)中圖4中圓圈I區(qū)的放大示意圖；
[0027]圖6顯示了本申請(qǐng)中連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理圖；其中，該圖6中的箭頭表示電動(dòng)缸中活塞桿的運(yùn)動(dòng)方向，V代表活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度；
[0028]圖7顯不了本申請(qǐng)中電動(dòng)缸動(dòng)作后，鉤尖角度調(diào)整如后對(duì)比圖；其中，該圖7中虛線表示鉤尖角度調(diào)整前的示意圖，實(shí)線表示鉤尖角度調(diào)整后的示意圖；
[0029]圖8_a顯示了變剛度柔性關(guān)節(jié)中鉤尖與墻面接觸前的狀態(tài)；
[0030]圖8_b顯示了變剛度柔性關(guān)節(jié)中鉤尖與墻面接觸后，鉤尖尋找最佳抓取位置的示意圖；
[0031]圖8-c顯示了變剛度柔性關(guān)節(jié)中鉤尖在尋找到最佳抓取位置后，抓取動(dòng)作示意圖；
[0032]圖9-A表示鉤尖與墻面局部法線呈較大夾角a時(shí)的示意圖；
[0033]圖9-B表示鉤尖與墻面局部法線呈較小夾角al時(shí)的示意圖；
[0034]圖10顯示了本申請(qǐng)中鉤尖的變剛度特性曲線以及與現(xiàn)有技術(shù)的對(duì)比圖。
[0035]其中有:10.連接桿；20.支架；21.臺(tái)階板；211.圓形通孔；30.連桿機(jī)構(gòu)；31.鉸接孔；32.連接軸；33.搖臂；331.第一連接座；34.連桿；35.擋片；351.第一卡槽；36.電動(dòng)缸；361.第二連接座；362.活塞桿；40.鉤爪；41.鉤爪板；411.豎向滑槽；42.鉤尖；43.頸形圓柱；431.頸形端部；432.頸形凹部；44.第二卡槽；50.變剛度柔性關(guān)節(jié)；51.弓形端部；52.弓形中部；521.凸面；522.凹面；60.墻面；61.墻面局部法線。
[0036]另外，圖10中，SI表示現(xiàn)有技術(shù)中鉤尖的剛度曲線；S2表示本申請(qǐng)中鉤尖的變剛度特性曲線；另外，F(xiàn)表示抓取力，AL表示彈簧或變剛度柔性關(guān)節(jié)的變形量。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖和具體較佳實(shí)施方式對(duì)本申請(qǐng)作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0038]如圖1所示，一種角度能調(diào)節(jié)的變剛度柔性鉤爪，包括連接桿10、支架20、連桿機(jī)構(gòu)30、兩組鉤爪機(jī)構(gòu)和四個(gè)變剛度柔性關(guān)節(jié)50。作為替換，鉤爪機(jī)構(gòu)也可以為一組，三組或多組；同時(shí)，變剛度柔性關(guān)節(jié)50的數(shù)量也可以為兩個(gè)、六個(gè)或多個(gè)，均屬本申請(qǐng)的保護(hù)范圍。
[0039]上述連接桿10為現(xiàn)有技術(shù)，連接桿10的一端與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接，連接桿10的另一端與支架20固定連接。連接桿10能在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，進(jìn)行伸縮或旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)鉤爪機(jī)構(gòu)中的鉤爪進(jìn)行抓取或松開(kāi)，進(jìn)而使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效、安全的攀爬作業(yè)。
[0040]如圖2所示，上述支架20呈階梯形狀，優(yōu)選包括兩塊臺(tái)階板21，也可以為一塊、三塊或多塊。每塊臺(tái)階板21上均設(shè)置有兩個(gè)圓形通孔211。
[0041]如圖3和圖6所示，上述連桿機(jī)構(gòu)30的左側(cè)與電動(dòng)缸36的活塞桿362相