可變剛度仿生鉤爪機構及其鉤爪組件的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型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定、有效實現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域。
【背景技術】
[0002] 目前，爬升機器人已經廣泛應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，尚未出現較好的吸附方法。近 年來，國內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，鉤爪相當于小動物的腳爪。鉤爪與墻面的抓取力及穩定性受到鉤爪自身 結構、墻面的表面狀態、外部擾動載荷等諸多方面因素的影響，作用機理極其復雜。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，對機器人實現穩定、高效、安全的攀 爬作業具有決定性作用。
[0004] 一個抓取單元通常包含多個鉤爪，這些鉤爪通過固定架并聯裝配在一起，每個鉤 爪可以在一定的范圍內獨立運動。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，實現穩定的抓取。
[0005] 圖1公開了現有技術中一種鉤爪組件的結構簡圖，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'、第一轉動副106'、第二轉動副109'、限 位柱1110' ；當爪尖貼近墻面時，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，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運動，當圖示距離L0 被壓縮為〇時，爪尖向右側運動到達極限位置。
[0006] 由圖2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。這種結構的鉤爪具有近似的恒剛度 特性，結構簡單、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，表面狀態較 好的情況下應用很廣，但是存在以下不足：
[0007] 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 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小；
[0008] 2、爪尖與墻面凹凸特征間的作用力較為復雜，外部環境因素的擾動以及墻面自身 微觀結構強度的不確定性會導致爪尖與墻面脫離，采用該技術方案一旦鉤爪與墻面間的抓 取脫離，較難建立起二次抓取，導致抓取動作的穩定性下降，易引起機器人從墻面跌落的安 全事故；
[0009] 3、剛度調整范圍小、調整不便，制約了爬升機器人的適用范圍。 【實用新型內容】
[0010] 本實用新型針對上述問題，從結構仿生角度出發，通過對蟑螂、大黃蜂、甲蟲等小 動物腳爪結構和運動特征的研宄，設計了一種可變剛度仿生鉤爪組件；本實用新型所述鋼 爪組件的變剛度特性能夠極大提高爬升機器人抓取的穩定性，可提供更大的抓取力，能夠 適應更為復雜工作環境，具有更廣的應用范圍。
[0011] 為實現以上的技術目的，本實用新型將采取以下的技術方案：
[0012] 一種可變剛度仿生鉤爪組件，包括鉤爪安裝頭以及與鉤爪安裝頭彈性連接的鉤 爪；所述鉤爪包括微爪連接頭以及一個以上的微爪單元，每個微爪單元上均設置爪尖；各 微爪單元呈線狀依次串接，且位于端部的微爪單元的外側端面設置限位柱，相鄰的兩個微 爪單元之間、各微爪單元與微爪連接頭的相鄰端面之間均是彈性連接，同時鉤爪的各組成 部件之間的彈性連接剛度小于鉤爪與鉤爪安裝頭之間的彈性連接剛度；相鄰兩個微爪單元 之間還設置有活動連接頭。
[0013] 鉤爪通過第一彈性連接件與鉤爪安裝頭彈性連接；相鄰的兩個微爪單元之間通過 第二彈性連接件彈性連接；各微爪單元與微爪連接頭的相鄰端面之間通過第三彈性連接件 彈性連接；所述的第二彈性連接件、第三彈性連接件的彈性剛度均低于第一彈性連接件的 彈性剛度。
[0014] 所述鉤爪安裝頭以及微爪安裝頭均呈U形狀；所述U形微爪安裝頭置于U形鉤爪 安裝頭內；所述第一彈性連接件包括彈性連接件a、彈性連接件b，所述U形微爪安裝頭的封 閉端與U形鉤爪安裝頭的封閉端之間通過彈性連接件a連接，而U形微爪安裝頭的兩側臂， 分別與U形鉤爪安裝頭的兩側臂中相鄰的一個側臂通過彈性連接件b連接；所述第三彈性 連接件包括彈性連接件c、彈性連接件d，位于端部的微爪單元的外側端面通過彈性連接件 c與相鄰的U形微爪安裝頭側臂連接，每一個微爪單元均通過彈性連接件d與U形微爪安裝 頭的封閉端連接。
[0015] 彈性連接件a的彈性伸縮方向垂直于U形鉤爪安裝頭的封閉端，而彈性連接件b 的彈性伸縮方向則垂直于U形鉤爪安裝頭的側臂；彈性連接件c的彈性伸縮方向垂直于U 形微爪安裝頭的封閉端，而彈性連接件d的彈性伸縮方向則垂直于U形微爪安裝頭的側臂。
[0016] 本實用新型的另一技術目的是提供一種基于上述的可變剛度仿生鉤爪組件的鉤 爪機構，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，且鉤爪組件通過鉤爪安裝頭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。
[0017] 本實用新型具有剛度可變的特性，與現有技術相比，具有如下優點：1、可實現較大 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很差， 單個鉤爪的抓取動作很不穩定，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、剛度參數調整范圍大，且調整方便，這一特性對 于擴寬爬升機器人的適用環境大有裨益。
[0018] 本實用新型與現有技術相比，在抓取力及抓取穩定性方面具有明顯優勢，采用本 實用新型技術方案的爬升機器人不僅可以用于普通建筑物的檢測，還可應用于斜拉橋索塔 壁面檢測、偏遠山區高架橋墩檢測、高樓火災和地震災害廢墟中的生命搜尋工作，懸崖峭壁 的探索等。另外，還可以應用于對人體有強輻射的區域，如核反應堆壁面的檢查、大型變壓 站壁面的檢查等，具有較為廣闊的社會需求和應用價值。
【附圖說明】
[0019] 圖1是現有技術中一種鉤爪組件的結構簡圖；
[0020] 圖1中：爪尖101'、鉤爪主體102'、彈性連接件103'、連接架105'、第一轉動副 106'、第二轉動副109'、限位柱1110' ；
[0021] 圖2是圖1所述的鉤爪組件的力特性曲線圖；
[0022] 圖3是本實用新型所述鉤爪組件的結構示意圖（自由狀態）；
[0023] 圖4是本實用新型所述鉤爪機構的結構示意圖；
[0024] 圖5是本實用新型所述鉤爪組件的力特性曲線；
[0025] 圖6是本實用新型所述鉤爪組件的抓取動作原理圖(抓取狀態）；
[0026] 圖3-6中：鉤爪組件1 ;鉤爪安裝頭101 ;微爪連接頭102 ;微爪單元103 ;彈性連接 件cl04 ;彈性連接件dl05 ;第二彈性連接件106 ;彈性連接件bl07 ;彈性連接件al08 ;爪尖 109 ;活動連接頭110 ;限位柱111 ;定位安裝部112 ;固定架2 ;溝槽201。
【具體實施方式】
[0027] 附圖非限制性地公開了本實用新型所涉及優選實施例的結構示意圖；以下將結合 附圖詳細地說明本實用新型的技術方案。
[0028] 如圖3所示，本實用新型所述的鉤爪組件包括鉤爪安裝頭以及與鉤爪安裝頭彈性 連接的鉤爪；所述鉤爪包括微爪連接頭以及一個以上的微爪單元，每個微爪單元上均設置 爪尖；各微爪單元呈線狀依次串接，且位于端部的微爪單元的外側端面設置限位柱，相鄰的 兩個微爪單元之間、各微爪單元與微爪連接頭的相鄰端面之間均是彈性連接，同時鉤爪的 各組成部件之間的彈性連接剛度小于鉤爪與鉤爪安裝頭之間的彈性連接剛度；相鄰兩個微 爪單元之間還設置有活動連接頭；鉤爪通過第一彈性連接件與鉤爪安裝頭彈性連接；相鄰 的兩個微爪單元之間通過第二彈性連接件彈性連接；各微爪單