可变刚度仿生钩爪机构及其钩爪组件的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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L0 被压缩为〇时，爪尖向右侧运动到达极限位置。
[0006] 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：
[0007] 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；
[0008] 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；
[0009] 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】
[0010] 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宄，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。
[0011] 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：
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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】
[0019] 图1是现有技术中一种钩爪组件的结构简图；
[0020] 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' ；
[0021] 图2是图1所述的钩爪组件的力特性曲线图；
[0022] 图3是本实用新型所述钩爪组件的结构示意图（自由状态）；
[0023] 图4是本实用新型所述钩爪机构的结构示意图；
[0024] 图5是本实用新型所述钩爪组件的力特性曲线；
[0025] 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）；
[0026] 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cl04 ;弹性连接件dl05 ;第二弹性连接件106 ;弹性连接件bl07 ;弹性连接件al08 ;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】
[0027] 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。
[0028] 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