全文摘要
本实用新型公开一种仿尺蠖钩爪式末端夹持器，包括驱动模块、弹性躯体以及钩爪模块。驱动模块由SMA弹簧构成，为整个夹持器提供驱动力；弹性躯体为夹持器提供变形能力和一定的自回复能力；钩爪模块由两个微爪单元组成，微爪单元包括扭簧钩子、紫铜管和圆形PCB薄板，对称分布弹性躯体的两端，每个微爪单元设有3个独立的扭簧钩子，爪尖外漏，爪根部分固结在铜管上。驱动模块和钩爪模块共同组成了整个夹持器的内部骨架。本仿生软体夹持器结构紧凑，自重轻，弹性基体能够实现适应物体多变的几何形状而夹持；而且能提供自身20倍的夹持力，抓取性能稳定，抗外力较强。若安装在微小型软体模块末端，有助于机器人实现复杂环境的攀爬和抓取等作业。
主设计要求
1.一种仿尺蠖钩爪式末端夹持器，其特征在于，包括用于夹住物件的夹持模块、驱动夹持模块工作的驱动模块、以及用于驱动夹持模块复位的弹性躯体模块；所述夹持模块设为两组，对称设置在驱动模块的两侧；所述驱动模块位于夹持模块之间，其两端分别与夹持模块固定连接，共同构成夹持器的内部骨架，并驱动夹持模块相向运动；所述弹性躯体模块的两端分别与夹持模块固定连接，驱动夹持模块相背运动；所述驱动模块包括用于产生驱动力的形状记忆合金弹簧、用于安装夹持模块的连接块、以及用于连接外部供电装置的PCB板；所述PCB板设为圆环状，套入连接块中并固定在中部位置；所述形状记忆合金弹簧的两端分别与两侧的PCB板固定连接并保持电气连通；所述PCB板上还设有电气接口；所述电气接口通过导线与外部供电装置实现电气连通：所述夹持模块包括至少一个扭簧钩子；所述扭簧钩子的一端盘绕在连接块上并与连接块固定连接，另一端向外延伸并形成钩状。
设计方案
1.一种仿尺蠖钩爪式末端夹持器，其特征在于，包括用于夹住物件的夹持模块、驱动夹持模块工作的驱动模块、以及用于驱动夹持模块复位的弹性躯体模块；所述夹持模块设为两组，对称设置在驱动模块的两侧；所述驱动模块位于夹持模块之间，其两端分别与夹持模块固定连接，共同构成夹持器的内部骨架，并驱动夹持模块相向运动；所述弹性躯体模块的两端分别与夹持模块固定连接，驱动夹持模块相背运动；
所述驱动模块包括用于产生驱动力的形状记忆合金弹簧、用于安装夹持模块的连接块、以及用于连接外部供电装置的PCB板；所述PCB板设为圆环状，套入连接块中并固定在中部位置；所述形状记忆合金弹簧的两端分别与两侧的PCB板固定连接并保持电气连通；所述PCB板上还设有电气接口；所述电气接口通过导线与外部供电装置实现电气连通：
所述夹持模块包括至少一个扭簧钩子；所述扭簧钩子的一端盘绕在连接块上并与连接块固定连接，另一端向外延伸并形成钩状。
2.根据权利要求1所述的仿尺蠖钩爪式末端夹持器，其特征在于，所述弹性躯体模块包括用于撑开两边的夹持模块的弹簧薄片；所述弹簧薄片的两端分别与两侧的连接块固定连接。
3.根据权利要求2所述的仿尺蠖钩爪式末端夹持器，其特征在于，所述弹性躯体模块还包括弹性部；所述弹性部采用硅橡胶材质或硅胶材质制成，通过浇铸方式将内部骨架和弹簧薄片全部或部分包裹。
4.根据权利要求1所述的仿尺蠖钩爪式末端夹持器，其特征在于，所述扭簧钩子设为三个，分别并列、间隔地分布在PCB板的两侧；所述扭簧钩子之间的间距设为8毫米。
5.根据权利要求1所述的仿尺蠖钩爪式末端夹持器，其特征在于，所述连接块采用圆管结构。
6.根据权利要求1所述的仿尺蠖钩爪式末端夹持器，其特征在于，所述连接块采用紫铜材料制成。
7.根据权利要求1所述的仿尺蠖钩爪式末端夹持器，其特征在于，所述形状记忆合金弹簧的数量设为一根或若干根。
8.根据权利要求1所述的仿尺蠖钩爪式末端夹持器，其特征在于，所述驱动模块与夹持模块之间、所述扭簧钩子与连接块之间、所述PCB板与连接块之间均通过焊接固定。
9.根据权利要求1所述的仿尺蠖钩爪式末端夹持器，其特征在于，所述形状记忆合金弹簧采用镍钛合金材料制成；所述扭簧钩子采用镀镍的弹簧钢制成；所述PCB板采用型号为FR-4的材料制成。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及智能仿生机器人技术领域，尤其涉及一种形状记忆合金弹簧驱动的软体仿生钩爪，可安装在微型机器人末端，辅助其在表面粗糙的复杂环境(如岩石壁面，树木表面)中的攀爬或抓取。
背景技术
目前，常规的吸附方式有磁吸附、负压吸附、黏附和分子吸附等。将其应用于仿生攀爬机器人，可在光滑壁面和简单的几何环境中进行作业。而对于一些粗糙的壁面和多灰尘的树木表面，这些吸附方式效果不佳，而且用这些吸附方式的末端装置结构复杂，体积大，降低了机器人的灵活性。
虽然目前已有基于形状记忆合金的驱动的钩爪式夹持器，但它们输出的夹持力小，或结构复杂，或制造难度大且成本高，而难以满足构建灵活轻巧的微型机器人，适应更复杂的攀爬环境和抓取应用。因此，有必要开发结构紧凑性能优异的钩爪式夹持器，用于辅助微型软体机器人的攀爬和抓取工作。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构轻巧紧凑、控制简单、抓取适应性和可靠性强的仿尺蠖钩爪式软体夹持器，旨在辅助仿生软体攀爬机器人应用的实现。
本实用新型的目的通过下述技术方案实现：
一种仿尺蠖钩爪式末端夹持器，该夹持器主要包括用于夹住物件的夹持模块、驱动夹持模块工作的驱动模块、以及用于驱动夹持模块复位的弹性躯体模块。所述夹持模块设为两组，对称设置在驱动模块的两侧。所述驱动模块位于夹持模块之间，其两端分别与夹持模块固定连接，共同构成夹持器的内部骨架，并驱动夹持模块相向运动。所述弹性躯体模块的两端分别与夹持模块固定连接，驱动夹持模块相背运动。
具体的，所述驱动模块包括用于产生驱动力的形状记忆合金弹簧、用于安装夹持模块的连接块、以及用于连接外部供电装置的PCB板。所述PCB板设为圆环状，套入连接块中并固定在中部位置。所述形状记忆合金弹簧的两端分别与两侧的PCB板固定连接并保持电气连通。所述PCB板上还设有电气接口。所述电气接口通过导线与外部供电装置实现电气连通。
具体的，所述夹持模块包括至少一个扭簧钩子。所述扭簧钩子的一端盘绕在连接块上并与连接块固定连接，另一端向外延伸并形成钩状。
具体的，所述弹性躯体模块包括用于撑开两边的夹持模块的弹簧薄片。所述弹簧薄片的两端分别与两侧的连接块固定连接。
具体的，所述弹性躯体模块还包括弹性部。所述弹性部采用硅橡胶材质或硅胶材质制成，通过浇铸方式将内部骨架和弹簧薄片全部或部分包裹。
作为本实用新型的优选方案，为了增强夹持器对物件的夹持效果，本实用新型所述扭簧钩子设为三个，分别并列、间隔地分布在PCB板的两侧。所述扭簧钩子之间的间距设为8毫米。
作为本实用新型的优选方案，为了便于PCB板、扭簧钩子的安装和固定，本实用新型所述连接块采用圆管结构。
作为本实用新型的优选方案，所述连接块采用具有坚固、耐用、耐腐蚀的紫铜材料制成。
作为本实用新型的优选方案，为了进一步提高夹持器的抓取效果，本实用新型所述形状记忆合金弹簧的数量设为一根或若干根。
作为本实用新型的优选方案，为了增强部件之间的连接牢固性，提高连接的可靠程度，本实用新型所述驱动模块与夹持模块之间、所述扭簧钩子与连接块之间、所述PCB板与连接块之间均通过焊接固定。
作为本实用新型的优选方案，所述形状记忆合金线圈采用镍钛合金材料制成。所述扭簧钩子采用镀镍的弹簧钢制成。所述PCB板采用型号为FR-4的材料制成。
本专利所提出的仿尺蠖钩爪式软体夹持器是通过SMA弹簧带动爪尖对粗糙物体的抓取动作来进行附着，其作用原理类似于爬行昆虫通过肌肉驱动自身钩爪，在复杂环境中附着的原理。形状记忆合金(SMA)是一种体积小、作用力大、控制简便的智能材料，尤为适用于驱动软体机器人。
本实用新型的工作过程和原理是：本实用新型通过采用双程形状记忆合金弹簧驱动器，驱动两边的钩爪进行开合，抓取和放开被抓物体。同时，每个相邻钩爪之间能进行独立扭动，当其中一个爪子与物体表面上的微凸峰或凹谷形成机械贴合后，其他未碰到壁面的钩爪仍然能继续保持当前状态运动，寻找表面附着点。通过SMA收缩和回复的交替作用，使得本实用新型技术方案的仿尺蠖攀钩爪夹持器能够抓取不同的目标物体以及使软体攀爬机器人稳定的附着各种表面。本实用新型还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。
与现有技术相比，本实用新型还具有以下优点：
(1)本实用新型所提供的仿尺蠖钩爪式末端夹持器具有结构紧凑，驱动简便的特点。采用SMA弹簧为驱动，弹性基体作支撑和复位，较传统刚体夹持器的结构与驱动大为简化。
(2)本实用新型所提供的仿尺蠖钩爪式末端夹持器具有控制简单的优点：本实用新型的仿尺蠖钩爪式软体夹持器中，位于正中间的SMA驱动弹簧只需要通入合适的电流，即可完成夹持器的闭合；断电则张开，回复初始记忆长度。
(3)本实用新型所提供的仿尺蠖钩爪式末端夹持器具有抓取可靠的优点：SMA线圈克服弹性躯体的阻力之后，产生的驱动力可达3.5N，是整个夹持器自身重量的20倍(自重16.6g)，能够支撑机器人以不同姿态附着在粗糙的树木表面，且完成相应的操作任务，保证工作过程的可靠性。
(4)本实用新型所提供的仿尺蠖钩爪式末端夹持器还具有适应性强的优点：本实用新型技术方案的钩爪式夹持器通过驱动模块、弹性躯体以及钩爪模块配合运动，可以适用于树木、岩石等粗糙的环境进行攀爬等动作，因此具有较强的适用性。
附图说明
图1是本实用新型所提供的仿尺蠖钩爪式末端夹持器的立体图。
图2是本实用新型所提供的仿尺蠖钩爪式末端夹持器的内部结构示意图。
图3是本实用新型所提供的仿尺蠖钩爪式末端夹持器的爆炸图。
上述附图中的标号说明：
1-形状记忆合金弹簧，2-连接块，3-扭簧钩子，4-弹簧薄片，5-弹性部，6-PCB板。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型作进一步说明。
实施例1：
如图1、图2和图3所示，本实施例公开了一种仿尺蠖钩爪式末端夹持器，该夹持器主要包括用于夹住物件的夹持模块、驱动夹持模块工作的驱动模块、以及用于驱动夹持模块复位的弹性躯体模块。所述夹持模块设为两组，对称设置在驱动模块的两侧。所述驱动模块位于夹持模块之间，其两端分别与夹持模块固定连接，共同构成夹持器的内部骨架，并驱动夹持模块相向运动。所述弹性躯体模块的两端分别与夹持模块固定连接，驱动夹持模块相背运动。
具体的，所述驱动模块包括用于产生驱动力的形状记忆合金弹簧1、用于安装夹持模块的连接块2、以及用于连接外部供电装置的PCB板6。所述PCB板6设为圆环状，套入连接块2中并固定在中部位置。所述形状记忆合金弹簧1的两端分别与两侧的PCB板6固定连接并保持电气连通。所述PCB板6上还设有电气接口。所述电气接口通过导线与外部供电装置实现电气连通。
具体的，所述夹持模块包括至少一个扭簧钩子3。所述扭簧钩子3的一端盘绕在连接块2上并与连接块2固定连接，另一端向外延伸并形成钩状。
具体的，所述弹性躯体模块包括用于撑开两边的夹持模块的弹簧薄片4。所述弹簧薄片4的两端分别与两侧的连接块2固定连接。
具体的，所述弹性躯体模块还包括弹性部5。所述弹性部5采用硅橡胶材质或硅胶材质制成，通过浇铸方式将内部骨架和弹簧薄片4全部或部分包裹。
作为本实用新型的优选方案，为了增强夹持器对物件的夹持效果，本实用新型所述扭簧钩子3设为三个，分别并列、间隔地分布在PCB板6的两侧。所述扭簧钩子3之间的间距设为8毫米。
作为本实用新型的优选方案，为了便于PCB板6、扭簧钩子3的安装和固定，本实用新型所述连接块2采用圆管结构。
作为本实用新型的优选方案，所述连接块2采用具有坚固、耐用、耐腐蚀的紫铜材料制成。
作为本实用新型的优选方案，为了进一步提高夹持器的抓取效果，本实用新型所述形状记忆合金弹簧1的数量设为一根或若干根。
作为本实用新型的优选方案，为了增强部件之间的连接牢固性，提高连接的可靠程度，本实用新型所述驱动模块与夹持模块之间、所述扭簧钩子3与连接块2之间、所述PCB板6与连接块2之间均通过焊接固定。
作为本实用新型的优选方案，所述形状记忆合金线圈采用镍钛合金材料制成。所述扭簧钩子3采用镀镍的弹簧钢制成。所述PCB板6采用型号为FR-4的材料制成。
本专利所提出的仿尺蠖钩爪式软体夹持器是通过SMA弹簧带动爪尖对粗糙物体的抓取动作来进行附着，其作用原理类似于爬行昆虫通过肌肉驱动自身钩爪，在复杂环境中附着的原理。形状记忆合金(SMA)是一种体积小、作用力大、控制简便的智能材料，尤为适用于驱动软体机器人。
本实用新型的工作过程和原理是：本实用新型通过采用双程形状记忆合金弹簧1驱动器，驱动两边的钩爪进行开合，抓取和放开被抓物体。同时，每个相邻钩爪之间能进行独立扭动，当其中一个爪子与物体表面上的微凸峰或凹谷形成机械贴合后，其他未碰到壁面的钩爪仍然能继续保持当前状态运动，寻找表面附着点。通过SMA收缩和回复的交替作用，使得本实用新型技术方案的仿尺蠖攀钩爪夹持器能够抓取不同的目标物体以及使软体攀爬机器人稳定的附着各种表面。本实用新型还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。
实施例2：
本实施例公开了本实用新型提出一种仿尺蠖钩爪式的末端夹持器。
请参见图1至图3，在本实用新型实施例中，仿尺蠖钩爪式末端夹持器驱动包括设置于中间的SMA驱动模块1，钩爪模块中的紫铜管2、扭簧钩子3和PCB固定板6，以及弹性躯体中的弹簧薄片4和硅橡胶5(Ecoflex、M4601)。1由单根(或多根)SMA(形状记忆合金)弹簧构成，为整个夹持器提供驱动力；4则由弹簧薄片折弯而成，5则由Ecoflex(硅橡胶)经过特定的比例配置，凝结成型，两者共同为夹持器提供变形能力和一定的自回复能力；钩爪模块由两个微爪单元组成，微爪单元包括紫铜管2、扭簧钩子3和圆形PCB薄板6，对称分布弹性躯体的两端，每个微爪单元设有三个独立的扭簧钩子。
本实用新型实例中，SMA驱动模块1的两端分别穿过PCB圆形薄板6的侧孔中，与PCB薄板焊接在一起；圆形PCB薄板5则利用中间的圆孔，布置在紫铜管2的正中间，焊接在紫铜管2上。焊接的方式比缠绕的固定方式要可靠稳定，不容易因脱落而导致线路接触不良。
本实用新型实例中，扭簧钩子3等间距穿入紫铜管，每边三个钩子，每个钩子之间的距离是8mm，一共六个钩子，以焊接的方式连接。同时，给SMA驱动模块5供电的漆包线一端焊接在SMA两端，另一端空出等待与接电源装置。这样，夹持器的核心驱动骨架形成了。
本实用新型实例中，弹簧薄片4和硅橡胶Ecoflex5包裹住驱动骨架，以浇铸的形式与驱动骨架连接，静置凝固。
本实用新型实例中，由于形状记忆合金SMA具有加热收缩、冷却回复的特性，因此向形状记忆合金线圈1进行通电，使得形状记忆合金线圈1内部受热以进行收缩，驱动夹持器沿着SMA线圈1的轴向方向运动，夹持器闭合，抓住目标物体；断电之后，由于SMA线圈1的自回复特性，加上弹簧薄片4和硅橡胶5的共同作用，夹持器张开，放开目标物体，回复到初始状态。
本实用新型实例中，扭簧钩子利用其扭转的特性，在接触到物体后，能够发生柔性变形。每个钩子都能独立运动，这样整个夹持器在抓取物体的过程中，具备较强的适应能力。
相对于现有的技术，本实用新型实例的仿尺蠖钩爪式末端夹持器通过扭簧钩子3的柔性设计以及SMA线圈1的简单驱动装置，即可实现尺蠖前足那样小巧灵活的附着。
请参见图3，本实例中的形状记忆合金线圈1的材质为镍钛合金，紫铜管2的材质为铜，扭簧钩子3的材质为镀镍的弹簧钢，弹性躯体4和5的材质分别为弹簧钢和硅橡胶，PCB圆形薄板6的材料为FR-4，是一种性能优异的无机非金属材料，绝缘性好，机械强度高。
需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各棒状物之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920103322.7
申请日:2019-01-22
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:81(广州)
授权编号:CN209831643U
授权时间:20191224
主分类号:B25J9/10
专利分类号:B25J9/10
范畴分类:40E;
申请人:广东工业大学
第一申请人:广东工业大学
申请人地址:510062 广东省广州市大学城外环西路100号
发明人:管贻生;苏满佳;黄东煜;谢荣臻;李明军
第一发明人:管贻生
当前权利人:广东工业大学
代理人:江金城;杨晓松
代理机构:44329
代理机构编号:广东广信君达律师事务所 44329
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计