一种屈膝触发的弹簧拉索式仿生爪协同抓握方法技术

本发明专利技术公开了一种屈膝触发的弹簧拉索式仿生爪协同抓握方法，基于仿生爪抓握本体机构，包括：根据搭载飞行器的结构特征，设计基于屈膝触发机制和棘轮锁紧机制的仿生爪协同抓握机构；建立弹簧拉索驱动方式和拉索联动机制，确定仿生爪协同抓握机构的抓握驱动机构；建立仿生爪协同优化模型，优化仿生爪协同抓握机构参数；通过协同控制策略控制仿生爪协同抓握机构的抓握。与现有技术相比，本发明专利技术可保证抓握触发的实时性，能在强冲击条件下实现持续抓握，有助于提升飞行器具备对动静态目标的捕获能力以及在不规则物面的栖息着陆能力，可广泛搭载于各类飞行器。泛搭载于各类飞行器。泛搭载于各类飞行器。

【技术实现步骤摘要】
一种屈膝触发的弹簧拉索式仿生爪协同抓握方法


[0001]本专利技术涉及机械爪
，尤其涉及一种屈膝触发的弹簧拉索式仿生爪协同抓握方法。

技术介绍

[0002]机械爪是一种爪状外形的机械装置，能模仿生物体的动作过程自动抓取、移动物体或操作工具，目前已在工业制造、手术医疗、太空探索等领域得到了广泛的应用。
[0003]随着使用场景的多样化和执行任务的复杂化，目前机械爪的简单抓握已难以满足实际需要，多机械爪协同抓握技术逐渐受到关注，特别是模仿鸟类栖息和捕食方式的双爪协同抓握技术。例如在现有各类飞行器上加装一对机械爪，通过目标自主识别触发抓握，便具备了对动静态目标的捕获能力以及在不规则物面的栖息着陆能力，可以极大地丰富飞行器的应用场景、放宽其降落条件、节约悬停能量消耗进而提升续航时间；若是用于丛林等特殊环境，也能显著增强飞行器的隐蔽性。因此，研究一种原理简单可靠、可辅助各类飞行器实现自主抓握的机械爪协同技术具有重要意义。
[0004]虽然机械爪协同抓握思想很直观，但在实际运用于各类飞行器时却仍面临诸多挑战，涉及到机械爪与飞行器的配合安装、机械爪抓握驱动设计等一系列问题。近来，专利CN 116495230A公开了一种腿爪机构及基于四旋翼无人机的仿生机械腿爪装置。该腿爪机构仅在底板处利用棘轮锁紧，膝关节无锁紧装置，髋关节处无法转动以主动对准目标；该仿生机械腿爪装置仅基于四旋翼无人机进行设计，未考虑固定翼或扑翼类飞行器与仿生脚爪的配合问题。总的来说，目前双机械爪用于飞行器着陆和抓取时存在的局限性主要体现在三个方面：
[0005]其一，抓握触发的实时性难以保证。目前抓握触发方式多依赖于外部控制信号，由于外部控制信号的生成往往基于对视觉等信息的处理，使得抓握触发会有一定的延迟，难以保证机械爪及时抓握，甚至导致飞行器错失目标捕获时机或稳定降落窗口；
[0006]其二，难以在强冲击条件下实现持续抓握。飞行器在实施捕获或降落时，与接触面的强冲击能量无法快速吸释，会使得机械爪的结构受到不同程度的损伤，同时由于能量的冲击使得飞行器不能持续抓握目标，影响目标捕获或降落过程的顺利进行；
[0007]其三，难以确定双爪的最优抓握驱动参数。抓握驱动参数(如驱动机构尺寸、驱动部件选型)决定抓握能力，不同飞行器在着陆时或不同目标在被抓取时所需双机械爪的抓握力各异，使得根据抓握力包络确定双爪最优的抓握驱动参数变得困难。

技术实现思路

[0008]针对上述双机械爪用于飞行器着陆和抓取时存在的局限性问题，本专利技术提供了一种屈膝触发的弹簧拉索式仿生爪协同抓握方法，可用于不同类型飞行器搭载的机械爪，能提供动静态目标捕获和不规则表面栖息着陆能力。
[0009]实现本专利技术目的的技术解决方案为：
[0010]一种屈膝触发的弹簧拉索式仿生爪协同抓握方法，基于仿生爪抓握本体机构，包括以下步骤：
[0011]根据搭载飞行器的结构特征，设计基于屈膝触发机制和棘轮锁紧机制的仿生爪协同抓握机构；
[0012]建立弹簧拉索驱动方式和拉索联动机制，确定仿生爪协同抓握机构的抓握驱动机构；
[0013]建立仿生爪协同优化模型，优化仿生爪协同抓握机构参数；
[0014]通过协同控制策略控制仿生爪协同抓握机构的抓握。
[0015]进一步地，所述仿生爪抓握本体机构包括脚爪、踝关节、小腿筋骨、大腿筋骨、仿生爪底板、髋关节、大腿、膝关节和小腿，所述脚爪和踝关节为一体，与小腿和小腿筋骨连接，小腿和小腿筋骨通过膝关节与大腿、大腿筋骨可折叠连接，大腿和大腿筋骨的另一端与髋关节连接，髋关节与仿生爪底板下方转动连接；所述踝关节、膝关节和髋关节均采用套筒进行固定，在套筒中安装螺栓与腿部连接。
[0016]进一步地，所述脚爪采用三指前、一指后的爪类型分布，每根分爪由爪趾尖、爪远端趾骨、爪中端趾骨、爪近端趾骨以及爪根骨依次相连组成。
[0017]进一步地，所述设计包含屈膝触发机制和棘轮锁紧机制的仿生爪抓握结构具体包括：在膝关节处安装棘轮锁紧装置，将皮筋一端和膝关节连接，另一端和棘轮锁紧装置连接，通过皮筋的作用，在腿部折叠后，棘轮锁紧装置快速锁紧，使腿部无法回弹，在仿生爪底板下表面设置滑槽、屈膝触发滑块、屈膝触发皮筋和屈膝触发卡扣，屈膝触发滑块安装在滑槽内，屈膝触发卡扣通过销轴安装滑槽侧，屈膝触发皮筋连接滑槽的两侧，其中一端与屈膝触发卡扣连接，通过屈膝触发皮筋将屈膝触发卡扣束缚住，保证卡扣初始状态是卡死的状态，屈膝触发卡扣受力才可以克服屈膝触发皮筋的力，卡扣解锁，将屈膝触发滑块释放。
[0018]进一步地，建立弹簧拉索驱动方式和拉索联动机制，确定仿生爪协同抓握机的抓握驱动机构具体为：抓握驱动机构包括电机、舵机、第一拉索、第二拉索、第三拉索、第四拉索、主弹簧和副弹簧，所述主弹簧安装在仿生爪底板下表面，所述副弹簧安装在小腿的中间位置，所述第一拉索包括多段，第一段第一拉索从电机输出轴出发，与主弹簧一端连接，第二段第一拉索分别与主弹簧另一端、屈膝触发滑块一端连接，第三段第一拉索一端与屈膝触发滑块另一端连接，其另一端沿大腿、绕棘轮锁紧装置直至副弹簧一端，第四段第一拉索一端与副弹簧另一端连接，第四段第一拉索另一端分散连接至脚爪的各分支；所述第三拉索从电机输出轴出发，与第一拉索的缠绕方向相反，且在髋关节销轴处绷紧，又绕固定轴拐弯折回与第三段第一拉索相连接，第四拉索一端与第三拉索在第三拉索折回拐弯出口处相连接，另一端绕膝关节折回在大腿处与第二拉索相连接，在膝关节处与棘轮锁紧装置固定连接，第二拉索一端与第四拉索相连接，另一端与屈膝触发卡扣连接，控制屈膝触发卡扣将屈膝触发滑块卡死或释放；所述舵机与髋关节连接，用于控制髋关节的扭转。
[0019]进一步地，所述抓握驱动机构驱动仿生爪协同抓握时包括抓握屈膝前、抓握屈膝后和松释三个阶段，其中：
[0020]抓握屈膝前阶段：电机做功，第一拉索收紧，第三拉索放松，此时屈膝触发卡扣将屈膝触发滑块卡死；第二拉索受屈膝触发皮筋的作用，处于绷紧状态；第二拉索与第四拉索相连接，第四拉索也绷紧，第四拉索克服棘轮锁紧装置处皮筋拉力，棘轮未锁紧；
[0021]抓握屈膝后阶段：第二拉索拉长，屈膝触发卡扣弹开，屈膝触发滑块滑动，主弹簧能量传递至副弹簧；滑块连接的第一拉索和第三拉索接头回缩；第四拉索和第三拉索的接头点下移，第四拉索松弛，无法克服棘轮锁紧装置处皮筋的拉力，棘轮锁紧装置锁紧；
[0022]松释阶段：电机倒转，第一拉索放松，第三拉索收紧；屈膝触发滑块复位，屈膝触发卡扣复位将其卡死；第四拉索和第三拉索接头上移，两根拉索同时收紧；第四拉索绑定的棘轮锁紧装置释放，腿部可再次伸展。
[0023]进一步地，所述第一拉索、第二拉索、第三拉索、第四拉索采用单根尼龙绳。
[0024]进一步地，所述仿生爪协同优化模型为：
[0025][0026][0027]上式中：分别表示两个脚爪的主弹簧和副弹簧的相对位移；分别表示两个脚爪的主弹簧和副弹簧的相对位移；分别表示两个脚爪的主弹本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种屈膝触发的弹簧拉索式仿生爪协同抓握方法，基于仿生爪抓握本体机构，其特征在于，包括以下步骤：根据搭载飞行器的结构特征，设计基于屈膝触发机制和棘轮锁紧机制的仿生爪协同抓握机构；建立弹簧拉索驱动方式和拉索联动机制，确定仿生爪协同抓握机构的抓握驱动机构；建立仿生爪协同优化模型，优化仿生爪协同抓握机构参数；通过协同控制策略控制仿生爪协同抓握机构的抓握。2.根据权利要求1所述的屈膝触发的弹簧拉索式仿生爪协同抓握方法，其特征在于，所述仿生爪抓握本体机构包括脚爪(01)、踝关节(02)、小腿筋骨(03)、大腿筋骨(04)、仿生爪底板(05)、髋关节(07)、大腿(08)、膝关节(10)和小腿(11)，所述脚爪(01)和踝关节(02)为一体，与小腿(11)和小腿筋骨(03)连接，小腿(11)和小腿筋骨(03)通过膝关节(10)与大腿(08)、大腿筋骨(04)可折叠连接，大腿(08)和大腿筋骨(04)的另一端与髋关节(07)连接，髋关节(07)与仿生爪底板(05)下方转动连接；所述踝关节(02)、膝关节(10)和髋关节(07)均采用套筒进行固定，在套筒中安装螺栓与腿部连接。3.根据权利要求2所述的屈膝触发的弹簧拉索式仿生爪协同抓握方法，其特征在于，所述脚爪(01)采用三指前、一指后的爪类型分布，每根分爪由爪趾尖(12)、爪远端趾骨(13)、爪中端趾骨(14)、爪近端趾骨(15)以及爪根骨(16)依次相连组成。4.根据权利要求2所述的屈膝触发的弹簧拉索式仿生爪协同抓握方法，其特征在于，所述设计包含屈膝触发机制和棘轮锁紧机制的仿生爪抓握结构具体包括：在膝关节(10)处安装棘轮锁紧装置(09)，将皮筋(23)一端和膝关节(10)连接，另一端和棘轮锁紧装置(09)连接，通过皮筋(23)的作用，在腿部折叠后，棘轮锁紧装置(09)锁紧，使腿部无法回弹，在仿生爪底板(05)下表面设置滑槽、屈膝触发滑块(22)、屈膝触发皮筋(29)和屈膝触发卡扣(06)，屈膝触发滑块(22)安装在滑槽内，屈膝触发卡扣(06)通过销轴安装滑槽侧，屈膝触发皮筋(29)连接滑槽的两侧，其中一端与屈膝触发卡扣(06)连接，将屈膝触发滑块(22)卡死或释放。5.根据权利要求4所述的屈膝触发的弹簧拉索式仿生爪协同抓握方法，其特征在于，建立弹簧拉索驱动方式和拉索联动机制，确定仿生爪协同抓握机的抓握驱动机构具体为：抓握驱动机构包括电机(28)、舵机、第一拉索(24)、第二拉索(25)、第三拉索(26)、第四拉索(27)、主弹簧(20)和副弹簧(21)，所述主弹簧(20)安装在仿生爪底板(05)下表面，所述副弹簧(21)安装在小腿(11)的中间位置，所述第一拉索(24)包括多段，第一段第一拉索(24)从电机(28)输出轴出发，与主弹簧(20)一端连接，第二段第一拉索(24)分别与主弹簧(20)另一端、屈膝触发滑块(22)一端连接，第三段第一拉索(24)一端与屈膝触发滑块(22)另一端连接，其另一端沿大腿(08)、绕棘轮锁紧装置(09)直至副弹簧(21)一端，第四段第一拉索(24)一端与副弹簧(21)另一端连接，第四段第一拉索(24)另一端分散连接至脚爪(01)的各分支；所述第三拉索(26)从电机(28)输出轴出发，与第一拉...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆宇，陈炳荣，孙瑞胜，李想，白奕杰，游勇安，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：