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攀爬机器人的自适应微型抓手的设计
摘要：
在本文中，提出了一种新的自适应微型抓爪的机械设计。这款小型抓手由于其自适应结构，可以将其自身固定在各种直径不同的树木上，甚至可以附着在一些具有凹凸不平的粗糙表面上。蜗轮蜗杆设计将其自身固定在表面上时可实现自锁能力，防止其掉落。此外，蜗轮的自锁性能也有助于节能，抓具的运动全部起作用，这也提高了抓具的稳定性。结构为55mm*55mm *47mm,这对于这种抓手的广泛使用也是一个优势。更重要的是，这款自适应迷你抓手重79克，但可以承受1700克的重量，超过自身重量的21.5倍。另外，抓具的小型化有助于攀爬机器人的小型化，并且可以以小得多的尺寸完成更多的工作和实际使用。
·1.介绍
在过去的几年中，攀爬机器人一直是一个活跃而热门的话题，并且在攀爬机器人中提出了许多不同的方法[1]，[2]，[7]，[15]。攀爬机器人的最大挑战之一是如何使机器人附着在表面上而不会掉落。已经实现了许多创新的方法来在平坦和光滑的结构上工作，例如垂直墙和玻璃窗。这些方法包括抽吸[8]，弹性粘合[7]，原纤维粘合[4]，[6]，磁吸力[9]，电粘合[5]甚至气动方案[10]和类似昆虫的设计[3]。但是这些方法并不是很能攀登弯曲的表面，尤其是在有一些凹凸不平的地方，例如树木。已经设计了一些爬树机器人，例如WOODY [2]，RiSE [15 ]Treebot [1]等。WOODY [2]的工作原理是用手臂拥抱树木，因此手臂的大小与树木的直径成正比。上升[ 15 ]是一个仿生机器人，它从昆虫身上学到东西，用六只脚进行操纵。Rise的大小与树木无关，但是控件非常复杂。[1]中设计的Treebot 非常创新。这款Treebot具有很高的机动性，其全向抓爪的特殊设计使其可以适应各种不同的表面。然而，抓具的固定形状和在两个连杆机构处通过扁平螺旋弹簧实现的抓具抓握运动[11]，[12]削弱了其稳定性。除了微脊柱手掌[13]，它还可以在陡峭的岩石和粗糙的表面上攀爬时达到良好的性能。但是它不能在弯曲的表面上操作，并且带轮和牛筋的设计不容易组装和制造。
在本文中，提出了一种新型的自适应微型抓爪的机械设计。这种新颖的自适应机械结构大大提高了对攀爬机器人的适应性和稳定性。这些出色的能力主要是通过以下四个方面实现的：
·自动适应手指，由机械三部分组成，使用简单，控制方便；
·蜗轮的自锁能力，大大提高了抓爪的稳定性，并节省了大量能量；
·蜗轮和齿轮电动机共同完成所有主动运动，提高了抓握和释放运动的可靠性；
·体积小巧，有效载荷大， 55 m mlowast;55 mmlowast;47 m m 重量为79克，工作半径为 20 mm 至 190 mm （随旋转角度 theta; 范围从10到80度），有效载荷容量为1700克，是其自重的21.5倍以上。
图1 自适应微型抓手的原型以及带有有效载荷的攀登实验
本文的其余部分安排如下：自适应微型抓手的机械设计和分析将在第二部分中介绍。第三部分详细讨论了原始的自适应结构。它结合了昆虫的附着力和鸟类的爪子，可以达到很好的适应能力。在第四节中，介绍了蜗轮设计，该结构极大地提高了抓具的稳定性和节能效果。实验和结果显示在第五节。最后，结论在第六部分中给出。
2.手掌设计
图2显示了来自不同视角的总体设计草图。将描述自适应微型抓取器的机械部分及其运动。模型分析在以下部分中完成。
A.机械设计
这款自适应型迷你抓手设计为能够攀爬弯曲的表面，例如树木等。整体手指设计是受生活在树木上的生物的爪子启发。已经观察了像鸟一样的生活在树上的动物。常见的事情是，许多树木生物都用爪子紧紧地附着在树木上。这也表明在弯曲表面，例如树表面上，爪抓是可靠的。但是两个手指无法将牢固地固定在树上，更多的手指意味着更多的控制力，更大的尺寸和更大的能源消耗。因此，在设计微型自适应手指时要考虑到微型，能量和稳定性的平衡，如图2所示。此外，微刺的适应性结构和柔软的弹性机制也受到其他动物的启发，例如蜘蛛和章鱼。蜘蛛的刺很多，章鱼的手很柔软。这些特殊的结构使其非常适应居住环境。自动适应手指是根据仿生学经验设计的。
图2 夹具的整体结构及其组成部分
如图2所示，自适应微型抓手由六个主要部分组成：齿轮电动机，基板，蜗轮，指，弹簧和针垫。夹持器具有3个齿轮电动机，这些齿轮电动机以120度均等地组装在基板上。此外，底板还提供了牢固的基座，以将蜗轮限制在固定位置。齿轮马达和蜗轮齿轮彼此紧密配合。手指通过螺丝和特定的结构与齿轮马达永久组装。指状部件具有管子，并且在其法线和切线方向均具有一定的公差，从而使引脚垫在法线和切线方向均具有一定的工作公差，从而提高了在某些粗糙表面上的适应性。最后，针垫与弹簧和螺钉一起作为一个整体组装在一起，这将在第三节中进行描述。微型抓手的这种自适应结构使抓手具有主要由于弹簧的特性而具有的自动自适应能力。在我们的设计中，一个手指上装配了三个针垫，因此它们还可以自动形成曲面，并扩大手指的最佳工作区域。针垫是一个带有手术针的立方体。
夹持器的工作管线如下：首先，齿轮电动机转动，然后蜗轮开始运转。随之，手指随着蜗轮旋转，然后针垫将针推入树木的表面。在此过程中，如果指遇到任何凹凸，这就是我们设计的自适应结构的工作位置。弹簧将被压缩，然后很好地适合曲面。并且如果有凸起，则三个引脚焊盘也可以形成一条合适的曲线以适合凸起。反之亦然，将通过蜗杆马达和其他零件的反向旋转来实现反向移动。
B.分析
[14]和[13]对兼容支撑销的接合和加载过程进行了建模，我们的设计是兼容支撑销的特殊情况。因此，可以通过改编以前的研究工作中的模型来描述粘附模型[13]。此外，下面还将对自适应运动分析进行建模和分析。
图3自适应微型抓手的附着力模型
图4显示了抓具的粘附模型，自适应微型抓具的每个手指都装配有三个针垫，顶部装有手术针。当抓取器接触树木的表面时，沿着管子的针垫将以适当的角度和区域公差（图4中的蓝色逐渐变化）调整其位置。并且由于我们机构的主动运动和手术针的刚度，一旦抓取器接触树木表面，就立即啮合。此外，模型中还包括沿其滑动管的针垫的切向间隙。在实验过程中，将有两种失效模式：（i）粗糙失效（粗糙剥离）或（ii）机针故障（机针弯曲）。为了模拟附着力，我们将手指的三个针的最大附着力定义为任何针头出现故障之前的最大附着力。间隙被定义为针垫在管公差内沿着滑动管行进。根据以上定义，最大行程X 具有三根针的手指中的销钉垫的定义为：
我们定义随机变量Mi，故障模式A，在相应的故障模式下，脊柱可以贡献的最大附着力， Bi这是对一根咬合的手术针的反弹力。 K是沿粘合方向的针头刚度。针头可以贡献Fi的附着力是通过其背隙和针垫组的行程来计算的，然后可以定义如下：
Fi = K max{ X- Bi，0 }（2）
然后可以计算出针头附着力的期望值：
F是相应随机变量的概率密度函数。蒙特卡罗方法用于对式（3）中的三维积分进行数值评估。
图4 自适应微型抓手的模型
自适应运动分析如图4所示，我们将基准定义为如图4所示的蓝色基准，BL和 B′L′ 手指的长度， BB′ 底盘， O中间点, theta;手指旋转的角度。并且随着手指的移动，可以模拟该自适应运动区域的运动，即该微型抓手的最佳半径。我们定义R 作为手指移动时树的半径， OO′，如图4所示，手指可以适应的最佳半径，并定义了目标函数：
R = f（O B ，B L ，theta; ）（4）
根据几何知识，成三角形 △ D O O和 △ L PO ， 有 phi; = ang; HOO′和 △ L PB，有LP = L Blowast;sin（theta; ）， PB = L Blowast;cos（theta; ）。所以角度ϕ 可以计算出：
phi; = ang; HOO′= arctan（L P/（PB O B ））（5）
在三角形 △ PBC，LP 和 PB 可以计算出来 ϕ在等式（5）中，最佳手指半径R 可以计算出：
R = O D /tan（ϕ ）= L P/（1minus;cos（2 ϕ ））（6）
最后，可以通过手指移动来计算最佳半径。下面将说明该仿真部分。
3.手指设计
本文提出了一种新颖的用于攀爬机器人的自适应微型抓手，这主要是通过自适应结构设计实现的，我们将其命名为手指。该手指使爪具有很强的适应弯曲表面的能力，即使有凹凸和颠簸也是如此。手指部分由三部分组成：手指座，弹簧和针垫，如图5所示。这三个部分组装在一起，每个部分将分别讨论。
图5 自适应手指的示意图
A.手指座
指状底座设计为用于固定针垫并限制针垫运动的底座。指基还具有其可调节的针垫位置。[13]显示了微棘手掌。但是针是沿一个方向组装的，因此针只能沿管子移动。[12]显示了带有可伸缩脊柱的抓具，该抓具新颖但复杂。但是我们设计的手指基部同时具有切向和法向空间公差（2 mm 和 4 mm）以使针垫移动。这使针垫能够在与弹簧配合的情况下沿法线方向移动，并能留出一些额外的空间来调整其在切线方向上的位置。此功能使针垫可以更好地调整其位置以适合曲面。此外，手指底座被分成3个独立的管形单元（如图5所示），从而使针垫能够单独工作并确保可靠性。
B.弹簧
弹簧用螺钉和针垫组装在图5所示的手指分开的单元中。适应能力主要是通过弹簧的性能来实现的。弹簧可以被力压缩和释放。因此，当针碰到颠簸或凹凸时，弹簧可以调节其长度并自动贴合表面。这一切都是通过机制实现的，无需任何控制，因此易于使用。在实验中，弹簧的原始长度为6 mm 压缩长度为 2 mm，所以有 4 mm在法线方向上调整公差。由于每个手指上装有3个弹簧，因此只要三个凸起或凹凸位于每个手指的适应区域内，这三个弹簧就可以匹配一系列曲面。自适应区域如图3所示，蓝色部分逐渐变化，标记为公差。弹簧的好处如下：
·增强自动适应不规则凹凸或凹凸的能力；
·自动扩大夹持器的工作区域。
C.针垫
针垫是组装手术针的地方（直径为1mm， 长度为6 mm），并且适合螺钉和弹簧。在接触表面的过程中，针垫将沿着管子移动并与表面接合。然后，由于手术针的刚度和夹持器的主动运动，手术针将仅刺入树木的表面。弹簧和手指基座可确保将针垫调整到合适的位置。在我们的设计中，每个手指使用三个针垫。而且这些手指可以适应不同的半径，因此仅一根手指就可以实现不同的最佳半径。此外，手指基部和弹簧的公差也有助于适应图3中的表面或凹凸。三个手指的最佳半径的仿真工作已经完成，如图5所示，由于手指中装配了三个针垫，因此在我们的仿真中将计算每个针垫。仿真结果如图6所示。图6中三个针垫的不同最佳半径仿真显示了结果：红线，最靠近基座的针垫，绿线，针垫位于基座中间的，最后是蓝线，针垫距离基座最远的。
仿真中显示了Ai，我们可以看到：i）引脚板可以满足很大的半径范围，从 20 mm至 190 mm （随旋转角度 theta;范围从10到80度）；ii）最远的插针板可以适应更大的半径，例如比其余的大5–30mm。这对于使微型抓手适应凹凸和较大的半径范围极为重要。当自适应微型抓手接触带有大颠簸的某些表面时，此属性将获得良好的效果。下面列出了使用三个引脚焊盘的优点：
bull;增强适应不同半径范围的能力；
bull;增强安全系数，尤其是当一个或两个引脚焊盘发生故障时。当每个引脚垫都是独立的时，三个引脚垫更安全。
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