无人机仿生抓取执行装置

1.本实用新型属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种无人机仿生抓取执行装置。


背景技术：

2.随着无人机技术和应用的快速发展，对无人机的综合性能和功能提出了越来越高的要求。其中，无人机在飞行到目标位置后实现对物品的抓取，在各个实际应用场景中有着广泛的需求；以及无人机在执行任务能够灵活地根据实际环境在空中借助抓取树枝等物体，来实现无人机的停靠，对拓展无人机的应用场景、节省能耗等也有着重要的意义。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种无人机仿生抓取执行装置，能够模拟鸟爪的抓取动作，实现方便地对物品的稳定抓取，拓展无人机的应用场景。
4.本实用新型通过下述技术方案实现：
5.无人机仿生抓取执行装置，包括用于连接无人机的云台、与云台之间铰链连接的支撑腿和抓取执行机构；
6.所述云台与支撑腿之间设置有第一驱动机构，所述第一驱动机构用于驱动支撑腿在其所在的竖直平面内转动；
7.所述支撑腿与抓取执行机构之间设置有第二驱动机构，所述第二驱动机构用于驱动抓取执行机构在支撑腿所在的平面内摆动；
8.所述抓取执行机构包括多个鸟趾仿生件和驱动鸟趾仿生件动作的第三驱动机构，所述第三驱动机构用于驱动各个鸟趾仿生件作抓取与张开动作。
9.作为对上述技术方案的进一步改进，所述抓取执行机构包括连接支撑腿的支座和与支座之间铰链连接的基座，各个鸟趾仿生件的一端分别连接在基座上；
10.所述鸟趾仿生件包括依次铰链连接的固定关节件、多个活动关节件和趾尖关节件，所述固定关节件连接在基座上，多个活动关节件和趾尖关节件可在其所在的平面内摆动；
11.所述第三驱动机构包括分别设置在固定关节件和与之相邻的一个活动关节件之间、两个相邻的活动关节件之间的拉伸弹簧以及设置在各个鸟趾仿生件上的拉绳；所述鸟趾仿生件在自由状态时，在拉伸弹簧的作用下呈伸直张开状态，当对各个拉绳施加拉力时，各鸟趾仿生件的各个活动关节件与趾尖关节件相对朝内侧摆动，呈向内收缩抓紧状态。
12.作为对上述技术方案的进一步改进，相邻设置的固定关节件与活动关节件之间、相邻的活动关节件之间、活动关节件和趾尖关节件之间分别设置有摆动限位件；
13.所述摆动限位件一端固定连接在对应的固定关节件、活动关节件上，另一端位于相邻设置的固定关节件、活动关节件与趾尖关节件之间的连接位置处，且位于对应活动关节件、趾尖关节件一端设置有与摆动限位件配合的限位槽；
14.所述拉伸弹簧分别设置于各活动关节件上位于其上方的限位槽内，拉伸弹簧一端
与其中一个摆动限位件端部连接，另一端与相邻的活动关节件、趾尖关节件连接。
15.作为对上述技术方案的进一步改进，各个鸟趾仿生件上的拉绳一端分别连接到对应鸟趾仿生件的趾尖关节件上，另一端分别通过一柔性连接件或直接连接到第二驱动机构，所述第二驱动机构动作时为各拉绳提供拉紧作用力。
16.作为对上述技术方案的进一步改进，位于各个活动关节件上分别设置有拉绳连接件，所述拉绳在一端连接趾尖关节件后依次穿设到拉绳连接件上，所述拉绳连接件对拉绳形成支撑，使拉绳分别与各个活动关节件之间形成活动连接。
17.作为对上述技术方案的进一步改进，在鸟趾仿生件处于自由伸直张开状态时，所述拉绳连接件在其所在的平面内不在同一直线上。
18.作为对上述技术方案的进一步改进，所述基座上设置有第四驱动机构，所述第四驱动机构用于驱动部分鸟趾仿生件沿基座的竖直方向转动；
19.所述第四驱动件包括第四电机和连接第四电机的第四齿轮或第四齿轮组件，所述第四齿轮或第四齿轮组件的各个齿轮分别与一个鸟趾仿生件固定连接。
20.作为对上述技术方案的进一步改进，所述第二驱动机构包括第二电机和连接第二电机的第二传动组件，所述支撑腿与支座之间设置有过渡关节件，所述过渡关节件两端分别与支撑腿和支座之间铰链连接，所述支撑腿与支座之间在端部采用齿轮结构啮合连接，所述第二传动组件的输出端连接在过渡关节件与支撑腿之间设置的铰接轴上，所述铰接轴上设置有与支座之间啮合的传动齿轮。
21.作为对上述技术方案的进一步改进，位于铰接轴上设置有绕线轮，所述拉绳直接或间接连接到绕线轮上，当绕向轮转动时为拉绳提供拉紧作用力。
22.作为对上述技术方案的进一步改进，所述第一驱动机构包括设置在云台上的第一电机和连接第一电机与支撑腿的连杆组件，所述连杆组件两端分别与第一电机的输出端和支撑腿之间铰链连接。
23.本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
24.1）该装置能够最大程度地模拟鸟爪的抓取动作，能够辅助无人机在飞行过程中对各种不同形状物品的稳定抓取。
25.2）该装置结构简单，通过对拉绳连接点的优化设置，避免了装置在动作过程中死点的问题，抓取执行过程中动作连贯、稳定，具有很好的可靠性。
附图说明
26.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
27.图1为本实用新型仿生抓取执行装置结构示意图。
28.图2为本实用新型仿生抓取执行装置结构主视图。
29.图3为本实用新型仿生抓取执行装置结构左视图。
30.图4为本实用新型仿生抓取执行装置中抓取执行机构结构示意图。
31.图5为本实用新型抓取执行机构中拉伸弹簧连接结构示意图。
32.图6为本实用新型抓取执行机构中拉绳的布置结构示意图。
33.图7为本实用新型仿生抓取执行装置中第四驱动机构结构示意图。
34.图8为本实用新型抓取执行机构中活动关节件上摆动限位件结构示意图。
35.图9为本实用新型抓取执行机构中活动关节件上拉绳连接件结构示意图。
36.其中：
37.101、云台，102、支撑腿，103、支座，104、过渡关节件，105、基座，106、铰接轴，107、绕线轮；
38.201、第一电机，202、连杆组件，203、第二电机，204、第二传动组件，205、传动齿轮，206、拉伸弹簧，207、拉绳，208、柔性连接件，209、第四电机，210、第四齿轮；
39.30、抓取执行机构，31、鸟趾仿生件，311、固定关节件，312、活动关节件，313、趾尖关节件，314、摆动限位件，315、限位槽，316、拉绳连接件。
具体实施方式
40.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
41.该仿生抓取执行装置作为一种仿生机械爪，能够模拟鸟爪在抓取物品时的动作，其可应用安装到无人机上，使无人机能够具备在飞行过程中对物体的抓取，以拓展无人机的性能。
42.参照图1、2和3，本实施例中的无人机仿生抓取执行装置，包括有用于连接到无人机的云台101、与云台之间铰链连接的支撑腿102和抓取执行机构30。
43.其中，云台101与支撑腿102之间设置有第一驱动机构，第一驱动机构用于驱动支撑腿在其所在的竖直平面内转动。
44.作为一种可实施的结构形式，第一驱动机构可采用设置在云台上的第一电机201和连接第一电机与支撑腿的连杆组件202，连杆组件202两端分别与第一电机201的输出端和支撑腿102之间铰链连接，连杆组件202与支撑腿102之间形成曲柄连杆机构。通过第一电机带动连杆组件动作，驱动支撑腿在其所在平面内沿其与云台之间的铰接点摆动，使无人机在任意飞行姿态下能够使支撑腿保持在竖直状态，以方便抓取执行机构对物品的抓取。
45.支撑腿102与抓取执行机构30之间设置有第二驱动机构，第二驱动机构用于驱动抓取执行机构在支撑腿所在的平面内摆动。
46.作为一种可实施的结构形式，第二驱动机构可采用第二电机203和连接第二电机的第二传动组件204，在支撑腿102与支座103之间设置有过渡关节件104，过渡关节件104两端分别与支撑腿102和支座103之间铰链连接，支撑腿102与支座103之间在端部采用齿轮结构啮合传动连接，第二传动组件的输出端连接在过渡关节件104与支撑腿102之间设置的铰接轴106上，铰接轴106上设置有与支座103之间啮合的传动齿轮205。具体地，第二传动组件204包括啮合连接的两个齿轮，其中一个齿轮连接第二电机的输出轴，另一个齿轮连接在铰接轴106上，通过第二电机驱动铰接轴转动，在铰接轴上设置传动齿轮205，由于支撑腿与支座之间在端部采用齿轮结构啮合连接，即支座端部设置为齿轮啮合连接结构，此时传动齿轮与支座之间形成啮合连接，通过传动齿轮来驱动支座沿支座与过渡关节件之间的铰接点
转动，实现对抓取执行机构在抓取时姿态的调节。
47.本实施例中的抓取执行机构包括多个鸟趾仿生件31和驱动鸟趾仿生件动作的第三驱动机构，第三驱动机构用于驱动各个鸟趾仿生件作抓取与张开动作。
48.作为一种可实施的结构形式，如图4、5和6，抓取执行机构30包括连接支撑腿的支座103和与支座之间铰链连接的基座105，各个鸟趾仿生件的一端分别连接在基座上。
49.鸟趾仿生件31包括依次铰链连接的固定关节件311、三个活动关节件312和趾尖关节件313，固定关节件311连接在基座105上，三个活动关节件312和趾尖关节件313可在其所在的平面内摆动。
50.第三驱动机构包括分别设置在相邻固定关节件与活动关节件之间、两个相邻的活动关节件之间的拉伸弹簧206以及设置在各个鸟趾仿生件上的拉绳207；鸟趾仿生件在自由状态时，在拉伸弹簧的拉伸作用下呈伸直张开状态，当对各个拉绳施加拉力时，各鸟趾仿生件的各个活动关节件与趾尖关节件相对朝内侧摆动，呈向内收缩抓紧状态，从而能够实现抓取执行机构的抓取、松开动作。
51.在鸟趾仿生件的结构设计上，如图8，在相邻设置的固定关节件与活动关节件之间、相邻的活动关节件之间、活动关节件和趾尖关节件之间分别设置有摆动限位件314；该摆动限位件314可采用呈t型的结构件，其中摆动限位件314一端固定连接在对应的固定关节件、活动关节件上，另一端位于相邻设置的固定关节件、活动关节件与趾尖关节件之间的连接位置处，且位于对应活动关节件、趾尖关节件一端设置有与摆动限位件配合的限位槽315，活动关节件、趾尖关节件在沿铰接点转动时，能够通过摆动限位件与对应限位槽之间的配合，实现对活动关节件、趾尖关节件转动过程中的限位，限制活动关节件、趾尖关节件在鸟趾仿生件所在的平面内转动运动。
52.拉伸弹簧206分别设置于各活动关节件上位于其上方的限位槽315内，拉伸弹簧206一端分别与其中一个摆动限位件314端部连接，另一端与相邻的活动关节件312、趾尖关节件313连接。通过拉绳弹簧为固定关节件与活动关节件、活动关节件之间、活动关节件与趾尖关节件之间提供拉伸作用力，使鸟趾仿生件在自由状态下能够保持伸直张开状态。
53.在针对各个鸟趾仿生件上拉绳的设置上，各个鸟趾仿生件上的拉绳207一端分别连接到对应鸟趾仿生件的趾尖关节件313上，另一端可分别通过一柔性连接件208或直接连接到第二驱动机构，第二驱动机构动作时为各拉绳提供拉紧作用力。本实施例中采用将各个拉绳207连接到一个柔性连接件208上，然后将该柔性连接件208连接到第二驱动机构上，通过第二驱动机构同时驱动各个拉绳动作。这里拉绳、柔性连接件均可采用钢绳和类似结构。
54.在拉绳的设置上，如图9位于各个活动关节件上分别设置有拉绳连接件316，拉绳207在一端连接趾尖关节件后依次穿设到拉绳连接件316上，拉绳连接件316设置在活动关节件上位于下方的限位槽315内，此时拉绳连接件能够对拉绳形成支撑，使拉绳分别与各个活动关节件之间形成活动连接，这样在拉动拉绳时，能够同时驱动活动关节件、趾尖关节件向内侧转动，完成抓取的动作。
55.在鸟趾仿生件处于自由伸直张开状态时，拉绳连接件316在其所在的平面内不在同一直线上，如三个活动关节件上的拉绳连接件呈三角形排布；这样的结构设计是为了在鸟趾仿生件处于伸直张开状态下，当拉紧拉绳时能够避免由于拉绳位于同一直线上而出现
拉绳传动机构动作死点的问题，同时能够使拉绳作用更加省力。
56.本实施例中在铰接轴106上设置有绕线轮107，拉绳直接或通过柔性连接件连接到绕线轮107上，当第二驱动机构驱动支座转动的同时，可驱动绕线轮转动，为拉绳提供拉紧作用力，实现抓取执行机构姿态调节与抓紧动作的连贯性，能更好地模拟鸟爪的抓取动作，并且能够使整个结构更加简单。
57.作为一种可选的实施结构，如图6，在基座105上设置有第四驱动机构，第四驱动机构用于驱动部分鸟趾仿生件沿基座的竖直方向转动；这里的第四驱动件可采用第四电机209和连接第四电机的第四齿轮210或第四齿轮组件，第四齿轮210或第四齿轮组件的各个齿轮分别与一个鸟趾仿生件31固定连接。本实施例中的抓取执行机构采用了四个鸟趾仿生件31，因此第四驱动机构中采用的是第四齿轮组件的结构形式，其包括两个啮合的第四齿轮210，其中一个第四齿轮210与第四电机209的输出轴连接，另一个第四齿轮210与基座105之间转动连接，此时第四电机能够同时驱动两个第四齿轮转动，两个第四齿轮上分别连接一个鸟趾仿生件，通过两个第四齿轮驱动两个鸟趾仿生件沿基座的竖直方向转动，从而调整四个鸟趾仿生件之间的相对位置，使抓取执行机构能够更好地实现抓取的动作。
58.在本实用新型的描述中，需要说明的是，所采用的术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
59.此外，本实用新型的描述中若出现“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
60.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
61.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.无人机仿生抓取执行装置，其特征在于，包括用于连接无人机的云台、与云台之间铰链连接的支撑腿和抓取执行机构；所述云台与支撑腿之间设置有第一驱动机构，所述第一驱动机构用于驱动支撑腿在其所在的竖直平面内转动；所述支撑腿与抓取执行机构之间设置有第二驱动机构，所述第二驱动机构用于驱动抓取执行机构在支撑腿所在的平面内摆动；所述抓取执行机构包括多个鸟趾仿生件和驱动鸟趾仿生件动作的第三驱动机构，所述第三驱动机构用于驱动各个鸟趾仿生件作抓取与张开动作。2.根据权利要求1所述的无人机仿生抓取执行装置，其特征在于，所述抓取执行机构包括连接支撑腿的支座和与支座之间铰链连接的基座，各个鸟趾仿生件的一端分别连接在基座上；所述鸟趾仿生件包括依次铰链连接的固定关节件、多个活动关节件和趾尖关节件，所述固定关节件连接在基座上，多个活动关节件和趾尖关节件可在其所在的平面内摆动；所述第三驱动机构包括分别设置在固定关节件和与之相邻的一个活动关节件之间、两个相邻的活动关节件之间的拉伸弹簧以及设置在各个鸟趾仿生件上的拉绳；所述鸟趾仿生件在自由状态时，在拉伸弹簧的作用下呈伸直张开状态，当对各个拉绳施加拉力时，各鸟趾仿生件的各个活动关节件与趾尖关节件相对朝内侧摆动，呈向内收缩抓紧状态。3.根据权利要求2所述的无人机仿生抓取执行装置，其特征在于，相邻设置的固定关节件与活动关节件之间、相邻的活动关节件之间、活动关节件和趾尖关节件之间分别设置有摆动限位件；所述摆动限位件一端固定连接在对应的固定关节件、活动关节件上，另一端位于相邻设置的固定关节件、活动关节件与趾尖关节件之间的连接位置处，且位于对应活动关节件、趾尖关节件一端设置有与摆动限位件配合的限位槽；所述拉伸弹簧分别设置于各活动关节件上位于其上方的限位槽内，拉伸弹簧一端与其中一个摆动限位件端部连接，另一端与相邻的活动关节件、趾尖关节件连接。4.根据权利要求2所述的无人机仿生抓取执行装置，其特征在于，各个鸟趾仿生件上的拉绳一端分别连接到对应鸟趾仿生件的趾尖关节件上，另一端分别通过一柔性连接件或直接连接到第二驱动机构，所述第二驱动机构动作时为各拉绳提供拉紧作用力。5.根据权利要求4所述的无人机仿生抓取执行装置，其特征在于，位于各个活动关节件上分别设置有拉绳连接件，所述拉绳在一端连接趾尖关节件后依次穿设到拉绳连接件上，所述拉绳连接件对拉绳形成支撑，使拉绳分别与各个活动关节件之间形成活动连接。6.根据权利要求5所述的无人机仿生抓取执行装置，其特征在于，在鸟趾仿生件处于自由伸直张开状态时，所述拉绳连接件在其所在的平面内不在同一直线上。7.根据权利要求2所述的无人机仿生抓取执行装置，其特征在于，所述基座上设置有第四驱动机构，所述第四驱动机构用于驱动部分鸟趾仿生件沿基座的竖直方向转动；所述第四驱动件包括第四电机和连接第四电机的第四齿轮或第四齿轮组件，所述第四齿轮或第四齿轮组件的各个齿轮分别与一个鸟趾仿生件固定连接。8.根据权利要求2所述的无人机仿生抓取执行装置，其特征在于，所述第二驱动机构包括第二电机和连接第二电机的第二传动组件，所述支撑腿与支座之间设置有过渡关节件，
所述过渡关节件两端分别与支撑腿和支座之间铰链连接，所述支撑腿与支座之间在端部采用齿轮结构啮合连接，所述第二传动组件的输出端连接在过渡关节件与支撑腿之间设置的铰接轴上，所述铰接轴上设置有与支座之间啮合的传动齿轮。9.根据权利要求8所述的无人机仿生抓取执行装置，其特征在于，位于铰接轴上设置有绕线轮，所述拉绳直接或间接连接到绕线轮上，当绕向轮转动时为拉绳提供拉紧作用力。10.根据权利要求1所述的无人机仿生抓取执行装置，其特征在于，所述第一驱动机构包括设置在云台上的第一电机和连接第一电机与支撑腿的连杆组件，所述连杆组件两端分别与第一电机的输出端和支撑腿之间铰链连接。

技术总结
本实用新型公开了一种无人机仿生抓取执行装置，包括用于连接无人机的云台、与云台之间铰链连接的支撑腿和抓取执行机构；所述云台与支撑腿之间设置有第一驱动机构，所述第一驱动机构用于驱动支撑腿在其所在的竖直平面内转动；所述支撑腿与抓取执行机构之间设置有第二驱动机构，所述第二驱动机构用于驱动抓取执行机构在支撑腿所在的平面内摆动；所述抓取执行机构包括多个鸟趾仿生件和驱动鸟趾仿生件动作的第三驱动机构，所述第三驱动机构用于驱动各个鸟趾仿生件作抓取与张开动作。该装置能够最大程度地模拟鸟爪的抓取动作，能够辅助无人机在飞行过程中对各种不同形状物品的稳定抓取。抓取。抓取。


技术研发人员：齐友珍 钟斌 杨涛 范洋全 李宏宇 赵杰
受保护的技术使用者：成都大学
技术研发日：2022.11.09
技术公布日：2023/3/23