一种机械爪及无人机的制作方法

1.本发明属于样品采集领域，更具体地说，涉及一种机械爪及无人机。


背景技术：

2.商品检验公司或机构的码头现场检验人员需要按照相应的标准要求对散装货物进行取样检验，通常情况下需要对一批货物的不同部位进行重复多次的取样。长期以来，取样工作通过人工作业来完成，人工取样使得检验人员经常暴露于放射性物质、有毒气体以及高温的威胁之下，物料的滑坡也给取样人员的生命健康带来很大威胁，而且工作强度大、效率低，取样的规范性、代表性、安全性、一致性均无法保证。
3.在疫情肆虐的大背景下，各地都推出了一些无接触检验的工作模式，而大宗散货的取制样工作一直无法实现无接触自动化作业，这给码头一线的检验人员带来很大的困扰。在无人机技术日新月异的时代，我们利用无人机技术开发出一种可远程遥控的、符合取样标准要求的、可多次重复取样的设备，以代替现有的人工取样模式，实现取样工作的自动化。
4.目前几乎所有的小型机械爪都带有机械手臂，手臂的基本作用是：(1)将手爪移动到所需位置，(2)为抓取动作提供支撑，(3)承受爪抓取工件的最大重量。而无人机悬停在空中，无法对机械爪提供支撑作用。当机械爪通过软连接与无人机实现联系时，没有固定机械臂，也不能像现在码头常用的大型抓斗那样依靠重力实施定位和抓握动作，这就对小型机械爪的自我定位以及取样时在受力情况下的自我支撑提出了更高的要求。处理不好会出现以下两个问题：(1)在坡面着陆时滑落，(2)在取样时脱离货物表面出现空抓现象。


技术实现要素：

5.1.要解决的问题
6.针对现有技术取样困难的问题，本发明提供一种机械爪，在壳体延伸一根定位刺，当机械爪在张开状态下于坡面着陆时，定位刺可以深入货物中，并与抓手形成三角形凸起，从而避免机械爪在坡面上滑动，起到定位作用；同时在机械爪两瓣合拢过程中，由于定位刺的深入，可以防止机械爪被货物顶起，确保能够抓取足够量的样品。
7.进一步地，本发明提供一种无人机，机体通过软连接与机械爪相连，开创人工无法到达的极限位置的取样作业模式，提高取样效率，降低取样风险。
8.2.技术方案
9.为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
10.本发明提供一种机械爪，包括
11.驱动结构，且驱动结构设置有驱动轴；
12.壳体，壳体用于容纳驱动结构；
13.转动结构，转动结构与驱动结构的驱动轴相连接，且驱动结构可以驱动转动结构转动；
14.抓手，抓手的端部附接转动结构，且所有抓手闭合时可在壳体的一侧形成储存空间；以及
15.定位刺，定位刺的一端与壳体相连接，定位刺由壳体延伸至储存空间中。
16.优选地，定位刺包括柱身和刺入锥体，柱身的一端与壳体相连接，柱身远离壳体的一端设置有刺入锥体；可任意选择地，刺入锥体为圆锥。
17.优选地，壳体的相对的两侧设置有通孔，驱动轴的两端由通孔穿出，使得驱动轴的两端至少部分地凸出设置于壳体外表面；
18.转动结构与驱动轴的两端相连接，使转动结构置于壳体的两侧。
19.优选地，转动结构包括主齿轮和辅助齿轮，主齿轮与辅助齿轮啮合，并配置为主齿轮向a方向转动时可带动辅助齿轮向b方向转动；
20.a方向为顺时针方向，b方向为逆时针方向；或
21.a方向为逆时针方向，b方向为顺时针方向。
22.优选地，抓手包括连接臂和颚瓣，连接臂一端与转动结构相连接，另一端与颚瓣相连接。
23.优选地，抓手的闭合口为平口或锯齿形口。
24.优选地，驱动结构为电机。
25.优选地，柱身的直径为1-5mm。
26.优选地，刺入锥体的最大直径至多为6mm。
27.优选地，抓手包括主抓手和辅助抓手，主抓手的端部与主齿轮连接，辅助抓手与辅助齿轮相连接。
28.优选地，连接臂的长度为40-50mm。
29.本发明进一步提供一种用于采样的无人机，包括机体和上述机械爪，机体和机械爪通过绳体软连接。
30.3.有益效果
31.相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
32.(1)本发明的一种机械爪，包括驱动结构、壳体、转动结构、若干抓手以及定位刺，其中，驱动结构设置于壳体内部；转动结构与驱动结构相连接，可由驱动结构驱动而转动；抓手的一端与转动结构相连接，可随转动结构的转动而转动；定位刺的一端固定于壳体，另一端延伸至抓手处；本发明在机械爪的设计过程中引入定位刺，即在机械爪的壳体伸出一根金属刺，当机械爪在张开状态下于坡面着陆时，定位刺可以深入物料中，并于爪子两瓣形成三角形凸起，从而避免机械爪在坡面上滑动，起到定位作用；在机械爪两瓣合拢过程中，深入的定位刺可起到锚定作用，可以防止机械爪被物料顶起，确保能够抓取足够量的样品。
33.(2)基于上述机械爪，本发明提供的无人机设备开创了人工无法到达的极限位置的取样作业模式，原有的人工取样作业过程中，取样人员只能在自己能够到达的范围内采取样品，连取样铲的长度一起计算也不超过2米范围，稍有越界就会出现滑坡或塌陷的危险，而本发明可以将取样位置拓展到堆场上的任何部位，如堆顶和腰部的坡面上，避免塌陷和滑坡的影响。
附图说明
34.图1为本发明的结构示意图；
35.图2为本发明的剖面结构示意图。
36.图中：
37.100、壳体；110、通孔；
38.210、主齿轮；220、辅助齿轮；
39.310、颚瓣；320、连接臂；
40.400、定位刺；410、柱身；420、刺入锥体。
具体实施方式
41.下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例，其中本发明的特征由附图标记标识。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本技术和本发明的应用领域。
42.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
43.本发明提供一种机械爪，如图1所示，包括驱动结构、壳体100、转动结构、若干抓手以及定位刺400，其中，驱动结构设置于壳体100内部；转动结构与驱动结构相连接，可由驱动结构驱动而转动；抓手的一端与转动结构相连接，可随转动结构的转动而转动；定位刺400的一端固定于壳体100，另一端延伸至抓手处。值得说明的是，本发明的机械爪整体使用轻质材料制成，例如铝合金、塑料等，尤其优选铝合金，强度和刚性强，加工性能好。
44.机械爪没有机械臂的支撑，在抓取物料时如果颚瓣310不能顺利的插入，很容易将抓斗自身顶起，尤其是在抓取煤炭、铁矿、化肥等受潮、结块的物料时，一旦因无法插入造成抓斗被顶起，则有可能出现空抓现象。针对上述问题，本发明在机械爪的设计过程中引入定位刺400，即在机械爪的壳体100伸出一根金属刺，当机械爪在张开状态下于坡面着陆时，定位刺400可以深入货物中，并于爪子两瓣形成三角形凸起，从而避免机械爪在坡面上滑动，起到定位作用。在机械爪两瓣合拢过程中，由于定位刺400的深入，可以防止机械爪被货物顶起，确保能够抓取足够量的样品。
45.作为定位刺400的具体安装方式，抓手靠近壳体100的一侧设置有用于容置定位刺400的穿孔，定位刺400的一端与壳体100相连接，并由壳体100穿过穿孔延伸至储存空间中，优选使得定位刺400远离壳体100的一端置于储存空间中。或者，抓手靠近壳体100的一侧设置有缺口，当两个抓手闭合时，缺口可共同构成用于容置定位刺400的穿孔；或者，抓手的靠
近壳体100的一侧开口，使得定位刺400可以延伸至储存空间中。
46.作为一种优选实施的具体方式，本发明的定位刺400包括柱身410和刺入锥体420，柱身410的一端与壳体100相连接，柱身410远离壳体100的一端设置有刺入锥体420。定位刺400的柱身410的直径优选为1-5mm，进一步优选为3mm，保证使用强度的同时最大程度上减轻重量。值得说明的是，本发明的柱身410可以是一体成型，也可以由多个节段组成，任意相邻的两个节段端部可拆卸连接(例如螺口连接等)，使柱身410的长度可根据物料紧密程度自由调整。节段的长度一般为10-20mm为宜，优选为15mm。松散物料可使用至多90mm的定位刺400(不超过抓手最大长度，避免影响抓手闭合)；紧密物料由于插入难度大，过长的定位刺400使得机械爪不能紧密贴合物料表面影响取样效果，所以需缩短定位刺400长度。定位刺400的刺入锥体420优选采用圆锥设计，其最大直径至多为6mm，刺入锥体420的长度至多为15mm。圆锥具有尖头和底部平台，尖头便于插入，另一平头在机械爪收紧时可借助物料拉住机械爪，防止机械爪被顶起造成空抓。
47.进一步说明，本发明的驱动结构用于驱动转动结构旋转，以实现抓手开闭的目的。驱动结构设置有驱动轴，驱动轴一般由电机驱动进行转动，进而带动其他结构转动。作为一种具体实施方式，驱动结构为电机，优选为舵机，舵机是一种位置(角度)伺服的驱动器，适用于角度不断变化并可以保持的控制系统。在本发明中，舵机主要是由外壳、电路板、驱动马达、减速器与位置检测元件所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的ic驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。
48.作为一种驱动结构的位置设置方式，壳体100的相对的两侧设置有通孔110，驱动轴的两端由通孔110穿出，使得驱动轴的两端至少部分地凸出设置于壳体100外表面。转动结构与驱动轴的两端相连接，使转动结构置于壳体100的两侧。值得说明的是，驱动轴也可以设置于壳体100内部，两端抵接壳体100内壁，此时壳体100下部预留容置抓手的通道，使得抓手的端部设置于壳体100内部。
49.转动结构与驱动结构的驱动轴相连接，并配置为使转动结构随驱动轴的转动而转动。作为一种实现方式，转动结构包括主齿轮210和辅助齿轮220，主齿轮210与辅助齿轮220啮合，并配置为主齿轮210向a方向转动时可带动辅助齿轮220向b方向转动，其中，a方向为顺时针方向，b方向为逆时针方向，或者如图1所示，a方向为逆时针方向，b方向为顺时针方向。
50.本发明的抓手的端部附接转动结构，且所有抓手闭合时可在壳体100的一侧形成储存空间。本发明中的附接，可以直接连接，也可以是间接连接，也可以是二者一体成型连接。储存空间用于容纳抓取的样品，容量在850000mm3左右为宜。作为优选的具体实施方式，抓手闭合时的最大宽度优选为120mm，打开时的最大宽度优选为300mm。抓手的闭合口为平口或锯齿形口，前端口尖、薄，并带有锯齿结构，有利于插入时减少阻力。作为一种实施方式，抓手包括连接臂320和颚瓣310，连接臂320一端与转动结构相连接，另一端与颚瓣310相连接。颚瓣310优选为贝式平底双颚瓣，既可抓取大米、大豆等小颗粒松散物料，还可以抓取煤炭、铁矿、铜矿、化肥、硫磺等大中块状物料。连接臂320的长度为40-50mm，例如40-44mm、44-46.5mm、45-50mm等参数范围均处于本发明的保护范围中，尤其优选为44mm。抓手包括主抓手和辅助抓手，当转动结构为主齿轮210啮合辅助齿轮220时，主抓手的端部与主齿轮210
连接，辅助抓手与辅助齿轮220相连接。
51.本发明进一步提供一种用于采样的无人机，包括机体和上述机械爪，机体和机械爪通过绳体软连接。作为一种具体实施方式，本发明采用轻型、近程、低空、多旋翼无人机，并通过可伸缩的绳体(例如带轮盘的卷绕装置)与机械爪相连接，可重复收放机械爪实现了取样的重复连续操作，大大提高了取样效率，减轻了劳动强度。同时，无人机上可根据需求搭载遥控模块、图像监控模块等作为辅助附加功能。
52.在本实施例中，作为一种具体实施方式，机械爪参数如下表1所示：
53.表1机械爪参数表
[0054][0055]
利用无人机对堆积铁矿的不同位置进行采样，其中，堆尖顶部和底部的采样为平面采样，腰部采样为坡面采样。将搭载有机械爪(附带定位刺400)的无人机作为实验组，同时设置对照组为同型号无人机，且对照组的无人机上设置的机械爪上未设置定位刺400。试验地点为某露天堆场，天气晴朗，室外温度10-15℃，风力2-3级，每组实验组和对照组均包括10次重复采样过程，取样重量均重为10次采样取平均值。试验结果如表2所示。
[0056]
表2铁矿采集试验结果表
[0057]
[0058]
其中，坡面纵向是指在坡面上，机械爪打开方向平行于坡面纵向方向；坡面横向是指在坡面上，机械爪打开方向垂直于坡面纵向方向。由上表2可以看出，实验组无论平面还是坡面的取样量都明显增加，变异性明显下降，总体平均取样量增加60％，变异性下降40％，因此得出结论，定位刺400对取样效果提升显著。
[0059]
更具体地，尽管在此已经描述了本发明的示例性实施例，但是本发明并不局限于这些实施例，而是包括本领域技术人员根据前面的详细描述可认识到的经过修改、省略、例如各个实施例之间的组合、适应性改变和/或替换的任何和全部实施例。权利要求中的限定可根据权利要求中使用的语言而进行广泛的解释，且不限于在前述详细描述中或在实施该申请期间描述的示例，这些示例应被认为是非排他性的。在任何方法或过程权利要求中列举的任何步骤可以以任何顺序执行并且不限于权利要求中提出的顺序。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由上文给出的说明和示例来确定。