CN100376365C - 基于内嵌式形状记忆合金电机的组合式拟人机械手 - Google Patents
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Abstract
基于内嵌式形状记忆合金电机的组合式拟人机械手包括手掌、三个手指和控制器；所述手掌由固定连接的手心和手背构成，拇指、食指和中指均由通过连接件连接的从动指与主动指构成；食指主动指和中指主动指的根部分别固定在手背上；三个手指的从动指和主动指均由形状记忆合金电机构成；ESMAA包括嵌入在硅橡胶圆柱体内的“U”形、直线形记忆SMA丝和曲率传感器。本发明能够实现机械手的抓放与细微操作，具有机构紧凑、自重轻、输出力-重量比高、动作柔顺、控制灵活、制造成本低等优点。是MEMS的重要组成部分，在具有微型化、精密定位与柔性传动综合要求的医用假肢、小负载工业机器人、家用机器人及步行机器人中都有潜在广泛的用途与诱人的技术发展前景。
Description
技术领域
本发明属于机械工程类的机器人技术领域，具体的说，它涉及一种基于内嵌式形状记忆合金电机的组合式拟人机械手，这种机械手在具有微型化、精密定位与柔性传动综合要求的医用假肢、小负载工业机器人、家用机器人及步行机器人中都有潜在广泛的用途与诱人的技术发展前景。
背景技术
作为力和位移的输入源，驱动器直接决定了机械手的结构型式、定位精度、动作柔顺度和控制方式，它是机械手的关键。传统机械手驱动器以电磁式电机为主，具有体积小、无泄漏等优点，运用最为广泛。但其存在不足，具体表现为：电机输出力-重量比低，导致体积庞大，无法达到微小型系统的实用要求；传动机构复杂，结构冗赘，灵活性差；机械手多自由度运行实现困难；机械手运行形态缺乏柔顺性。
在满足机械手拟人化微型化需求方面，传统驱动器显得越来越力不从心。在这一背景下，形状记忆合金电机(Shape Memory Alloy Actuator，SMAA)以其输出位移大、输出力-重量比高、运动柔顺等优点，引起了人们的关注。在现有技术中，形状记忆合金电机驱动的机械手，在电机结构上多采用偏动式和差动式。中国发明专利200410000722公开了一种“形状记忆合金差动弹簧驱动的机械手”(公开日期2004年12月29日)，其特征在于，该机械手含有形状记忆合金(Shape Memory Alloy，SMA)差动弹簧驱动器及由机械手指、连杆、拉杆、滑块、机架组成的六杆机构。该机械手为夹持型，可用手指内侧夹持物体外部。该机械手能够实现握、放等动作，具有结构简单、自重轻、尺寸小、成本低等特点。中国实用新型专利03261475公开了一种“形状记忆合金驱动的微型机械手”(公开日期2004年7月21日)，该机械手亦采用SMA丝驱动，配合柔性铰链结构，实现了机械手的简单抓取运动，具有精度高、夹持力适中、调整简易等优点。
以上两种SMAA结构中，重复进行预变形的偏动元件(SMA或偏动弹簧)与实现回复功能的致动元件(SMA)在空间上彼此分离；由SMAA驱动的机械手，驱动用SMAA和完成承载、抓拿等任务的执行部分是相互独立的。因此，受驱动方式限制，上述SMAA驱动的机械手均为夹持型，只能实现简单动作，对被夹物的形状和尺寸有较高要求，夹持能力有限。对拟人机械手具有仿生意义的多自由度精密柔性空间运动，上述SMAA显得无能为力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于内嵌式形状记忆合金电机的组合式拟人机械手，该机械手实现对物体的抓放与细微操作，具有机构紧凑、自重轻、输出力-重量比高、动作柔顺、控制灵活和制造成本低的优点。
本发明提供的一种基于内嵌式形状记忆合金电机的组合式拟人机械手，机械手包括手掌、三个手指和控制器；其特征在于：所述控制器位于手掌内，所述手掌由固定连接的手心和手背构成，拇指、食指和中指均由通过连接件连接的从动指与主动指构成；食指主动指和中指主动指的根部分别固定在手背上；拇指主动指的根部通过实心硅橡胶圆柱体固定在手心，拇指主动指高出手心，拇指弯曲所构成的第一平面与食指弯曲所构成的第二平面、中指弯曲所构成的第三平面的相互平行；三个手指的从动指和主动指均由内嵌式形状记忆合金电机构成；所述内嵌式形状记忆合金电机的结构为：“U”形记忆形状记忆合金丝和直线形记忆形状记忆合金丝嵌入在硅橡胶圆柱体内，“U”形记忆形状记忆合金丝的嵌入位置与硅橡胶圆柱体中心轴线重合，直线形记忆形状记忆合金丝平行于硅橡胶圆柱体中心轴线偏心嵌入，曲率传感器在弯曲平面内相对于中心轴线对称分布于硅橡胶圆柱体中部表面。
本发明利用形状记忆合金随温度变化具有形状记忆效应(Shape MemoryEffect，SME)的特点，通过所设计的内嵌式形状记忆合金电机(EmbeddedSMAA，ESMAA)，解决传统偏动式和差动式SMAA在结构和功能上的不足。本发明采用了组合式的三指六指节机械手结构，能够实现对不同形状与尺寸物体的稳定抓取与细微操作。本发明具有较多优点：机械手机构紧凑、自重轻、输出力-重量比高、动作柔顺、控制灵活、制造成本低等。本发明机械手结构基于仿生学原理设计，充分利用多台ESMAA多自由度动作及柔顺性的特点，使机械手运行更接近人手的动作；同时ESMAA的动作不受温度以外的环境影响，可在真空、强污染、高辐射等特殊环境中使用，具有较好的适应能力；ESMAA的控制采用电流驱动控制，控制方式简单，易于集成化，小型化。本发明能够稳定实现机械手的抓放动作与细微操作，是微电子机械系统MEMS的重要组成部分，在具有微型化、精密定位与柔性传动综合要求的医用假肢、小负载工业机器人、家用机器人及步行机器人中都有潜在广泛的用途与诱人的技术发展前景。
附图说明
图1为本发明所使用的内嵌式形状记忆合金电机的结构示意图。
图2为图1的A-A剖视图。
图3为基于内嵌式形状记忆合金电机的组合式拟人机械手的结构示意图。
图4为图3的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。
如图1和图2所示，内嵌式形状记忆合金电机(ESMAA)包括：硅橡胶圆柱体1、“U”形记忆形状记忆合金(SMA)丝2、直线形记忆SMA丝3、对称分布的曲率传感器4和5。“U”形记忆SMA丝2的嵌入位置与硅橡胶圆柱体1中心轴线重合，直线形记忆SMA丝3平行于硅橡胶圆柱体1中心轴线偏心嵌入，曲率传感器4、5沿弯曲方向对称分布于硅橡胶圆柱体1中部表面。“U”形记忆SMA丝2具有回复功能，直线形记忆SMA丝3具有恢复功能，使得这种ESMAA具有平面弯曲功能。
如图3、图4所示，本发明机械手包括手掌、三根手指和控制器。手掌包括手心15和手背16，手心15与手背16通过螺栓17固定，形成盒式长方体结构。三根手指包括拇指、食指和中指。拇指包括由拇指连接件12连接的拇指从动指6和拇指主动指7；拇指从动指6以及主动指7均为平面弯曲ESMAA。食指和中指同样采用双指节结构。食指包括由食指连接件13连接的食指从动指8和食指主动指9；食指从动指8和食指主动指9均采用平面弯曲ESMAA。食指主动指9根部固定在手背16上。中指与食指结构相同，包括由中指连接件14连接的中指从动指10和中指主动指11；中指从动指10和中指主动指11均采用平面弯曲ESMAA。中指主动指11根部固定在手背16上。所有连接件12、13和14均采用硅橡胶粘合。
考虑手指的抓持力度、平衡及稳定性等问题，在不影响机械手功能、美观前提下，将食指、中指根部平行配置，拇指末端通过连接一实心硅橡胶圆柱体18，使拇指主动指7高出手心15一定尺寸，并确保拇指弯曲所构成的第一平面21与食指弯曲所构成的第二平面20、中指弯曲所构成的第三平面22的相互平行，该实心硅橡胶圆柱体18根部通过硅橡胶固定在手心15上。这一结构不仅与人手外形相似，而且有利于模型的分析和建立，同时，以食指和中指为主，配合拇指完成抓取操作时，操作范围大，侧向分力小。考虑机械手的高度集成，将控制器19集成于手掌之中，仅需连接驱动电源，即可实现机械手的运动。
上述硅橡胶也可以采用模具胶替代。
本发明的工作原理如下：通过调节通入SMA丝的加热电流控制单台ESMAA的弯曲变形，从而实现三根手指的运动。对机械手进行控制，实际上是对ESMAA的控制，亦即在一定范围内对SMA丝温度的控制。以图1中ESMAA为例，对单台平面弯曲ESMAA的控制方式为：首先对SMA丝2加热，SMA丝2产生“U”形弯曲，硫化硅橡胶圆柱体1也随之弯曲。当硫化硅橡胶圆柱体1的弯曲曲率达到最大值时，继续升温，曲率保持不变。电机需要恢复到初始态时，停止对SMA丝2的加热，同时对SMA丝3通入适宜电流，使其迅速回复，促使电机回到缺省态-直线状。偏心SMA丝3的嵌入，使得电机具有双向可控的良好特性，响应速度也大大提高。
Claims (1)
1.一种基于内嵌式形状记忆合金电机的组合式拟人机械手，机械手包括手掌、三个手指和控制器；其特征在于：所述控制器(19)位于手掌内，所述手掌由固定连接的手心(15)和手背(16)构成，拇指、食指和中指均由通过连接件(12、13、14)连接的从动指(6、8、10)与主动指(7、9、11)构成；食指主动指(9)和中指主动指(11)的根部分别固定在手背(16)上；拇指主动指(7)的根部通过实心硅橡胶圆柱体(18)固定在手心(15)，拇指主动指(7)高出手心(15)，拇指弯曲所构成的第一平面(21)与食指弯曲所构成的第二平面(20)、中指弯曲所构成的第三平面(22)的相互平行；三个手指的从动指和主动指均由内嵌式形状记忆合金电机构成；所述内嵌式形状记忆合金电机的结构为：“U”形记忆形状记忆合金丝(2)和直线形记忆形状记忆合金丝(3)嵌入在硅橡胶圆柱体(1)内，“U”形记忆形状记忆合金丝(2)的嵌入位置与硅橡胶圆柱体(1)中心轴线重合，直线形记忆形状记忆合金丝(3)平行于硅橡胶圆柱体(1)中心轴线偏心嵌入，曲率传感器(4、5)在弯曲平面内相对于中心轴线对称分布于硅橡胶圆柱体(1)中部表面。
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