CN102873690B

CN102873690B - 一种形状记忆合金驱动的灵巧手

Info

Publication number: CN102873690B
Application number: CN201210369429.9A
Authority: CN
Inventors: 吴铁军; 文双全; 刘山; 张黎
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2032-09-27
Also published as: CN102873690A

Abstract

本发明公开了一种形状记忆合金驱动的灵巧手。它由三根结构相同的手指、一只手掌和控制系统构成。手指由远指节骨、中指节骨和近指节骨构成。掌指关节实现整个手指的屈伸运动，近端指骨间关节实现手指的侧摆运动，远端指骨间关节实现远指节骨的屈伸运动。三指共计9个关节自由度，每个关节均由两根形状记忆合金金属丝构成的回旋机构实现正反双向驱动。控制系统由WindowsPC、实时控制器、I\O模块、驱动电路和角度传感器组成。本发明将形状记忆合金金属丝内置到灵巧手的手指和手掌中直接驱动手指关节，省去了中间的传动机构。此灵巧手结构简单紧凑，体积小，重量轻，适合作为轻负载机械手臂的末端执行器实现对不同形状、尺寸的物体的灵巧抓取和精细操作。

Description

一种形状记忆合金驱动的灵巧手

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种形状记忆合金驱动的灵巧手。

背景技术

人的手指主要由前臂中的肌肉群控制，这些肌肉上附有的肌腱由腱鞘包裹后延伸到手指末端。一般每个关节的屈伸动作均由两块相对的肌肉控制，肌肉收缩后通过肌腱将运动传递到关节上。现有人工肌肉驱动型的灵巧手基本上都是将能产生收缩运动的人工肌肉安装在前臂内，通过人工肌腱带动远端手指的转动。这种设计方法会带来两个主要问题，首先，由于手指的自由度较多，带动远端关节旋转的人工肌腱需要穿过手腕、手掌和手指连接到远端指骨上。曲折的路径使得摩擦力增大，关节耦合严重，路径布置复杂。其次，灵巧手附带有笨重的前臂是其安装到负载较小的机械臂末端的最大障碍。从电机驱动类的灵巧手发展历程来看，灵巧手都朝着模块化方向发展。微型电机驱动能力越来越强大，研究人员尽量将驱动器安装到手指或者手掌内部来设计灵巧手，这样紧凑的灵巧手安装更方便，适用范围更广。

现在，国内外将形状记忆合金(SMA)驱动方式用到灵巧手上还处于起步阶段。加拿大维多利亚大学机械工程系设计的手指采用Miga Motor公司生产的形状记忆合金驱动器，将驱动器外置，采用腱传动方式比较笨重和繁琐。而麻省理工设计的五指机器人手庞大的驱动设备更是限制了其使用范围。实际上形状记忆合金金属丝本身体积很小，可以集传感、驱动、传动于一体，完全可以将其内置到手指和手掌内部开发出紧凑的灵巧手。本发明将形状记忆合金金属丝内置到灵巧手的手指和手掌中直接驱动手指关节，省去了中间的传动机构，使得灵巧手结构简单紧凑，体积小，重量轻。

发明内容

本发明为了克服现有腱传动方式和庞大的驱动设备的缺陷与不足，提供一种形状记忆合金驱动的灵巧手。

形状记忆合金驱动的灵巧手包括第一根手指、第二根手指、第三根手指、手掌、控制系统，第一根手指、第二根手指、第三根手指结构相同，在手掌上设有第一根手指、第二根手指、第三根手指，所述手指包括顺次连接的远指节骨、中指节骨和近指节骨，每根手指具有3个自由度，远端指骨间关节实现远指节骨的屈伸运动，近端指骨间关节实现手指的侧摆运动，掌指关节实现整个手指的屈伸运动，远指节骨包括指尖、M1.6X4螺丝、第一连接件，指尖经M1.6X4螺丝与第一连接件相连，中指节骨包括滑块、SMA金属丝、压缩弹簧、金属导轨、关节轴、关节轴承、M1.6X4螺丝、滑轮组、第一支架、第二支架、上部固定隔板、下部固定隔板，两块第一支架互相平行放置，通过四个滑轮组相连，上部固定隔板和下部固定隔板均通过M1.6X4螺丝固定在两块第一支架上，四根金属导轨安装在上部固定隔板和下部固定隔板之间，每根金属导轨上套有一个压缩弹簧和一块滑块，两块第一支架的一端通过M1.6X4螺丝连接着两块平行放置的第二支架上，第一支架的另一端嵌有一个关节轴承和一根关节轴，第二支架上嵌有关节轴承和关节轴，四根SMA金属丝一端固定在四块滑块上，跨过滑轮组上的尼龙外套后，其中两根SMA金属丝的另一端固定在第一连接件上，另外两根SMA金属丝的另一端固定在第二连接件上；近指节骨包括关节轴、关节轴承、M1.6X4螺丝、第二连接件和第三连接件，第二连接件通过M1.6X4螺丝和第三连接件相连，两个关节轴承通过关节轴与第三连接件相连；所述手掌包括SMA金属丝、压缩弹簧、金属导轨、滑轮组、固定横杠、第三支架、M2.0X10螺丝，每两块第三支架通过四个滑轮组并排连接，六块第三支架由并列的两根固定横杠通过M2.0X10螺丝固定，并排的六根金属导轨安装在两根固定横杠的中间，每根金属导轨上套有一个压缩弹簧和一块滑块，六根SMA金属丝一端固定在六块滑块上，跨过滑轮组上的尼龙外套后，SMA金属丝的另一端固定在第三连接件上。

所述控制系统包括Windows PC、实时控制器、I\O模块、驱动电路、SMA金属丝和角度传感器；Windows PC和实时控制器通过网络接口进行通信，I\O模块位于嵌入式机箱内与实时控制器相连，Windows PC通过网络接口向实时控制器发送指令，实时控制器控制输出控制信号经驱动电路直接驱动SMA金属丝，角度传感器的反馈信号经驱动电路传回给实时控制器。

所述的驱动电路包括光耦4N25、非门74LS14、L9110和2K欧姆电阻组成；4N25的第一引脚通过2K欧姆电阻连接到控制器输出端，第二引脚、第四引脚接地，第三引脚、第六引脚悬空，第五引脚通过2K欧姆上拉电阻输出到74LS14的第一引脚和L9110的第七引脚，74LS14的第二引脚连接到L9110的第六引脚，74LS14的第七引脚接地，第14引脚接电源，L9110的第二引脚和第三引脚电源，第五引脚和第八引脚接地，第一引脚和第四引脚分别与驱动同一关节正向和反向的两根SMA金属丝相连。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

1.本发明将形状记忆合金金属丝内置到灵巧手的手指和手掌中直接驱动手指关节，省去了中间的传动机构，大大减小灵巧手的体积和重量。

2.本发明结构简单紧凑，体积小，重量轻，适合作为轻负载机械手臂的末端执行器实现对不同形状、尺寸的物体的灵巧抓取和精细操作。

附图说明

图1是形状记忆合金驱动的灵巧手结构示意图；

图2是本发明的回旋机构驱动方式示意图；

图3(a)是本发明的滑轮和尼龙外套结构示意图；

图3(b)是本发明的滑轮转轴结构示意图；

图4是本发明的远指节骨装配示意图；

图5是本发明的中指节骨装配示意图；

图6是本发明的近指节骨装配示意图；

图7是本发明的手掌装配示意图；

图8是本发明的驱动电路原理图；

图9是本发明的控制系统结构示意图；

图中，第一根手指1、第二根手指2、第三根手指3、手掌4、远指节骨5、中指节骨6、近指节骨7、掌指关节8、近端指骨间关节9、远端指骨间关节10、角度传感器11、滑块12、SMA金属丝13、压缩弹簧14、金属导轨15、滑轮16、尼龙外套17、滑轮转轴18、关节轴19、关节轴承20、指尖21、M1.6X4螺丝22、第一连接件23、滑轮组24、第一支架25、第二支架26、上部固定隔板27、下部固定隔板28、第二连接件29、第三连接件30、固定横杠31、第三支架32、M2.0X10螺丝33，驱动电路34，Windows PC 35，实时控制器36，I\O模块37。

具体实施方式

如图1～7所示，形状记忆合金驱动的灵巧手包括第一根手指1、第二根手指2、第三根手指3、手掌4、控制系统，第一根手指1、第二根手指2、第三根手指3结构相同，在手掌4上设有第一根手指1、第二根手指2、第三根手指3，所述手指包括顺次连接的远指节骨5、中指节骨6和近指节骨7，每根手指具有3个自由度，远端指骨间关节10实现远指节骨的屈伸运动，近端指骨间关节9实现手指的侧摆运动，掌指关节8实现整个手指的屈伸运动，远指节骨5包括指尖21、M1.6X4螺丝22、第一连接件23，指尖21经M1.6X4螺丝22与第一连接件23相连，中指节骨6包括滑块12、SMA金属丝13、压缩弹簧14、金属导轨15、关节轴19、关节轴承20、M1.6X4螺丝22、滑轮组24、第一支架25、第二支架26、上部固定隔板27、下部固定隔板28，两块第一支架25互相平行放置，通过四个滑轮组24相连，上部固定隔板27和下部固定隔板28均通过M1.6X4螺丝22固定在两块第一支架25上，四根金属导轨15安装在上部固定隔板27和下部固定隔板28之间，每根金属导轨15上套有一个压缩弹簧14和一块滑块12，两块第一支架25的一端通过M1.6X4螺丝22连接着两块平行放置的第二支架26上，第一支架25的另一端嵌有一个关节轴承20和一根关节轴19，第二支架26上嵌有关节轴承20和关节轴19，四根SMA金属丝13一端固定在四块滑块12上，跨过滑轮组24上的尼龙外套17后，其中两根SMA金属丝13的另一端固定在第一连接件23上，另外两根SMA金属丝13的另一端固定在第二连接件29上；近指节骨7包括关节轴19、关节轴承20、M1.6X4螺丝22、第二连接件29和第三连接件30，第二连接件29通过M1.6X4螺丝22和第三连接件30相连，两个关节轴承20通过关节轴19与第三连接件30相连；所述手掌4包括SMA金属丝13、压缩弹簧14、金属导轨15、滑轮组24、固定横杠31、第三支架32、M2.0X10螺丝33，每两块第三支架32通过四个滑轮组24并排连接，六块第三支架32由并列的两根固定横杠31通过M2.0X10螺丝33固定，并排的六根金属导轨15安装在两根固定横杠31的中间，每根金属导轨15上套有一个压缩弹簧14和一块滑块12，六根SMA金属丝13一端固定在六块滑块12上，跨过滑轮组24上的尼龙外套17后，SMA金属丝13的另一端固定在第三连接件30上。

如图8所示，所述的驱动电路34包括光耦4N25、非门74LS14、L9110和2K欧姆电阻；4N25的第一引脚通过2K欧姆电阻连接到控制器输出端，第二引脚、第四引脚接地，第三引脚、第六引脚悬空，第五引脚通过2K欧姆上拉电阻输出到74LS14的第一引脚和L9110的第七引脚，74LS14的第二引脚连接到L9110的第六引脚，74LS14的第七引脚接地，第14引脚接电源，L9110的第二引脚和第三引脚电源，第五引脚和第八引脚接地，第一引脚和第四引脚分别与驱动同一关节正向和反向的两根SMA金属丝13相连。

如图9所示，所述控制系统包括Windows PC 35、实时控制器36、I\O模块37、驱动电路34、SMA金属丝13和角度传感器11；Windows PC 35和实时控制器36通过网络接口进行通信，I\O模块37位于嵌入式机箱内与实时控制器36相连，Windows PC 35通过网络接口向实时控制器36发送指令，实时控制器36控制输出控制信号经驱动电路34直接驱动SMA金属丝13，角度传感器11的反馈信号经驱动电路34传回给实时控制器36。

本发明的工作过程如下：Windows PC通过网络接口向实时控制器发送指令，实时控制器控制DO模块输出PWM控制信号给驱动电路，进入驱动电路的PWM控制信号经光耦隔离并通过74LS14逻辑取反后得到两路互补的PWM信号，该PWM信号作为推挽式功率放大器L9110的输入信号，L9110的输出信号与每个关节驱动机构的SMA金属丝两端相连，直接驱动SMA金属丝；每个关节轴的一端削去一部分嵌入角度传感器的内孔中，角度传感器的反馈信号经驱动电路板传回给AI模块，SMA金属丝受热收缩，致使滑块受SMA金属丝的拉力和压缩弹簧压缩后产生的弹性力而保持平衡，而相应的关节转过相应的角度。

Claims

1.一种形状记忆合金驱动的灵巧手，其特征在于包括第一根手指（1）、第二根手指（2）、第三根手指（3）、手掌（4）、控制系统，第一根手指（1）、第二根手指（2）、第三根手指（3）结构相同，在手掌（4）上设有第一根手指（1）、第二根手指（2）、第三根手指（3），所述手指包括顺次连接的远指节骨（5）、中指节骨（6）和近指节骨（7），每根手指具有3个自由度，远端指骨间关节（10）实现远指节骨的屈伸运动，近端指骨间关节（9）实现手指的侧摆运动，掌指关节（8）实现整个手指的屈伸运动，远指节骨（5）包括指尖（21）、M1.6X4螺丝（22）、第一连接件（23），指尖（21）经M1.6X4螺丝（22）与第一连接件（23）相连，中指节骨（6）包括滑块（12）、SMA金属丝（13）、压缩弹簧（14）、金属导轨（15）、关节轴（19）、关节轴承（20）、M1.6X4螺丝（22）、滑轮组（24）、第一支架（25）、第二支架（26）、上部固定隔板（27）、下部固定隔板（28），两块第一支架（25）互相平行放置，通过四个滑轮组（24）相连，上部固定隔板（27）和下部固定隔板（28）均通过M1.6X4螺丝（22）固定在两块第一支架（25）上，四根金属导轨（15）安装在上部固定隔板（27）和下部固定隔板（28）之间，每根金属导轨（15）上套有一个压缩弹簧（14）和一块滑块（12），两块第一支架（25）的一端通过M1.6X4螺丝（22）连接着两块平行放置的第二支架（26）上，第一支架（25）的另一端嵌有一个关节轴承（20）和一根关节轴（19），第二支架（26）上嵌有关节轴承（20）和关节轴（19），四根SMA金属丝（13）一端固定在四块滑块（12）上，跨过滑轮组（24）上的尼龙外套（17）后，其中两根SMA金属丝（13）的另一端固定在第一连接件（23）上，另外两根SMA金属丝（13）的另一端固定在第二连接件（29）上；近指节骨（7）包括关节轴（19）、关节轴承（20）、M1.6X4螺丝（22）、第二连接件（29）和第三连接件（30），第二连接件（29）通过M1.6X4螺丝（22）和第三连接件（30）相连，两个关节轴承（20）通过关节轴（19）与第三连接件（30）相连；所述手掌（4）包括SMA金属丝（13）、压缩弹簧（14）、金属导轨（15）、滑轮组（24）、固定横杠（31）、第三支架（32）、M2.0X10螺丝（33），每两块第三支架（32）通过四个滑轮组（24）并排连接，六块第三支架（32）由并列的两根固定横杠（31）通过M2.0X10螺丝（33）固定，并排的六根金属导轨（15）安装在两根固定横杠（31）的中间，每根金属导轨（15）上套有一个压缩弹簧（14）和一块滑块（12），六根SMA金属丝（13）一端固定在六块滑块（12）上，跨过滑轮组（24）上的尼龙外套（17）后，SMA金属丝（13）的另一端固定在第三连接件（30）上。

2.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金驱动的灵巧手，其特征在于所述控制系统包括Windows PC（35）、实时控制器（36）、I\O模块（37）、驱动电路（34）、SMA金属丝（13）和角度传感器（11）；Windows PC（35）和实时控制器（36）通过网络接口进行通信，I\O模块（37）位于嵌入式机箱内与实时控制器（36）相连，Windows PC（35）通过网络接口向实时控制器（36）发送指令，实时控制器（36）控制输出控制信号经驱动电路（34）直接驱动SMA金属丝（13），角度传感器（11）的反馈信号经驱动电路（34）传回给实时控制器（36）。

3.根据权利要求2所述的一种形状记忆合金驱动的灵巧手，其特征在于所述的驱动电路（34）由光耦4N25、非门74LS14、L9110和2K欧姆电阻组成；4N25的第一引脚通过2K欧姆电阻连接到实时控制器输出端，第二引脚、第四引脚接地，第三引脚、第六引脚悬空，第五引脚通过2K欧姆上拉电阻输出到74LS14的第一引脚和L9110的第七引脚，74LS14的第二引脚连接到L9110的第六引脚，74LS14的第七引脚接地，第14引脚接电源，L9110的第二引脚和第三引脚接电源，第五引脚和第八引脚接地，第一引脚和第四引脚分别与驱动同一关节正向和反向的两根SMA金属丝（13）相连。