CN103753593B - 一种柔顺性可控的仿生手指 - Google Patents

Abstract

<b>本发明涉及一种柔顺性可控的仿生手指。该柔顺性可控的仿生手指包括浇注成手指状的仿生皮肤，电磁线圈，应变片传感器，磁流变液，密封凸台，刚性支撑体，手指控制盒，指甲座，密封胶，密封垫圈，紧定螺钉；该柔顺性可控的仿生手指的</b><b>控制电路主要由三运放高共模抑制比放大电路、数模转换及单片机芯片原理电路、晶振电路、复位电路、电源电路组成；</b><b>该柔顺性可控的仿生手指</b><b>是一种基于磁流变液的柔顺可控手指，能实现磁流变液连续的、可控的“液—固”状态转换；当施加力给仿生手指时，能保证手指形变量在一定范围内，不至于过大而损坏，也不至于过小而柔性不足，</b><b>以提高机器人与外部世界相互协调工作能力。</b>

Description

一种柔顺性可控的仿生手指

技术领域

本发明涉及一种工业机器人技术领域，尤其是一种柔顺性可控的仿生手指。

背景技术

目前，机械臂末端的多指灵巧手手指若采用刚性结构，容易造成两个方面的问题：一是不符合人类手指的实际情况，不能很好地达到仿生的要求；二是容易对一些物体表面造成损伤以及难以实现柔顺抓握。但是使用通常的柔性不可控结构，手指形变量又得不到保证，形变过大会造成损坏，不能自我保护。随着智能机器人技术的发展,开发和研制实用的柔顺可控触觉传感器,即柔顺性可控的仿生手指,以提高机器人与外部世界相互协调工作的能力,是机器人技术发展的关键技术之一。

发明内容

为了提高机器人与外部世界相互协调工作的能力，本发明提供一种柔顺性可控的仿生手指。该仿生手指是一种基于磁流变液的柔顺可控手指，磁流变液是一种智能材料，能实现连续的、可控的“液—固”状态转换，可以通过控制加在磁流变液上的磁感应强度来控制其粘稠度和屈服应力大小。当施加力给仿生手指时，能保证手指形变量在一定范围内，不至于过大而损坏，也不至于过小而柔性不足，以提高机器人与外部世界相互协调工作的能力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该仿生手指包括:浇注成手指状的仿生皮肤，电磁线圈，应变片传感器，磁流变液，密封凸台，刚性支撑体，手指控制盒，指甲座，密封胶，密封垫圈，紧定螺钉；该柔顺性可控的仿生手指主要由仿生手指皮层结构、仿生手指内部结构和仿生手指的电路结构构成。

构成仿生手指皮层结构的主要特征为，仿生皮肤采用硅橡胶浇注成手指状，共有三层，仿生皮肤内层、仿生皮肤中间层和仿生皮肤最外层；仿生皮肤内层，其表面均匀绕制铜质的电磁线圈，电磁线圈两端引线引出皮肤；仿生皮肤中间层的下表面粘有应变片传感器，应变片采用的是KFH-03-5-C1-11L1M2R型应变片（测量网格0.3mm×1.96mm，载体尺寸4.5mm×3.9mm），贴片位置为仿生手指受力主应力最大的位置；仿生皮肤最外层的下表面带有仿手指纹理，达到模拟手指指纹和增大仿生手指与接触物体的摩擦力的作用，应变片传感器的引出线要引出皮肤，仿生手指上表皮钻有2个开孔，开口端钻有4个开孔。

构成仿生手指内部结构的结构特征主要是，在整个仿生手指内部填充有磁流变液，磁流变液以聚合物PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）包覆5000目的羰基铁为悬浮颗粒、以硅油为母液、以油酸和OP乳化剂为表面活性剂，采用强制搅拌工艺配制得到；该磁流变液易于分散且沉降稳定性好。在仿生手指开口端设有密封凸台，密封凸台和刚性支撑体及手指控制盒通过螺纹连成一体，其中与刚性支撑体相连接的螺纹孔为M6，与仿生皮肤连接的螺纹孔为M3，与手指控制盒连接的螺纹通孔为M3；密封凸台采用树脂材料制成，增加其与硅橡胶皮肤贴合密封性；仿生皮肤和密封凸台间通过聚氨酯密封胶粘接，在仿生皮肤最外层垫有密封垫圈，由紧定螺钉连接固定，能够有效地对仿生手指进行严格密封，防止磁流变液泄漏。刚性支撑体置于仿生手指内部，一端与密封凸台配合的外螺纹连接，另一端伸至手指指尖处，其外形为圆柱形，在其侧面有两个与指甲盖螺钉配合的螺纹孔，刚性支撑体采用的是磁芯，一方面起到支撑手指作用，另一方面磁芯可以增大线圈的磁场，使磁流变效应发生的更为迅速，缩短磁流变效应的时间。密封凸台的另一端连接的是手指控制盒，手指控制盒为塑料材质，内部带有控制电路。手指上表皮通过螺钉穿过开口和刚性支撑体连接达到指甲座的固定，指甲座材质为尼龙，其作用是模拟真实手指指甲和配合刚性支撑体起支撑仿生手指的作用。

该仿生手指的电路特征主要为：手指控制盒中的控制电路主要由三运放高共模抑制比放大电路、数模转换及单片机芯片原理电路、晶振电路、复位电路、电源电路组成。

控制电路中的三运放高共模抑制比放大电路，选用的是全桥式的差动电桥，采用差动输入集成运算放大器来抑制来自应变片传感器的信号所伴随着的共模电压，将全桥电路的电压输出分别接两个LM324芯片的输入端3引脚，LM324的11引脚接地，4引脚输入12V电压，最终通过运算放大器的1引脚输出信号；通过三运放高共模抑制比放大电路放大的信号经过第一AD芯片PCF8591（Ⅰ）的1管脚输入该芯片，第一AD芯片PCF8591（Ⅰ）的5管脚，6管脚，7管脚为其I2C总线的地址端，直接将5，6，7，8管脚接地，15管脚和16管脚接电源5V，12管脚、13管脚接地，9管脚为其I2C总线模拟数据端，10管脚为其I2C总线模拟时钟端，分别接入单片机AT89C52的P1.4和P1.2口，将运算放大器输出的模拟量转换为数字量输入单片机AT89C52处理。

控制电路中的数模转换及单片机芯片原理电路中，AT89C52为单片机芯片，该芯片外接晶振电路，复位电路，电源电路和电源显示电路。单片机AT89C52的XTAL1端口和XTAL2端口连接晶振电路，晶振电路为单片机提供工作信号脉冲；在单片机RST端，连接复位电路，当接入一个低电平时，单片机会自动复位，程序又从开头运行，若没有按复位电路时，单片机RST端是高电平，不会自动复位；单片机VCC端口，连接电源电路，电源电路中使用7805芯片对输入单片机的电源进行稳压;单片机的P2.2和P2.3端口连接第二AD芯片PCF8591（Ⅱ）的SDA端口和SLA端口，使用第二AD芯片PCF8591（Ⅱ）的DA转换功能，将单片机输出的数字信号，转变成电流信号，通过其14管脚输出，控制电磁线圈电流。

电路工作时，单片机AT89C52将第一AD芯片PCF8591（Ⅰ）传来的数字量进行分析运算，处理结果再送到第二AD芯片PCF8591（Ⅱ）中，单片机编写程序，通过一个循环函数查询输入的模拟值，一旦检测到的值超出设定的范围，就通过I2C给第二AD芯片PCF8591（Ⅱ）一个新的模拟量，通过第二AD芯片PCF8591（Ⅱ）输出新的电流值，来改变第一AD芯片PCF8591（Ⅰ）检测到的模拟量。

该仿生手指的具体工作步骤为，初始时，没有力施加在仿生手指上，仿生手指无变形，并且电磁线圈中无电流。手指具有最大的柔性。在仿生手指下表面施加力，力施加时要求是缓慢逐渐增大，并且达到预定的值便停止施加。一旦有力作用在仿生手指下表面，应变片发生形变，电阻值发生变化，转化成相应的电压值输入到三运放高共模抑制比放大电路，然后经A/D转换将模拟量转换成数字量，这样检测到形变的主应变；在单片机程序中设定有形变最大和最小的两个阈值。当施加的力较小时，手指形变量较小未超过最大阈值，则不会有电流输入到电磁线圈中，手指柔性不变；当力逐渐增大超过最大阈值时，则开始有电流输入到电磁线圈中，磁流变液发生“液-固”转化，刚度逐渐增大，抑制变形的增加，单片机中的比较器会实时比较从应变片传感器输入的形变信号和设定的形变最大阈值，若形变信号大于形变最大阈值，则电流持续增加，手指刚度增加，形变量会减小，当其小于最大阈值时电流便保持不变，形变维持在最大阈值和最小阈值之间。当由于电流过大导致手指柔性不够，形变过小而小于最小阈值时，则电流会逐渐减小直到大于最小阈值。

本发明的有益效果是：该柔顺性可控的仿生手指是一种基于磁流变液的柔顺可控手指，磁流变液是一种智能材料，能实现连续的、可控的“液—固”状态转换，可以通过控制加在磁流变液上的磁感应强度来控制其粘稠度和屈服应力大小。当施加力给仿生手指时，能保证手指形变量在一定范围内，不至于过大而损坏，也不至于过小而柔性不足，以提高机器人与外部世界相互协调工作的能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为一种柔顺性可控的仿生手指的结构原理示意图。

图2为一种柔顺性可控的仿生手指的三运放高共模抑制比放大电路的电路原理示意图。

图3为一种柔顺性可控的仿生手指的数模转换及单片机芯片的电路原理示意图。

图1中，1．仿生皮肤，2仿生皮肤最外层，3.仿生皮肤中间层，4.仿生皮肤内层，5.电磁线圈，6.应变片传感器，7.磁流变液，8.密封凸台，9.刚性支撑体，10.指甲座，11.手指控制盒，12.密封胶，13.密封垫圈，14.紧定螺钉。

具体实施方式

在图1中，该柔顺性可控的仿生手指，包括：仿生皮肤1，电磁线圈5，应变片传感器6，磁流变液7，密封凸台8，刚性支撑体9，指甲座10，手指控制盒11，密封胶12，密封垫圈13，紧定螺钉14；该柔顺性可控的仿生手指主要由仿生手指皮层结构、仿生手指内部结构和仿生手指的电路结构构成。

该柔顺性可控的仿生手指的结构特征主要有：构成仿生手指皮层结构的主要特征为，仿生皮肤1采用硅橡胶浇注成手指状，共有三层，仿生皮肤内层4，仿生皮肤中间层3，仿生皮肤最外层2；仿生皮肤内层4，其表面均匀绕制铜质的电磁线圈5，电磁线圈5两端引线引出皮肤；仿生皮肤中间层3的下表面粘有应变片传感器6，应变片传感器采用的是KFH-03-5-C1-11L1M2R型应变片（测量网格0.3mm×1.96mm，载体尺寸4.5mm×3.9mm），贴片位置为仿生手指受力主应力最大的位置；仿生皮肤最外层2的下表面带有仿手指纹理，达到模拟手指指纹和增大仿生手指与接触物体的摩擦力的作用，应变片传感器6的引出线要引出皮肤，仿生手指上表皮钻有2个开孔，开口端钻有4个开孔。

构成仿生手指内部结构的结构特征主要是，在仿生手指内部填充有磁流变液7，磁流变液7以聚合物PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）包覆5000目的羰基铁为悬浮颗粒、以硅油为母液、以油酸和OP乳化剂为表面活性剂，采用强制搅拌工艺配制得到；该磁流变液易于分散且沉降稳定性好。仿生手指开口端设有密封凸台8，密封凸台8和刚性支撑体9及手指控制盒11通过螺纹连成一体，其中与刚性支撑体9相连接的螺纹孔为M6，与仿生皮肤连接的螺纹孔为M3，与手指控制盒连接的螺纹通孔为M3；密封凸台8采用树脂材料制成，增加其与硅橡胶皮肤贴合密封性；仿生皮肤1和密封凸台8间通过聚氨酯的密封胶12粘接，在仿生皮肤最外层4垫有密封垫圈13，并通过紧定螺钉14将仿生皮肤1和密封凸台8连接固定，能够有效地对仿生手指进行严格密封，防止磁流变液7泄漏。刚性支撑体9置于仿生手指内部，一端与密封凸台8配合的外螺纹连接，另一端伸至手指指尖处，其外形为圆柱形，在其侧面有两个与指甲座10螺钉配合的螺纹孔，刚性支撑体9采用的是磁芯，一方面起到支撑手指作用，另一方面磁芯可以增大线圈的磁场，使磁流变效应发生的更为迅速，缩短磁流变效应的时间。密封凸台8的另一端连接的是手指控制盒11，手指控制盒11为塑料材质，内部带有控制电路。手指上表皮通过螺钉穿过开口和刚性支撑体9连接使指甲座10固定，指甲座10为尼龙材质，其作用是模拟真实手指指甲和配合刚性支撑体起支撑仿生手指的作用。

该柔顺性可控的仿生手指的电路结构特征主要为：控制电路位于手指控制盒11中，主要由三运放高共模抑制比放大电路、数模转换及单片机芯片原理电路、晶振电路、复位电路、电源电路组成。

在图2中，控制电路中的三运放高共模抑制比放大电路，采用的是全桥式的差动电桥，采用差动输入集成运算放大器能够抑制来自应变片传感器信号所伴随着的共模电压，将全桥电路的电压输出分别接两个LM324芯片的输入端3引脚，LM324的11引脚接地，4引脚输入12V电压，最终通过运算放大器的1引脚输出信号。

在图3中，控制电路中的数模转换及单片机芯片原理电路，通过三运放高共模抑制比放大电路放大的信号经过第一AD芯片PCF8591（Ⅰ）的1管脚输入该芯片，第一AD芯片PCF8591（Ⅰ）的5管脚，6管脚，7管脚为其I2C总线的地址端，直接将5，6，7，8管脚接地，15管脚和16管脚接电源5V，12管脚、13管脚接地，9管脚为其I2C总线模拟数据端，10管脚为其I2C总线模拟时钟端，分别接入单片机AT89C52的P1.4和P1.2口，将运算放大器输出的模拟量转换为数字量输入单片机AT89C52处理；AT89C52为单片机芯片，该芯片外接晶振电路，复位电路，电源电路和电源显示电路。单片机XTAL1端口和XTAL2端口连接晶振电路，晶振电路为单片机提供工作信号脉冲；在单片机RST端，连接复位电路，当接入一个低电平时，单片机会自动复位，程序又从开头运行，若没有按复位电路时，单片机RST端是高电平，不会自动复位；单片机VCC端口，连接电源电路，电源电路中使用7805芯片对输入单片机的电源进行稳压;单片机的P2.2和P2.3端口连接第二AD芯片PCF8591（Ⅱ）的SDA端口和SLA端口，使用第二AD芯片PCF8591（Ⅱ）的DA转换功能，将单片机输出的数字信号，转变成电流信号，通过其14管脚输出，控制电磁线圈电流。

电路工作时，单片机AT89C52将第一AD芯片PCF8591（Ⅰ）传来的数字量进行分析运算，处理结果再送到第二AD芯片PCF8591（Ⅱ）中，单片机编写程序，通过一个循环函数查询输入的模拟值，一旦检测到的值超出设定的范围，就通过I2C给第二AD芯片PCF8591（Ⅱ）一个新的模拟量，通过第二AD芯片PCF8591（Ⅱ）输出新的电流值，来改变第一AD芯片PCF8591（Ⅰ）检测到的模拟量。

该仿生手指的具体工作步骤为，初始时，没有力施加在仿生手指上，仿生手指无变形，并且电磁线圈中无电流，手指具有最大的柔性。在仿生手指下表面施加力，力施加时要求是缓慢逐渐增大，并且达到预定的值便停止施加。一旦有力作用在仿生手指下表面，应变片发生形变，电阻值发生变化，转化成相应的电压值输入到三运放高共模抑制比放大电路，然后经A/D转换将模拟量转换成数字量，这样检测到形变的主应变；在单片机程序中设定有形变最大和最小的两个阈值。当施加的力较小时，手指形变量较小未超过最大阈值，则不会有电流输入到电磁线圈中，手指柔性不变；当力逐渐增大超过最大阈值时，则开始有电流输入到电磁线圈中，磁流变液发生“液-固”转化，刚度逐渐增大，抑制变形的增加，单片机中的比较器会实时比较从应变片传感器输入的形变信号和设定的形变最大阈值，若形变信号大于形变最大阈值，则电流持续增加，手指刚度增加，形变量会减小，当其小于最大阈值时电流便保持不变，形变维持在最大阈值和最小阈值之间。当由于电流过大导致手指柔性不够，形变过小而小于最小阈值时，则电流会逐渐减小直到大于最小阈值。

Claims (5)

1.一种柔顺性可控的仿生手指，主要由仿生手指皮层结构、仿生手指内部结构和仿生手指的电路结构构成；包括：仿生皮肤（1），电磁线圈（5），应变片传感器（6），磁流变液（7），密封凸台（8），刚性支撑体（9），手指控制盒（11），指甲座（10），密封胶（12），密封垫圈（13），紧定螺钉（14）；其皮层结构特征是：该仿生手指的皮层结构为：仿生皮肤（1）采用硅橡胶浇注而成，共有三层，仿生皮肤内层（4），仿生皮肤中间层（3），仿生皮肤最外层（2）；仿生皮肤内层（4），其表面均匀绕制铜质的电磁线圈（5），电磁线圈（5）两端引线引出皮肤；仿生皮肤中间层（3）的下表面粘有应变片传感器（6），贴片位置为仿生手指受力主应力最大的位置；仿生皮肤最外层（2）的下表面带有仿手指纹理，达到模拟手指指纹和增大仿生手指与接触物体的摩擦力的作用，应变片传感器（6）的引出线要引出皮肤，仿生手指上表皮钻有2个开孔，开口端钻有4个开孔。

2.根据权利要求1所述的一种柔顺性可控的仿生手指，其内部结构特征是：在仿生手指内部填充有磁流变液（7），该磁流变液易于分散且沉降稳定性好；仿生手指开口端设有密封凸台（8），密封凸台（8）和刚性支撑体（9）及手指控制盒（11）通过螺纹连成一体，其中与刚性支撑体（9）相连接的螺纹孔为M6，与仿生皮肤连接的螺纹孔为M3，与手指控制盒连接的螺纹通孔为M3；密封凸台（8）采用树脂材料制成，增加其与硅橡胶皮肤贴合密封性；仿生皮肤（1）和密封凸台（8）间通过聚氨酯的密封胶（12）粘接，在仿生皮肤最外层（4）垫有密封垫圈（13），并通过紧定螺钉（14）将仿生皮肤（1）和密封凸台（8）连接固定，能够有效地对仿生手指进行严格密封，防止磁流变液（7）泄漏；刚性支撑体（9）置于仿生手指内部，一端与密封凸台（8）配合的外螺纹连接，另一端伸至手指指尖处，其外形为圆柱形，在其侧面有两个与指甲座（10）螺钉配合的螺纹孔，刚性支撑体（9）采用的是磁芯，一方面起到支撑手指作用，另一方面磁芯可以增大线圈的磁场，使磁流变效应发生的更为迅速，缩短磁流变效应的时间；密封凸台（8）的另一端连接的是手指控制盒（11），手指控制盒（11）为塑料材质，内部带有控制电路；手指上表皮通过螺钉穿过开口和刚性支撑体（9）连接使指甲座（10）固定，指甲座（10）为尼龙材质，其作用是模拟真实手指指甲和配合刚性支撑体起支撑仿生手指的作用。

3.根据权利要求1所述的一种柔顺性可控的仿生手指，其电路结构特征是：该柔顺性可控的仿生手指的控制电路位于手指控制盒（11）中，主要由三运放高共模抑制比放大电路、数模转换及单片机芯片原理电路、晶振电路、复位电路、电源电路组成；控制电路中的三运放高共模抑制比放大电路，采用的是全桥式的差动电桥，采用差动输入集成运算放大器能够抑制来自应变片传感器信号所伴随着的共模电压，将全桥电路的电压输出分别接两个LM324芯片的输入端3引脚，LM324的11引脚接地，4引脚输入12V电压，最终通过运算放大器的1引脚输出信号；控制电路中的数模转换及单片机芯片原理电路为，通过三运放高共模抑制比放大电路放大的信号经过第一AD芯片PCF8591（Ⅰ）的1管脚输入该芯片，第一AD芯片PCF8591（Ⅰ）的5管脚，6管脚，7管脚为其I2C总线的地址端，直接将5，6，7，8管脚接地，15管脚和16管脚接电源5V，12管脚、13管脚接地，9管脚为其I2C总线模拟数据端，10管脚为其I2C总线模拟时钟端，分别接入单片机AT89C52的P1.4和P1.2口，将运算放大器输出的模拟量转换为数字量输入单片机AT89C52处理；AT89C52为单片机芯片，该芯片外接晶振电路，复位电路，电源电路和电源显示电路；单片机AT89C52的XTAL1端口和XTAL2端口连接晶振电路，晶振电路为单片机提供工作信号脉冲；在单片机RST端，连接复位电路，当接入一个低电平时，单片机会自动复位，程序又从开头运行，若没有按复位电路时，单片机RST端是高电平，不会自动复位；单片机VCC端口，连接电源电路，电源电路中使用7805芯片对输入单片机的电源进行稳压;单片机的P2.2和P2.3端口连接第二AD芯片PCF8591（Ⅱ）的SDA端口和SLA端口，使用第二AD芯片PCF8591（Ⅱ）的DA转换功能，将单片机输出的数字信号，转变成电流信号，通过其14管脚输出，控制电磁线圈电流。

4.根据权利要求1所述的一种柔顺性可控的仿生手指，其皮层结构特征是：所述的应变片传感器（6）采用的是KFH-03-5-C1-11L1M2R型应变片，测量网格0.3mm×1.96mm，载体尺寸4.5mm×3.9mm。

5.根据权利要求2所述的一种柔顺性可控的仿生手指，其内部结构特征是：所述的磁流变液（7）以聚合物PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）包覆5000目的羰基铁为悬浮颗粒、以硅油为母液、以油酸和OP乳化剂为表面活性剂，采用强制搅拌工艺配制得到。