CN103963066A - 一种基于ipmc电致动材料简化结构多自由度机械抓手 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于IPMC电致动材料简化结构多自由度机械抓手，当施加电激励信号，电信号经由组合电极传递给旋转盘上表面的六条IPMC肌肉条，协同配合弯曲驱动，作用力通过驱动支撑传递至驱动支架，经由驱动支架传递至旋转盘上，产生绕旋转盘表层驱动单向转矩，使得旋转盘绕着轴实现旋转运动，实现旋转盘的转动输出；在电激励信号下，驱动抓取部件处的IPMC肌肉条经由组合电极电流供应，带动驱动支架的关节运动，两个关节间可以独立控制，且三个抓手间实现协调、配合，完成整个抓取过程。本发明设计符合节能环保的绿色设计理念；各个驱动关节独立控制，提高了机械抓手抓取的灵活性。

Description

一种基于IPMC电致动材料简化结构多自由度机械抓手

技术领域

本发明涉及的是一种机械人，具体地说是机械手结构。

背景技术

目前，工业机械手的研究获得国内外相关学者的广泛关注，其能够高效率、高质量完成重复性作业任务，减轻人工劳动以提高工业产值，而且，在一些特殊工作机器人领域的应用等方面的实践特性，使得工业机械手在工业生产中扮演着重要角色。现阶段，无论是工业机械手或者微型机械手的开发，都并未脱离电机驱动及复杂的机械结构设计，这种复杂的结构无可避免的造成机械手的重量增加、能耗加大，同时，增大的加工的制造成本，为安装带来极大的不便，这些因素使得研究一种简化架构的机械抓手凸显出重要的研究意义；离子聚合物金属复合材料(IPMC)是一种新型的智能材料，在电激励下能够提供较大变形，与电机驱动不同，IPMC可以直接实现力的线性输出，该特性具有重要的应用价值，虽然目前很多研究机构针对于智能材料的驱动抓手研究的较多，然而，大部分研究只是局限于将驱动材料两片组合直接应用于抓取，这类结构设计仅可以实现单自由度的驱动，无法满足后期应用开发时对机械手的使用要求，对于机械抓手的研究领域也凸显了极大的缺陷。为了改变智能材料单自由度驱动的局限性，同时，克服复杂的结构设计方案的存在的显著缺陷，因此，设计一种基于IPMC电致动材料驱动，简化结构且能够实现旋转、抓取动作的多自由度机械手，显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供可以实现驱动关节旋转及抓取动作的一种基于IPMC电致动材料简化结构多自由度机械抓手。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于IPMC电致动材料简化结构多自由度机械抓手，其特征是：包括旋转盘、轴、旋转盘驱动单元、驱动抓取单元，旋转盘驱动单元包括驱动支撑架、第一IPMC肌肉条、第一组合电极，第一组合电极包括正电极、负电极，正电极和负电极上均安装第一-第三金属板，正电极的第二金属板与负电极的第一金属板之间设置第一绝缘层，正电极的第三金属板与负电极的第二金属板之间设置第二绝缘层，轴上安装设置矩形槽的轮，轴上位于轮的两端分别为光轴和螺纹，旋转盘的中部安装滚子轴承，光轴安装在滚子轴承里，第一组合电极安装在矩形槽里，驱动支撑架固定在旋转盘上，第一IPMC肌肉条的两端分别连接驱动支撑架和第一组合电极，驱动抓取单元包括装配底板、第一-第二驱动支架、第二-第三组合电极、第二-第三IPMC肌肉条，装配底板安装在旋转盘上，第一驱动支架通过连接轴安装在装配底板上，第二驱动支架安装在第一驱动支架上，第一驱动支架上分别安装第二组合电极和第一固定夹，第二组合电极和第一固定夹之间安装第二IPMC肌肉条，第二驱动支架上分别安装第三组合电极和第二固定夹，第三组合电极和第二固定夹之间安装第三IPMC肌肉条，第二驱动支架的端部安装刚性尾爪，旋转盘驱动单元与驱动抓取单元位于旋转盘的两侧。

本发明还可以包括：

1、所述的旋转盘驱动单元和矩形槽有五组，相对于圆盘的圆周方向均匀布置。

2、所述的驱动抓取单元有三组，三组驱动抓取单元相对于圆盘的圆周方向均匀布置。

本发明的优势在于：相对于传统机械抓手，显著简化结构设计，减轻了自身的重量，节约了传动过程中的能量耗散，同时减低了制造的成本，方便安装与维护；提出了一种新型且基于IPMC电致动材料的多自由度机械手，添补了智能材料领域中多自由度机械手研究的空缺，为实践应用提供了一种创新的设计方法；鉴于IPMC电致动材料是一种绿色的仿生材料，本发明设计符合节能环保的绿色设计理念；各个驱动关节独立控制，提高机械抓手抓取的灵活性。

附图说明

图1是旋转盘驱动部件结构图；

图2轮轴部件图；

图3是滚子轴承零件图；

图4a是组合电极结构图a，图4b是组合电极结构图b，图4c是组合电极结构图c；

图5是驱动抓取部件结构图；

图6是本发明整体视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～6，本发明主要由旋转盘驱动部件I、驱动抓取部件II两部分构成，在旋转盘5的中心孔位置安装有滚子轴承9并与其固定连接，未开有螺纹头8的轴6端侧安装于滚子轴承9内部，轴6中间位置固定连接矩形轮7，矩形轮7周围连接有组合电极4，IPMC肌肉条2一端连接组合电极4，另一端连接固定于驱动支撑3上，驱动支撑3置于驱动支撑架1内，驱动支撑架1与旋转盘5固定，六条IPMC人工肌肉条2均匀分布在旋转盘5上表面；在旋转盘5的下表面，3个装配底板23均匀分布，在驱动底板23上，通过连接轴连接有驱动支架19，驱动支架19中间通过固定夹22与组合电极20固定IPMC肌肉条21，驱动架19的另一端连接下级关节，通过固定夹16与组合电极18固定IPMC肌肉条17于驱动架15上，在驱动架15的端侧安装有刚性尾爪14。

当施加电激励信号，电信号经由组合电极4传递给旋转盘5上表面的六条IPMC肌肉条2，协同配合弯曲驱动，作用力通过驱动支撑3传递至驱动支架1，经由驱动支架1传递至旋转盘5的上，产生绕旋转盘5表层驱动单向转矩，使得旋转盘5绕着轴6实现旋转运动，实现旋转盘5的转动输出；在电激励信号下，驱动抓取部件II处的IPMC肌肉条17及21经由组合电极组合电极18与20电流供应，带动驱动支架15及19的关节运动，两个关节间可以独立控制，且3个抓手间实现协调、配合，完成整个抓取过程。

结合图1～4，旋转盘驱动部件I主要由驱动支撑架1、IPMC肌肉条2、驱动支撑3、组合电极4、旋转盘5、矩形轮7、轴6、螺纹头8、滚子轴承9、电线10、电极片11与13、绝缘层12组成。图4中，组合电极4组合由电线10、电极片11与13、绝缘层12及IPMC肌肉条2组成，采用E字形的导电板结构，在靠近侧板处焊接小片的电极片11，电极片11上焊接有电线10，采用两片相同结构的E字形的导电板中间贴有绝缘层12进行交叉连接，IPMC肌肉条2安装于两个导电板中间；通过对组合电极4的结构设计，可以增加IPMC肌肉条2的片数，进而提高驱动力的输出；驱动支撑架1与旋转盘5固定连接，其作用是实现IPMC肌肉条作用力的传递；矩形轮7内部装配组合电极，用于IPMC肌肉条的驱动与支撑；轴6与矩形轮7固定，在工作是保持静止；旋转盘5通过滚子轴承9装配一体，其内侧于轴的一端装配连接；螺纹头8的作用是为后期装配时作为连接件。旋转盘驱动部件I内部主要配合关系为，驱动支撑3装配于驱动支撑架1的槽内，在旋转盘5上，IPMC肌肉条2一端利用驱动支撑3夹持固定，一端通过组合电极4固定于矩形轮7上，并基于以上结构，采用6组结构对称于轴心布置，以矩形轮7为依托，分布于旋转盘5上；轴6的头部开有螺纹头8，矩形轮7穿过中心固定，未开有螺纹头8的一侧装入滚子轴承9，滚子轴承9与旋转盘5的中心孔处装配连接。

具体工作原理：

当外部获得电压激励信号，通过组合电极4将电流信号传递给IPMC肌肉条2，使得的六组IPMC肌肉条2同时弯曲，作用力通过夹持固定端的驱动支撑3传递给驱动支撑1，经由力的组合叠加，使得旋转盘5产生单方向的转矩，以轴6作为中心，驱动滚子轴承9，使得旋转盘5进行旋转，最终实现旋转盘驱动部件的轴向运动的目的。

结合图5与6，驱动抓取部件II主要由刚性尾爪14、驱动支架15与19、固定夹16和22、IPMC肌肉条17及21、组合电极18与20，装配底板23组成。其中，装配底板23上安装有驱动支架19，驱动支架19中间开有方形槽，方形槽前段连接固定夹22，末端连接组合电极20，IPMC肌肉条21的一端连接固定夹22，一端连接组合电极20，两段驱动支架间通过销轴连接，驱动支架15中间开有方形槽，在槽内接近销轴连接侧的槽内连接组合电极18，背离端的方形槽内连接支持固定夹16，中间的IPMC肌肉条17的经由组合电极18及固定夹16连接，在驱动支架15的末端，安装一个刚性尾爪14；三个上述装配结构，以装配底板23为支撑，对称分布并固定在旋转盘5的底板处，构成整个驱动抓取部件II。组合电极18及20相互采用并联组合形式，方便操作及安装，同时，两个关节可以实现独立控制，提高机械手运动的灵活性；刚性尾爪14方便于物体的抓取及固定。

具体工作原理：

当电压激励信号，通过组合电极20将电信号传递至IPMC肌肉条21，使得其弯曲变形，带动驱动支架19绕着装配底板23转动，使得上部分关节的驱动支架19弯曲运动，同时，通过组合电极18将电信号传递IPMC肌肉条17运动，使得驱动支架15头部的刚性尾爪14绕着驱动支架19运动，最终，通过两个关节相互配合及三个抓手之间的协调关系，实现驱动抓取动作。

Claims (3)

1.一种基于IPMC电致动材料简化结构多自由度机械抓手，其特征是：包括旋转盘、轴、旋转盘驱动单元、驱动抓取单元，旋转盘驱动单元包括驱动支撑架、第一IPMC肌肉条、第一组合电极，第一组合电极包括正电极、负电极，正电极和负电极上均安装第一-第三金属板，正电极的第二金属板与负电极的第一金属板之间设置第一绝缘层，正电极的第三金属板与负电极的第二金属板之间设置第二绝缘层，轴上安装设置矩形槽的轮，轴上位于轮的两端分别为光轴和螺纹，旋转盘的中部安装滚子轴承，光轴安装在滚子轴承里，第一组合电极安装在矩形槽里，驱动支撑架固定在旋转盘上，第一IPMC肌肉条的两端分别连接驱动支撑架和第一组合电极，驱动抓取单元包括装配底板、第一-第二驱动支架、第二-第三组合电极、第二-第三IPMC肌肉条，装配底板安装在旋转盘上，第一驱动支架通过连接轴安装在装配底板上，第二驱动支架安装在第一驱动支架上，第一驱动支架上分别安装第二组合电极和第一固定夹，第二组合电极和第一固定夹之间安装第二IPMC肌肉条，第二驱动支架上分别安装第三组合电极和第二固定夹，第三组合电极和第二固定夹之间安装第三IPMC肌肉条，第二驱动支架的端部安装刚性尾爪，旋转盘驱动单元与驱动抓取单元位于旋转盘的两侧。

2.根据权利要求1所述的一种基于IPMC电致动材料简化结构多自由度机械抓手，其特征是：所述的旋转盘驱动单元和矩形槽有五组，相对于圆盘的圆周方向均匀布置。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于IPMC电致动材料简化结构多自由度机械抓手，其特征是：所述的驱动抓取单元有三组，三组驱动抓取单元相对于圆盘的圆周方向均匀布置。