CN104875206B - 一种基于形状记忆合金-柔体复合结构的柔性操作手 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于形状记忆合金‑柔体复合结构的柔性操作手，所述柔性操作手由若干SMA‑柔体复合结构单元以操作手基座为中心的圆周有规律的分布，SMA‑柔体复合结构的一端与操作手基座连接，另一端为自由端。SMA‑柔体复合结构包括SMA丝、定位板、可嵌入片状板及柔性包裹材料，所述定位板中间有若干SMA丝定位孔，另一方面，定位板也被用于连接驱动器单元和操作手基座；所述可嵌入片状板是一种可变形的高分子化合物，所述柔性包裹材料是一种具有从液态固化成固态的一种化学物质；每个所述的SMA‑柔体复合结构采用嵌入式分层浇注成型。本发明通过SMA丝与多种材料的组合，实现了一种高负载能力、高抓取频率的柔性操作手。

Description

一种基于形状记忆合金-柔体复合结构的柔性操作手

技术领域

本发明公开了一种柔性操作手的设计、制备及控制方法，涉及智能材料结构和机器人技术领域。

背景技术

目前具有操作功能的工业机器人、服务机器人及特种功能机器人的操作手多数是基于传统驱动器(电机、液压等)驱动的刚体结构。借助于高强度的合金材料、高刚度的结构和大功率驱动器，这类操作手能够承载大负载并且高速运转。然而，以上所述的刚体操作手也会带给机器人系统多种弊病，如质量过重、体积太大导致不易在复杂环境(泥泞、沼泽等)中作业；耗能过高，不适合在室外或能源稀缺环境下工作；刚度过高，动能过大，使得在人员密集环境下易对人类造成伤害，限制了机器人的应用。

随着经济的快速增长，机器人的应用范围也越来越广，逐渐从局限工业应用走向的公共场所、家庭和特种行业应用。显然，传统机械手存在危险系数高、灵活性低已不再适应新的应用场合。机器人行业亟待一种新型机械手能够实现柔性材质、无损抓取，同时具有一定的负载能力和工作速度、以及较低的危险系数。

现存的具有柔性特征的操作手，其外在是部分或全部的柔性，因此大大提高了操作手的适应范围。但是，其中一些仍使用基于电机驱动的驱动结构；典型的是基于气动驱动的柔性操作手，使得操作手的工作频率低，同时工作负载极其受限。另一方面，一些操作手采用了智能材料(形状记忆合金丝/弹簧等)作为驱动器，可大大减小操作手的自重和体积，改善了柔性操作手硬件方面缺陷。然而，由于结构设计存在缺陷及制造工艺方面的不足，这类机器人同样存在着工作频率较低，负载能力弱的特点。

发明内容

本发明的目的在于：给出了基于形状记忆合金-柔体复合结构的柔性操作手的设计、制备及控制方法。该柔性操作手不同于刚性操作手，能够灵活、无损抓取易碎物品，与人安全交互协作，同时具有较高的运动频率和良好的负载能力。所述柔性操作手适用于服务机器人及特种机器人的机械臂末端抓手。

本发明采用的技术方案为：一种基于形状记忆合金(SMA)-柔体复合结构的柔性操作手，该柔性操作手，包括中心连接架和多个SMA-柔体复合结构。其特征在于：每个SMA-柔体复合结构以SMA丝作为驱动器，能够实现平面高频大范围的往复运动；SMA丝由电流进行加热，通过控制电流的通断过程，来实现所述的柔体操作手对目标物的抓取与释放动作；具体的，3个或3个以上所述的SMA-柔体复合结构分布在中心连接架的周边，每个SMA-柔体复合结构一端固定在中心连接架，另一端悬空；不同形状的SMA-柔体复合结构下层表面有助于操作手应用在多种应用环境，通常为不规则的非光滑曲面。

进一步的，所述的SMA-柔体复合结构包括柔性材料、可嵌入片状板和基于形状记忆合金丝的驱动器骨架；柔性材料包裹住可嵌入片状板和基于形状记忆合金丝的驱动器骨架，SMA-柔体复合结构利用模型嵌入式分层浇注技术成型。

进一步的，所述基于形状记忆合金丝的驱动器骨架包括形状记忆合金丝和定位板，定位板中间有若干用于固定形状记忆合金丝的定位孔，同时，定位板也作为SMA-柔体复合结构与中心连接架的固定件。

本发明的原理在于：

本发明的柔性操作手机构，包括中心连接架、SMA-柔体复合结构，其特征在于SMA-柔体复合结构由SMA丝驱动，能够实现平面高频大范围的往复运动；SMA丝由电流进行加热，通过控制电流的通断过程，来实现柔性操作手对目标物的抓取与释放动作。

本发明柔性操作手装置的结构特点在于：多个SMA-柔体复合结构分布在中心连接架的周边，SMA-柔体复合结构一端固定在中心连接架，另一端悬空；不同形状的SMA-柔体复合结构下层表面有助于操作手应用在多种应用环境，通常为不规则的非光滑曲面。

所述的SMA-柔体复合结构包括柔性材料、可嵌入片状板和基于形状记忆合金丝的驱动器骨架；柔性材料包裹住可嵌入片状板和驱动器骨架，SMA-柔体复合结构利用模型嵌入式分层浇注技术成型。

所述驱动器骨架包括形状记忆合金丝、定位板，定位板中间有若干用于固定形状记忆合金丝的定位孔，同时，定位板也作为SMA-柔体复合结构与中心连接架的固定件。

本发明的优点和积极效果：

(1)、SMA-柔体复合结构下表面非光滑曲面提高了柔性操作手抓取工件过程中柔体复合抓手与工件的接触面积，保证柔性操作手在操作过程中的稳定性和安全性。

(2)、SMA-柔体复合结构外层是柔性包裹材料，确保了柔性操作手的灵活性和安全性。

(3)、利用模型嵌入式分层浇注技术成型SMA-柔体复合结构，可嵌入板与驱动器骨架之间参数精确可控，并且与柔性材料紧密连接。

(4)、SMA-柔体复合结构可实现高频大范围的往复弯曲运动。末端方位角变化范围为0～150；最大运动范围下，在空气中可实现2Hz的往复运动频率。

(5)、柔性操作手能够灵活、无损害地抓取易碎物品，具有较高的运动频率和良好的负载能力，其在空气中，的运动频率可达到2Hz，能够抓取1kg以上(约为其自重的10倍以上)的负载。

附图说明

图1是柔性操作手的整体视图；

图2是柔体复合抓手机构中的驱动器骨架。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，图1为本发明提供的柔性操作手结构示意图，包括SMA-柔体复合结构1与中心连接件2，中心连接件2外侧用于连接若干SMA-柔体复合结构1，SMA-柔体复合结构数量大于或等于三个，且可辐射对称分布在中心连接件2圆周周围，也可不规则分布以便应用在特殊环境中，上端定位孔3用于将柔性操作手2固定在机器人的操作臂上。

柔性操作手通过控制电流通断加热-冷却形状记忆合金来控制SMA-柔体复合结构1的弯曲与回复运动，抓取过程中，SMA-柔体复合结构1下表面与工件接触；SMA-柔体复合结构下表面形状可有多种形式。

SMA-柔体复合结构下表面形状，优选的，如平面、锯齿状平面、规则曲面及不规则锯齿状曲面。

图2是所述SMA-柔体复合结构1的结构示意图，其结构特征是由柔性材料4包裹可嵌入片状板5和基于形状记忆合金丝的驱动器骨架；所述驱动器骨架包括形状记忆合金丝6及定位块7。在两定位块之间的平行形状记忆合金丝数量大于等于1根。

所述平行形状记忆合金丝之间可以由一根丝依次穿过位于定位板上的定位孔，形成串联形式，也可将各平行形状记忆合金丝6联通，形成多种形式的并联形式。

形状记忆合金丝6排列方式可以是平行和不规则排列的。优选的，形状记忆合金丝6平行排列；优选的，之间间距4mm。

优选的，柔性材料4可使用PDMS、ecoflex、人体及工业硅胶。

优选的，可嵌入片状板5可使用PVC板，ABS板、合金薄板及高分子聚合物板。

优选地，可嵌入片状板的形状可以是矩形，圆形等。

SMA-柔体复合结构1采用模型嵌入式分层浇注技术成型，首先，将驱动骨架放置于抓手模具中，浇注第一层柔性材料4，其次，待所浇注的第一次柔性材料固化完成后，放置可嵌入片状板5，浇注第二层柔性材料，待固化完成后取出柔体复合抓手1成型件。

Claims (2)

1.一种基于形状记忆合金-柔体复合结构的柔性操作手，该柔性操作手，包括中心连接架和多个形状记忆合金-柔体复合结构，其特征在于：每个形状记忆合金-柔体复合结构以形状记忆合金丝作为驱动器，能够实现平面高频大范围的往复运动；形状记忆合金丝由电流进行加热，通过控制电流的通断实现所述的柔体操作手对目标物的抓取与释放动作；具体的，3个或3个以上所述的形状记忆合金-柔体复合结构分布在中心连接架的周边，每个形状记忆合金-柔体复合结构一端固定在中心连接架，另一端悬空；不同形状的形状记忆合金-柔体复合结构下层表面有助于操作手应用在多种应用环境，所述形状记忆合金-柔体复合结构下层表面为不规则的非光滑曲面；

所述的形状记忆合金-柔体复合结构包括柔性材料、可嵌入片状板和基于形状记忆合金丝的驱动器骨架；柔性材料包裹住可嵌入片状板和基于形状记忆合金丝的驱动器骨架，形状记忆合金-柔体复合结构利用模型嵌入式分层浇注技术成型。

2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金-柔体复合结构的柔性操作手，其特征在于：所述基于形状记忆合金丝的驱动器骨架包括形状记忆合金丝和定位板，定位板中间有若干用于固定形状记忆合金丝的定位孔，同时，定位板也作为形状记忆合金-柔体复合结构与中心连接架的固定件。