CN107081777A - 基于形状记忆合金柔体智能数字复合结构的仿人灵巧手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于形状记忆合金(SMA)柔体智能数字复合结构的仿人灵巧手，由五个不同尺寸SMA柔性智能数字复合结构、柔性包裹材料组成，每个SMA‑柔性智能数字复合结构的尺寸均对应人手的一个手指及其掌骨。所述SMA柔体智能复合结构有两段组成，一段是刚性结构，仿照人手的掌骨结构；另一段是柔性变形结构，仿照人手的手指部分。所述SMA柔体智能数字复合结构由3D掌骨、智能数字驱动骨架、弹性薄板及柔性包裹材料组成。所述SMA柔体智能数字复合结构构由智能数字驱动骨架、薄板及柔性包裹材料组成，能够实现自反馈控制与数字化的弯曲运动。该灵巧手具有外形和动作仿真度高、成本低、安全性及兼容性良好且可控性强等优点。

Description

基于形状记忆合金柔体智能数字复合结构的仿人灵巧手

技术领域

本发明涉及智能材料和机器人的技术领域，具体涉及一种基于SMA柔体智能数字复合结构的仿人灵巧手。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，机器人在人类的工业生产和日常生活中扮演着越来越重要的角色。机器人已经不仅仅局限于制造环境下应用的工业机器人，在工业生产中从事长时间、重复单调的作业，诸如喷涂机器人、焊接机器人和装配机器人等。作为当前机器人的另一大分支——非制造环境下应用的服务机器人也发挥着越来越重要的作用，这些机器人在个人/家用以及专用服务领域充当着重要角色，包括家庭作业、休闲娱乐、残障辅助、医用、国防安全、物流用途等方面。随着机器人应用需求的上升，国务院颁布的《中国制造2025》指出将机器人作为十大重点领域之一，未来十年，我国机器人的发展将迎来一个高潮。

早期的灵巧手主要是作为假肢或者简单的末端夹具操作器，1962年由Tomovic和Boni设计的Belgrade手被认为是最早的灵巧手。自20世纪70年代开始，机器人多指灵巧手的系统研究开始在国际上进行。在灵巧手研究早期出现了很多优秀的研究成果，例如Okada灵巧手、Stanford/JPL灵巧手，Utah/MIT灵巧手和Hitachi手等，这些研究成果都对后来灵巧手的研究发展起到了非常重要的指导作用。上述的灵巧手整体表现为刚性，手指驱动一般采用腱传动，间接传递运动及动力到手指的对应关节。驱动方式模仿人类手指关节的驱动机理，可以减轻执行系统的重量，但是不容易建立末端执行器的运动学和动力学模型，影响对执行器的控制，此外，传统刚性执行器表现为结构复杂，运动形式单一，价格昂贵等缺点。

因此，仿人灵巧手这一概念被科研工作者提出。由于仿人灵巧手具有很好的柔顺性和安全性，在服务机器人领域具有很好的应用前景。仿人灵巧手的驱动方式主要有气压、液压、绳索(腱)等方式，气压输出力较大，过载保护好，但是灵敏度差，位置控制较复杂；液压具有很强的稳定性和可靠性，但是易泄露，不适用于远距离操作；绳索驱动使得灵巧手结构简单，质量轻，但是运动灵活性和精度较差。

发明内容

本发明目的在于：提供一种基于形状记忆合金(SMA)柔体智能数字复合结构的仿人灵巧手。该灵巧手具有外形和动作仿真度高、成本低、安全性及兼容性良好且可控性强等优点。仿人灵巧手可以与特定的模仿人的手部尺寸和形状完全一致，此外，其运动方式及运动自由度同样与人类手特征一致，因而，所述仿人灵巧手能够高度仿真人手的运动及其在抓取物品的灵活性和适应性。该灵巧手可用作服务机器人、仿人机器人的智能操作手以及残障人士的智能假肢，可应用于易碎物品的操作、电影道具以及危险环境(生化，核辐射等)下的人机联动操作。仿人灵巧手外层完全由柔性材料包裹，触感与人皮肤相似，安全性高且动作柔顺，可实现类人行为手势、抓取物品和快速敲击等动作。该灵巧手可用作服务机器人、仿人机器人的智能操作手以及残障人士的智能假肢，具有广阔的应用前景。

本发明采用的技术方案为：一种基于形状记忆合金(SMA)柔体智能数字复合结构的仿人灵巧手，所述仿人灵巧手由五个不同尺寸SMA柔性智能数字复合结构、柔性包裹材料组成，每个SMA-柔性智能数字复合结构的尺寸均对应人手的一个手指及其掌骨，所述SMA柔体智能复合结构有两段组成，一段是刚性结构，仿照人手的掌骨结构；另一段是柔性变形结构，仿照人手的手指部分，所述SMA柔体智能数字复合结构由3D掌骨、智能数字驱动骨架、弹性薄板及柔性包裹材料组成，所述SMA柔体智能数字复合结构由智能数字驱动骨架、薄板及柔性包裹材料组成，能够实现自反馈控制与数字化的弯曲运动，所述数字化弯曲运动是在SMA柔性智能数字复合结构中，SMA丝有多组且每组均能够独立工作；通过加热不同数量的SMA丝，能够实现SMA柔性智能数字复合结构的不同幅度和不同力度的输出，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SMA柔体智能数字复合结构和3D掌骨。

其中，所述仿人灵巧手不仅在外形上与人手仿真度高，其内部结构设计也源于对人手的手骨、肌肉及关节的仿生研究；仿人灵巧手的外形尺寸完全与人手尺寸、外形一致。

其中，所述柔性仿人灵巧手是一种融合了形状记忆合金智能材料、3D扫描和3D打印、模型浇铸和智能数字式反馈控制的结构，柔性仿人灵巧手的外形与人手完全一致，表面柔软安全性高，通过数字化及自反馈控制可实现抓握幅度、力的控制，此外，采用多层SMA丝驱动及分布式布置SMA丝，柔性仿人灵巧手可实现可控动作输出。

其中，柔性仿人灵巧手的外形、内部运动关节位置与人手一致。仿人灵巧手制作采用基于高仿真手模的模型浇铸法，将SMA柔性智能数字复合结构嵌入到成型的仿人灵巧手中。

其中，所述仿人灵巧手中共有五个不同尺寸的SMA柔性智能数字复合结构，它们的尺寸分别模仿人手的五个手指及它们的掌骨结构，且它们的布置方法同样是基于对人手的仿生学研究。

其中，仿人灵巧手的智能反馈控制方法是基于SMA丝自反馈的多SMA丝数字化仿生控制法，所述SMA丝自反馈是基于SMA电阻变化建立的智能反馈系统，所述数字化仿生控制法是源于对人手动作的仿生研究得到，基于仿人灵巧手的智能反馈控制方法，仿人灵巧手能够实现高逼真度的仿人手动作，如手势，抓握和敲击等动作。

其中，所述SMA柔性智能数字结构是一种刚柔复合的分层结构，SMA丝贯穿整个结构中，弹性板在柔性指段和掌骨段均存在，SMA丝分层位置通过PCB板中的定位孔实现。

其中，所述SMA柔体智能数字复合结构由3D掌骨、智能数字驱动骨架、弹性薄板及柔性包裹材料组成，能够实现数字化的弯曲运动。

其中，所述3D掌骨是一种仿人手掌骨的刚性结构，可由3D打印技术加工出与人手掌骨一致的形状。

其中，所述智能数字驱动骨架由SMA丝和定位板组成，SMA丝平行布置在两块定位板之间，所述定位板是一种包含导通电路的PCB板；

所述数字化弯曲运动是通过控制SMA-柔体智能数字复合结构中的智能数字驱动骨架的SMA丝不同加热组合实现；

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。

本发明优点和积极效果为：

1)柔体复合抓手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)所述仿人灵巧手在结构设计和动作规划上紧紧扣住了仿生这一概念，其外层包裹材料采用完全柔性材料。灵巧手在结构、触感及工作方式与人手的高仿真度，大大提高了其工作可靠性、安全性及适应能力。

3)利用模型嵌入式分层浇注技术成型柔体复合抓手，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)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以上，能够抓取大于自重的负载。

5)基于SMA电学特性，将自反馈-力位混合控制方法应用到柔性智能数字复合结构的控制中，能够实现较精确的力-位控制，而不需要添加额外传感器。

6)SMA柔性智能数字复合结构是一种刚柔混合体，与人手中的掌骨与手指的组合体非常相似。SMA柔性智能数字复合结构的刚性体结构有助于增强仿人灵巧手的刚度。SMA柔性智能数字复合结构的柔性体部分能够即在结构上模仿了人手指柔软，又能够实现类手指的弯曲运动。

7)仿人灵巧手可实现手指的数字化弯曲运动，能够用于实现手指的弯曲、敲击力度和速度可控，大大提高了仿人灵巧手的运动能力和适应范围。

8)基于肌电控制下的仿人灵巧手，能够进行模式识别发出相应的指令给灵巧手，进而实现对灵巧手的人机交互操作。仿人灵巧手能够实现高逼真度的仿人手动作，如手势，抓握和敲击等动作。

9)仿人灵巧手腕部留有机械接口，方便与外部连接；系统控制板采用标准化的信息接口，可接受多种外部信号。

10)仿人灵巧手可用于仿人机器人手部、服务机器人操作手以及残障者的假肢。用于仿人机器人手部，模仿人手运动，可极大提高仿人机器人的实用性和观赏性；用于服务机器人操作手，可协助机器人工作如抓取物品，指引方向，手语交流；用于残障者的假肢，能够起到美观、协助自理基本日常生活等作用。

附图说明

图1为仿生灵巧手实物图示意图，其中，图1(a)为仿人灵巧手的正视图，图1(b)为仿人灵巧手的弯曲侧视图。

图2为仿生灵巧手中各手指SMA柔性智能数字复合结构布置示意图。

图3为单关节SMA柔性智能数字复合结构中的智能数字驱动骨架示意图，其中，1为单关节第一定位板，2为SMA丝，3为单关节第二定位板，4为单关节第三定位板。

图4为单关节SMA柔性智能数字复合结构示意图，其中，5为3D掌骨，6为柔性包裹材料，7为弹性薄片。

图5为多关节SMA柔性智能数字复合结构中的智能数字驱动骨架示意图，其中，8为多关节第一定位板，9为多关节第二定位板，10为多关节第三定位板，11为多关节第四定位板，12为多关节第五定位板。

图6为多关节SMA柔性智能数字复合结构示意图，其中，13为多关节第一层SMA丝，14为多关节第二层SMA丝，15为多关节第三层SMA丝。

图7为3D掌骨示意图，其中，16为定位板固定槽。

图8为数字化驱动骨架中的SMA丝布置示意图，其中，17为数字化第一定位板，18为数字化第二定位板，19为数字化第三定位板，20为数字化第一组SMA丝，21为数字化第二组SMA丝，22为数字化第三组SMA丝。

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。

图1是本发明所提供的基于SMA柔体智能数字复合结构的仿人灵巧手。图1(a)为仿人灵巧手的正视图，图1(b)为仿人灵巧手的弯曲侧视图，仿人灵巧手的外形与人手一致；仿人灵巧手采用模具浇铸工艺制作，将模仿五个手指的SMA-柔性智能数字复合结构浇铸而成。仿人灵巧手的外侧材料是一种柔性包裹材料。仿人灵巧手的模具基于人手制作而成，可用3D扫描和模型法两种技术；所述3D扫描是基于3D扫描技术扫描出人手的形状、尺寸，通过3D打印技术打印出模具；所述模型法是基于人手的1:1仿人假手，制作成仿人灵巧手的模具。基于上述模具成型法，所述仿人灵巧手与人手的外形、尺寸均完全相同。

优选的，柔性包裹材料可使用PDMS、Ecoflex、人体及工业硅胶。

图2为SMA柔体智能数字复合结构在仿人灵巧手中的布置。如图中所示，每个SMA柔体智能数字复合结构都有两段部分组成，一是掌骨段，另一部分是手指段；仿人灵巧手中共有五个SMA柔性智能数字复合结构，它们的尺寸分别模仿人手的五个手指及它们的掌骨结构。所述仿手指的SMA柔性智能数字复合结构在仿人灵巧手的布置方法同样是基于对人手的仿生学研究。

图3是单关节SMA柔性智能数字复合结构中的智能数字驱动骨架结构示意图。所述智能数字驱动骨架由3个定位板和若干SMA丝2组成。单关节第一定位板1与单关节第二定位板3之间为掌骨段，单关节第二定位板3与单关节第三定位板4之间为手指段。单关节第一定位板1是位于掌骨段的末端，单关节第三定位板4位于手指段的末端，单关节第二定位板3位于掌骨段和手指段之间。单关节第二定位板3固定在掌骨段上，单关节第三定位板4在SMA柔性智能数字复合结构依靠固化后的柔性包裹材料定位。所述SMA丝2的两端分别固定在单关节第一定位板1和单关节第三定位板4上，单关节第二定位板3用来定位SMA丝2位置。

优选的，每个定位板可使用PCB板，ABS板、合金薄板。

图4是单关节SMA柔性智能数字复合结构的内部结构示意图。所述SMA柔性智能数字复合结构由两部分组成，一是掌骨段，另一部分是手指段；所述掌骨端则是由3D掌骨5和柔性结构的复合，所述手指端不包含刚性结构，完全由柔性包裹材料6、SMA丝2和弹性薄片7组成，可实现平面内弯曲运动。所述SMA柔性智能数字结构是一种刚柔复合的分层结构，SMA丝2的贯穿了整个结构中，弹性薄片7的在柔性指段和掌骨段均存在，SMA丝2分层位置通过定位板中的定位孔实现。3D掌骨5是基于3D打印技术制作，其在柔性手指模块化结构的作用主要有三个：一是模仿人手结构，实现高逼真度的设计；二是增加柔性手指模块化结构的后端的可固定性，增强仿人灵巧手的负载能力；三是增加SMA丝2在指端的收缩余量，使得在于人手尺寸相同的情况下，尽可能地增加柔性手指模块化结构的变形能力。

图5是多节SMA柔性智能数字复合结构的智能数字驱动骨架示意图。所述智能数字驱动骨架由5个定位板和若干SMA丝组成。多关节第一定位板8与多关节第二定位板9之间为掌骨段，多关节第二定位板9与多关节第五定位板12之间为手指段，多关节第一定位板8和多关节第五定位板12分别位于掌骨段和手指段的末端，多关节第二定位板9位于掌骨段与手指段之间的位置，多关节第三定位板10和多关节第四定位板11位于手指段内。所述智能数字驱动骨架中有三层SMA丝，所述三层SMA丝的一段均固定在多关节第一定位板8上，其中，所述的多关节第一层SMA丝13的另一端固定在多关节第三定位板10上，多关节第二层SMA丝14的另一端固定在多关节第四定位板11上，多关节第三层SMA丝15的另一端固定在多关节第五定位板12上，多关节第二定位板2是用来确保三层丝之间的距离恒定。

优选地，三层SMA丝之间的距离为0.1mm～1.5mm之间。

图6是多关节SMA柔性智能数字复合结构的内部结构示意图。所述多关节SMA柔性智能数字复合结构的采用如图5所示的多节智能数字驱动器骨架。所述多关节SMA柔性智能数字复合结构在功能上非常相似与人手手指，能够实现三关节的手指独立运动，其内部结构中的多关节第二定位板9、多关节第三定位板10和多关节第四定位板11分别等效人手的掌指关节、近指关节和远指关节。

图7是3D掌骨的示意图。所述3D掌骨是一种仿人手掌骨的刚性结构，可由3D打印技术加工出于人手掌骨一致的形状。在3D掌骨上包含一个定位板固定槽16，用于固定位于掌骨段和手指段之间的定位板，例如图2中的单关节第二定位板3。3D掌骨5可基于3D打印技术和传统的加工技术，分别采用塑料材质的3D打印材料和金属材料制成。

优选地，3D掌骨材料选用ABS材料，使用3D打印加工技术。

图8是数字驱动骨架中的SMA丝数字化布置示意图。图中为单关节SMA柔性智能数字复合结构的数字驱动骨架，由数字化第一组SMA丝20，数字化第二组SMA丝21和数字化第三组SMA丝22组成。每组有两根SMA丝，所述两根SMA丝关于数字驱动骨架的中心线对称，并且每组SMA丝的正极和负极均在数字化定位板17上和数字化定位板19上，SMA丝穿过数字化定位板18，数字化定位板18的定位孔起限制SMA丝位置的作用。SMA柔性智能数字复合结构的位置和力输出可控依靠驱动所需数量组的SMA丝实现。

优选地，数字驱动骨架中采用的SMA丝组数为3～10组。

优选的，弹性薄板可使用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。

Claims (10)

1.一种基于形状记忆合金(SMA)柔体智能数字复合结构的仿人灵巧手，其特征在于：所述仿人灵巧手由五个不同尺寸SMA柔性智能数字复合结构、柔性包裹材料组成，每个SMA-柔性智能数字复合结构的尺寸均对应人手的一个手指及其掌骨，所述SMA柔体智能复合结构有两段组成，一段是刚性结构，仿照人手的掌骨结构；另一段是柔性变形结构，仿照人手的手指部分，所述SMA柔体智能数字复合结构由3D掌骨、智能数字驱动骨架、弹性薄板及柔性包裹材料组成，所述SMA柔体智能数字复合结构由智能数字驱动骨架、薄板及柔性包裹材料组成，能够实现自反馈控制与数字化的弯曲运动，所述数字化弯曲运动是在SMA柔性智能数字复合结构中，SMA丝有多组且每组均能够独立工作；通过加热不同数量的SMA丝，能够实现SMA柔性智能数字复合结构的不同幅度和不同力度的输出，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SMA柔体智能数字复合结构和3D掌骨。

2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金(SMA)柔体智能数字复合结构的仿人灵巧手，其特征在于：所述仿人灵巧手不仅在外形上与人手仿真度高，其内部结构设计也源于对人手的手骨、肌肉及关节的仿生研究；仿人灵巧手的外形尺寸完全与人手尺寸、外形一致。

3.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金(SMA)柔体智能数字复合结构的仿人灵巧手，其特征在于：所述柔性仿人灵巧手是一种融合了形状记忆合金智能材料、3D扫描和3D打印、模型浇铸和智能数字式反馈控制的结构，柔性仿人灵巧手的外形与人手完全一致，表面柔软安全性高，通过数字化及自反馈控制可实现抓握幅度、力的控制，此外，采用多层SMA丝驱动及分布式布置SMA丝，柔性仿人灵巧手可实现可控动作输出。

4.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金(SMA)柔体智能数字复合结构的仿人灵巧手，其特征在于：柔性仿人灵巧手的外形、内部运动关节位置与人手一致，仿人灵巧手制作采用基于高仿真手模的模型浇铸法，将SMA柔性智能数字复合结构嵌入到成型的仿人灵巧手中。

5.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金(SMA)柔体智能数字复合结构的仿人灵巧手，其特征在于：所述仿人灵巧手中共有五个不同尺寸的SMA柔性智能数字复合结构，它们的尺寸分别模仿人手的五个手指及它们的掌骨结构，且它们的布置方法同样是基于对人手的仿生学研究。

6.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金(SMA)柔体智能数字复合结构的仿人灵巧手，其特征在于：仿人灵巧手的智能反馈控制方法是基于SMA丝自反馈的多SMA丝数字化仿生控制法，所述SMA丝自反馈是基于SMA电阻变化建立的智能反馈系统，所述数字化仿生控制法是源于对人手动作的仿生研究得到，基于仿人灵巧手的智能反馈控制方法，仿人灵巧手能够实现高逼真度的仿人手动作，如手势，抓握和敲击等动作。

7.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金(SMA)柔体智能数字复合结构的仿人灵巧手，其特征在于：所述SMA柔性智能数字结构是一种刚柔复合的分层结构，SMA丝贯穿整个结构中，弹性板在柔性指段和掌骨段均存在，SMA丝分层位置通过PCB板中的定位孔实现。

8.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金(SMA)柔体智能数字复合结构的仿人灵巧手，其特征在于：所述SMA柔体智能数字复合结构由3D掌骨、智能数字驱动骨架、弹性薄板及柔性包裹材料组成，能够实现数字化的弯曲运动。

9.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金(SMA)柔体智能数字复合结构的仿人灵巧手，其特征在于：所述3D掌骨是一种仿人手掌骨的刚性结构，可由3D打印技术加工出与人手掌骨一致的形状。

10.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金(SMA)柔体智能数字复合结构的仿人灵巧手，其特征在于：所述智能数字驱动骨架由SMA丝和定位板组成，SMA丝平行布置在两块定位板之间，所述定位板是一种包含导通电路的PCB板；

所述数字化弯曲运动是通过控制SMA-柔体智能数字复合结构中的智能数字驱动骨架的SMA丝不同加热组合实现；

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。