CN107253188B - 一种基于ipmc驱动的多自由度简易机械手臂 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械人技术领域，具体涉及一种基于IPMC驱动的多自由度简易机械手臂，包括旋转部、伸缩部和抓取部；旋转部包括固定轴、固定盘、旋转盘和旋转驱动单元，旋转驱动单元中的IPMC旋转组件提供了手臂旋转驱动的动力；伸缩部包括连接轴、支撑盘和伸缩驱动单元，伸缩驱动单元中的IPMC伸缩组件提供了手臂伸缩驱动的动力；抓取部包括手掌板、手指机构和拇指机构，手指机构和拇指机构中IPMC转动组件和IPMC弯曲组件分别提供了手指转动驱动和弯曲驱动的动力。本发明的有益效果是：IPMC人工肌肉材料驱动的手臂，可实现手臂的旋转、伸缩和抓取等多个动作，而且具有结构简易、操作灵活、能耗少和自身重量轻等特点。

Description

一种基于IPMC驱动的多自由度简易机械手臂

技术领域

本发明属于机械人技术领域，具体涉及一种基于IPMC驱动的多自由度简易机械手臂。

背景技术

一直以来，机械手臂在工业、医疗等领域能够高效率、高质量的完成任务，以减轻人工劳动并提高工作效率；而且，在一些危险环境等特殊应用领域有着重要的使用价值，因此，国内外的相关学者都十分关注机械手臂的研究。但目前，无论是工业机械手臂还是微型机械手臂的应用，都未能脱离电机驱动及复杂的机械结构，这种机械手臂存在本身重量过大、能耗过大等不足，同时还会增加制造成本，这都使得研究一种结构简易、驱动效率高的机械手臂有着十分重要的意义。

离子聚合物金属复合材料(ion-exchange polymer metal composite，简称：IPMC)是一种人工肌肉材料，当对IPMC厚度方向施加电压时，IPMC会产生较大的变形，向阳极弯曲。这种新型的离子型电致动智能材料，其柔韧性好、低电压驱动、优异的水下驱动特性、大的形变及响应速度快等优良性能，具有广阔的应用前景。IPMC在电激励下能够提供较大变形，并且能够实现力的线性输出。当前利用智能材料制作机械手臂的研究较多，例如，专利公开号为CN104589310A的专利，提供了一种基于气动人工肌肉的自适应多自由度仿人机械手，包括机械大臂、机械小臂、手以及五个手指，由多个气动人工肌肉群进行驱动，其结构复杂、机构较多且体积偏大；Myung-Joon Lee等制作了一种基于IPMC驱动的仿人手，该仿人手包括四个单片IPMC，模仿人的四个手指，但存在驱动力小、弯曲范围小等不足(Myung-Joon Lee,Sung-Hee Jung,et al，Control of IPMC-based Artificial Muscle forMyoelectric Hand Prosthesis.In:The First IEEE/RAS-EMBS InternationalConference on Biomedical Robotics and Biomechatronics.Pisa,Italy.20-22Feb.2006)；Srijan Bhattacharya等设计了一种基于IPMC驱动的微型抓手，该微型抓手由四个手指组成，每个手指具有三个部分，但不能满足类似人手的多维度运动和灵活开合抓取的要求(Srijan Bhattacharya,Bikash Bepari,et al,Design of an IPMC ActuatedCompliant Mechanism Based Microgripper.In:10th National Conference onIndustrial Problem on Machinics and Mechanisms.Jaipur,Rajsthan.December 17-18,2010)；专利公开号为CN104842345A的专利，公布了一种基于多种人工肌肉混合驱动的仿人机械臂，其包含电机驱动云台、气动肌肉(PAM)仿生肘关节、形状记忆合金(SMA)仿生腕关节以及IPMC仿生手，由于其需要复杂的机械机构且使用的机构数目较多，造成传动过程中克服机构之间的摩擦而消耗大量能量，导致驱动效率不高；专利公开号为CN103963066A的专利，提供了一种基于IPMC电致动材料简化结构多自由度机械抓手，其包含旋转盘驱动单元和驱动抓取单元，虽然该专利结构简单，但是其旋转单向且角度小，无法满足类似人手臂的伸缩和人手的灵活开合等功能；彭瀚旻等制作了一种基于IPMC驱动的三指微型手爪，该微型手爪包括三个IPMC和有机玻璃夹持机体，虽然该微型手爪增大了夹持角度，但不能单独控制和抓取力小(彭瀚旻,李华峰等.应用人工肌肉IPMC材料的三指微型柔性手爪设计[J].振动、测试与诊断,2010,30(4):347-352。

本发明的目的是克服现有技术存在的结构复杂、驱动自由度少，不能同时满足类似人手臂的基本功能的问题，提供一种结构简易而且可实现旋转、伸缩、抓取等多功能的基于IPMC驱动的多自由度简易机械手臂。

发明内容

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于IPMC驱动的多自由度简易机械手臂，包括上下依次连接的旋转部、伸缩部和抓取部；所述旋转部包括固定轴、固定在所述固定轴一端的固定盘、活动连接在所述固定轴另一端的旋转盘以及若干旋转驱动单元，所述旋转驱动单元包括IPMC旋转组件和旋转支架，所述IPMC旋转组件的两端分别安装在所述旋转支架上，所述旋转支架的两端分别固定在所述固定盘和所述旋转盘上；所述伸缩部包括一端固定在所述旋转盘上的连接轴、固定在所述连接轴另一端的支撑盘以及两端分别安装在所述旋转盘和所述支撑盘上的若干伸缩驱动单元，所述伸缩驱动单元包括两个固定块和若干IPMC伸缩组件，一个固定块固定在所述旋转盘上，另一固定块固定在所述支撑盘上，所述IPMC伸缩组件的两端分别固定在两个所述固定块上；所述抓取部包括固定在所述支撑盘上的手掌板、并排固定在所述手掌板上的若干手指机构和固定在所述手掌板一侧的拇指机构，所述手指机构和所述拇指机构均包括转动驱动单元和弯曲驱动单元，所述转动驱动单元包括水平排列的两组IPMC转动组件和支撑IPMC转动组件的转动支架，所述转动支架安装在所述手掌板上，所述弯曲驱动单元包括IPMC弯曲组件和支撑IPMC弯曲组件的弯曲支架，所述弯曲支架安装在两组所述IPMC转动组件中间的转动支架上。

优选的，所述旋转盘和所述固定轴之间连接为轴承连接。轴承连接减少摩擦阻力，使得所述旋转盘更容易转动。

优选的，所述旋转驱动单元的数量至少为四组，并沿所述固定轴均匀分布，所述IPMC旋转组件的数量至少为两组，并串联连接在所述旋转支架上。设立多组旋转驱动单元能够增加旋转的驱动力，设立串联多组IPMC旋转组件使得旋转驱动单元加长，既能增加旋转驱动力，又能增加旋转时的旋转角度。

优选的，所述伸缩驱动单元的数量至少为三组，并沿所述支撑轴均匀分布，每个所述伸缩驱动单元上的所述IPMC伸缩组件至少为四组，并沿着两个所述固定块均匀分布。增加伸缩驱动单元和每个伸缩驱动单元上IPMC伸缩组件的数量，使得伸缩部的伸缩力加大。

优选的，所述弯曲驱动单元的数量至少为两组，并串联连接。设立多组弯曲驱动单元使得手指机构和拇指机构更容易弯曲，而且增加了弯曲的范围。

进一步地，所述固定盘外侧安装有防护罩，所述防护罩一端固定在所述固定盘上，另一端悬空设置，并延伸至所述伸缩部。防护罩将旋转部和伸缩部罩起来，不影响旋转部的旋转，不影响伸缩部的伸缩，并能起到防止灰尘等落入旋转部和延伸部的作用。

与现有技术相比，本发明的一种基于IPMC驱动的多自由度简易机械手臂的有益效果是：

1.本发明的旋转部、伸缩部和抓取部分别可实现机械手臂的旋转、伸缩和抓取等多个自由度的动作，而且结构简易，操作灵活；

2.设立多组旋转驱动单元能够增加旋转的驱动力，设立串联多组IPMC旋转组件使得旋转驱动单元加长，既能增加旋转驱动力，又能增加旋转时的旋转角度；增加伸缩驱动单元的数量和每个伸缩驱动单元上IPMC伸缩组件的数量，使得伸缩部的伸缩力加大；设立多组弯曲驱动单元使得手指机构和拇指机构更容易弯曲，而且增加了弯曲的范围；另外在机械手臂外侧设立防护罩防止灰尘等落入旋转部和伸缩部；

3.本发明的旋转、拉伸和抓取等各个动作的驱动是基于IPMC人工肌肉材料，具有结构简单、传动过程中的能量损耗少、自身重量轻等特点，此外由于结构简易而降低了制造成本，安装也便捷，其各个关节结构可独立控制，提高了灵活性；此外IPMC材料是一种绿色的仿生材料，因此本发明具有节能环保的设计理念。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的基于IPMC驱动的多自由度简易机械手臂的立体图；

图2是本发明的基于IPMC驱动的多自由度简易机械手臂的爆炸图；

图3是本发明的伸缩驱动单元的立体图；

图4是本发明的抓取部的主视图；

图5是本发明的抓取部的侧视图；

图6是本发明的带有防护罩的机械手臂的立体图。

其中:11.固定轴；12.固定盘；13.旋转盘；14.旋转驱动单元；141.IPMC旋转组件；142.旋转支架；15.轴承；21.连接轴；22.支撑盘；23.伸缩驱动单元；231.IPMC伸缩组件；232.固定块；31.手掌板；32.转动驱动单元；321.IPMC转动组件；322.转动支架；33.弯曲驱动单元；331.IPMC弯曲组件；332.弯曲支架；34.手指机构；35.拇指机构；40.防护罩。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-图6所示的本发明的一种基于IPMC驱动的多自由度简易机械手臂的具体实施例，其包括上下依次连接的旋转部、伸缩部和抓取部，即：旋转部下端连接有伸缩部，伸缩部下端连接有抓取部。

旋转部包括固定轴11、固定在固定轴11一端的固定盘12、活动连接在固定轴11另一端的旋转盘13以及若干旋转驱动单元14，旋转驱动单元14包括IPMC旋转组件141和旋转支架142，IPMC旋转组件141的两端分别安装在旋转支架142上，旋转支架142的两端分别固定在固定盘12和旋转盘13上；旋转盘13和固定轴11之间活动连接优选为轴承15连接，固定轴11与轴承15的内圈固定，旋转盘13与轴承15的外圈固定，这样旋转盘13能够绕轴承旋转，通过轴承15连接减少旋转过程中的摩擦阻力，使得旋转盘13更容易转动；优选的固定轴11的一端穿过固定盘12，延伸出固定盘12的延伸段可以作为后续连接到其他设备的连接端，可以通过焊接、过盈配合和螺接等形式连接固定到其他设备上；为了增加机械手臂旋转的驱动力，可以设立多组旋转驱动单元14，优选为四组，并使得旋转驱动单元14沿固定轴11均匀分布，IPMC旋转组件141的数量至少为两组，并串联连接在旋转支架上，设立串联多组IPMC旋转组件141使得旋转驱动单元14加长，既能增加机械手臂的旋转驱动力，又能增加旋转时的旋转角度。

伸缩部包括一端固定在旋转盘13上的连接轴21、固定在连接轴21另一端的支撑盘22以及两端分别安装在旋转盘13和支撑盘22上的若干伸缩驱动单元23，伸缩驱动单元23包括两个固定块232和若干IPMC伸缩组件231，一个固定块232固定在旋转盘13上，另一相应的固定块232固定在支撑盘22上，IPMC伸缩组件231的两端分别固定在两个固定块232上；为了增加伸缩部的伸缩力，可以设置多组伸缩驱动单元23，优选的，伸缩驱动单元23的数量为三组，并使得伸缩驱动单元23沿支撑轴均匀分布，同样，增加每个伸缩驱动单元23上的IPMC伸缩组件231，也可以达到增加伸缩部的伸缩力的目的，优选的固定块232截面为方形，IPMC伸缩组件的数量为四组，并沿着两个固定块232的相应四个面均匀分布，两个固定块232连线与连接轴21相互平行。

抓取部包括固定在支撑盘22上的手掌板31、并排固定在手掌板31上的若干手指机构34和固定在手掌板31一侧的拇指机构35，手指机构34和拇指机构35均包括转动驱动单元32和弯曲驱动单元33，转动驱动单元32包括水平排列的两组IPMC转动组件321和支撑IPMC转动组件321的转动支架322，转动支架322安装在手掌板31上，弯曲驱动单元33包括IPMC弯曲组件331和支撑IPMC弯曲组件331的弯曲支架332，弯曲支架332安装在两组IPMC转动组件321中间的转动支架322上，为了增加手指机构34和拇指机构35弯曲灵活性和弯曲范围，可以多设立几组弯曲驱动单元33，优选的，弯曲驱动单元33的数量为两组，并弯曲驱动单元33串联连接，为了模拟人手的功能，手指机构34上可以设立三组弯曲驱动单元33，同样为了使得伸开机械手臂抓取物体更容易一些，可以将连接在手指机构34和拇指机构35的最后一个弯曲驱动单元33的端部设计为尖端形状，或者在最后一个弯曲驱动单元33的端部连接一尖端结构。

进一步地，如图6所示，为了防止灰尘等落入旋转部和伸缩部，在机械手臂的外侧装有防护罩40，防护罩40一端固定在固定盘12上，另一端悬空设置，与旋转部和延伸部之间形成空间，并延伸至伸缩部，防护罩40的设置不能影响旋转部的旋转和伸缩部的伸缩，防护罩40可以是柔性材料制成，如橡胶等，或者防护罩40可以采用强度高的金属材料制成，这样甚至可以预防旋转部和伸缩部因撞击而造成的损坏。

本实施例里的IPMC旋转组件141、IPMC伸缩组件231、IPMC转动组件321和IPMC弯曲组件331都是基于IPMC材料制成，具有结构简单、传动过程中的能量损耗少、自身重量轻等特点，此外由于结构简易而降低了制造成本，安装也便捷，其各个关节结构可独立控制，提高了灵活性；此外IPMC材料亦是一种绿色的仿生材料，因此本发明具有节能环保的设计理念。

本实施例的一种基于IPMC驱动的多自由度简易机械手臂的工作原理如下：

当施加电激励信号，经过安装在旋转支架142中部的电极将电流信号传送给旋转驱动单元14中的两个IPMC旋转组件141，使得两个IPMC旋转组件141同方向弯曲，带动旋转支架142弯曲，为此整个旋转驱动单元14弯曲，分布在固定轴11周围四组旋转驱动单元14同向弯曲，由于旋转驱动单元14一端固定在固定盘12上，另一端固定在旋转盘13上，由于固定盘12与固定轴11固定连接，旋转盘13与固定轴11通过轴承15连接，同向弯曲的四组旋转驱动单元14，经过力的组合叠加，使得旋转盘13产生单方向的转矩，以固定轴11为中心，使得旋转盘13旋转；由于电极导出的电线连接着中间继电器，可实现极性的转换，进而使得四组旋转驱动单元14同时反向弯曲，同理使得旋转盘13进行反方向旋转，从而实现旋转部在正反两个方向旋转运动的目的。

在电激励信号下，通过安装在固定块232与IPMC伸缩组件231根部表面上的电极将电信号传递给四个IPMC伸缩组件231，作用力使得夹持固定块232的IPMC伸缩组件231弯曲，进而使得伸缩驱动单元23伸缩，经过力的组合，使得支撑盘22沿连接轴21方向作伸缩运动，从而实现伸缩部在连接轴21方向上的伸缩运动的目的。

而在电激励信号下，经由安装在转动支架322两端与IPMC转动组件321相连接部的电极将电信号分别传递给IPMC转动组件321，使其弯曲变形，带动转动支架322弯曲，水平排列的两组IPMC转动组件321可独立控制，使得手指在水平方向上左右运动，即可实现四个手指机构34开合运动；当电信号经由安装在弯曲支架332中部的电极分别传递给IPMC弯曲组件331时，IPMC弯曲组件331的弯曲带动弯曲支架332弯曲运动，实现手指机构34和拇指机构35作弯曲运动，由于IPMC弯曲组件331可独立控制，可使得手指灵活弯曲。

应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种基于IPMC驱动的多自由度简易机械手臂，其特征在于：包括上下依次连接的旋转部、伸缩部和抓取部；

所述旋转部包括固定轴(11)、固定在所述固定轴(11)一端的固定盘(12)、活动连接在所述固定轴(11)另一端的旋转盘(13)以及若干旋转驱动单元(14)，所述旋转驱动单元(14)包括IPMC旋转组件(141)和旋转支架(142)，所述IPMC旋转组件(141)的两端分别安装在所述旋转支架(142)上，所述旋转支架(142)的两端分别固定在所述固定盘(12)和所述旋转盘(13)上；

所述伸缩部包括一端固定在所述旋转盘(13)上的连接轴(21)、固定在所述连接轴(21)另一端的支撑盘(22)以及两端分别安装在所述旋转盘(13)和所述支撑盘(22)上的若干伸缩驱动单元(23)，所述伸缩驱动单元(23)包括两个固定块(232)和若干IPMC伸缩组件(231)，一个固定块(232)固定在所述旋转盘(13)上，另一固定块(232)固定在所述支撑盘(22)上，所述IPMC伸缩组件(231)的两端分别固定在两个所述固定块(232)上；

所述抓取部包括固定在所述支撑盘(22)上的手掌板(31)、并排固定在所述手掌板(31)上的若干手指机构(34)和固定在所述手掌板(31)一侧的拇指机构(35)，所述手指机构(34)和所述拇指机构(35)均包括转动驱动单元(32)和弯曲驱动单元(33)，所述转动驱动单元(32)包括水平排列的两组IPMC转动组件(321)和支撑IPMC转动组件(321)的转动支架(322)，所述转动支架(322)安装在所述手掌板(31)上，所述弯曲驱动单元(33)包括IPMC弯曲组件(331)和支撑IPMC弯曲组件(331)的弯曲支架(332)，所述弯曲支架(332)安装在两组所述IPMC转动组件(321)中间的转动支架(322)上；

其中，IPMC旋转组件141、IPMC伸缩组件231、IPMC转动组件321和IPMC弯曲组件331均为基于IPMC材料制成。

2.根据权利要求1所述的一种基于IPMC驱动的多自由度简易机械手臂，其特征在于：所述旋转盘(13)和所述固定轴(11)之间连接为轴承(15)连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于IPMC驱动的多自由度简易机械手臂，其特征在于：所述旋转驱动单元(14)的数量至少为四组，并沿所述固定轴(11)均匀分布，所述IPMC旋转组件(141)的数量至少为两组，并串联连接在所述旋转支架上。

4.根据权利要求1所述的一种基于IPMC驱动的多自由度简易机械手臂，其特征在于：所述伸缩驱动单元(23)的数量至少为三组，并沿所述连接轴(21)均匀分布，每个所述伸缩驱动单元(23)上的所述IPMC伸缩组件(231)至少为四组，并沿着两个所述固定块(232)均匀分布。

5.根据权利要求1所述的一种基于IPMC驱动的多自由度简易机械手臂，其特征在于：所述弯曲驱动单元(33)的数量至少为两组，并串联连接。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种基于IPMC驱动的多自由度简易机械手臂，其特征在于：所述固定盘(12)外侧安装有防护罩(40)，所述防护罩(40)一端固定在所述固定盘(12)上，另一端悬空设置，并延伸至所述伸缩部。