CN108015745B - 一种基于形状记忆合金的柔性机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于形状记忆合金的柔性机械手，属于柔性机械装备技术领域。本发明的基于形状记忆合金的柔性机械手，共有五根手指，包括手指固定座和动力水泵等，使用条状形状记忆合金作为驱动装置，内嵌在仿人手指中，并同时将带状的PZT柔性传感器内嵌其中，手指根部通过固定座固定，与塑料手掌相连接，五根手指的分布与人手类似。通过在手指内部管道通入温度不同的水，调节手指的弯曲程度实现抓取和放松。本发明柔性机械手能够通过使用形状记忆合金条的方式大大提升柔性机械手的功率，同时采取水加热的方法降低柔性机械手的响应时间，可广泛应用于人机协作领域、家用服务型机器人、脆弱物体抓取等领域。

Description

一种基于形状记忆合金的柔性机械手

技术领域

本发明涉及一种基于形状记忆合金的柔性机械手，属于柔性机械装备技术领域。

背景技术

传统刚性机械手的运动关节具有有限的自由度,可实现高精度的运动控制。它们一般都需要在良好的环境条件中使用，并且要求有触觉或力传感器的辅助以防止损坏被抓取物体或是自身。

近年来，柔性机器人由于其高灵活性和对于操作者的安全性越来越受到重视。柔性机器人学有很大的潜力，可应用到家用服务型机器人领域，因为从物理本质上它们是安全的，甚至在未知的环境中也不会对操作者造成伤害。

形状记忆合金(Shape Memory Alloy)驱动器已被广泛探索并在各种领域使用，其中就包括机器人学。有许多科学家利用形状记忆合金材料在柔性机器人领域进行了尝试，但已有的形状记忆合金产品大多存在由于采用电加热导致响应速度慢，机械手产生的驱动力不足，机械手仍存在部分刚性结构，对物体抓取能力有限等缺点，比如：

Raphael Deimel设计了以硅胶作为手指的柔性机械手，(IEEE InternationalConference on Robotics and Automation ICRA(2013)2047-2053)采用气动驱动的方式，其虽创意新颖，具备一定的柔性机械手的功能，但由于未使用记忆合金丝，使输出力低，所需功率高，响应时间长，其驱动力直接来源于气泵，故对气泵的功率要求高，同时该机械手不具备传感器，故难以对机械手实现有效的控制。另一方面，气动方式对材料压力高，对材料的要求高，且在高压情况下的控制也是一个难点。

Jae Hoon Lee设计的以形状记忆合金作为人造肌肉驱动的机械手，(ComputerTechnology and Application 3(2012)477-484)虽然在采用形状记忆合金驱动方面思维创新，但其局限在仿人手指，采用塑料模仿人手尺寸制作外骨骼结构，对外物的抓取鲁棒性有限，在外物形状过于复杂时难以实现有效抓取，且形状记忆合金采用电加热的方式响应速度慢。

与此同时在制造方面的技术发展也使得制造柔性机械手成为可能。如AaronM.Dollar提出了使用形状沉积技术可以实现在制造机械手的过程中对脆弱元件的保护，并且直接将原件植入机械手内部。

综上，几乎所有形状记忆合金的驱动器都使用形状记忆合金丝，而这造成了有限的最大应变和输出力。虽然也有现有的机械手指可以提供高输出力，但它需要高达300W的输入功率，远远超出了实用所能接受的范围。而采用其他方式实现机械手柔性的方案也同时具有其他明显的缺点。

发明内容

本发明目的提出一种基于形状记忆合金的柔性机械手，以克服现有技术中解决有限输出功率的缺点，利用水流来调节形状记忆合金的温度，以控制形状记忆合金的弯曲与舒张，达到驱动的作用，减少形状记忆合金响应时间和提升手部柔性，以提升机械手的抓取能力。

本发明提出的基于形状记忆合金的柔性机械手，包括机械手、热水箱、冷水箱和回流水箱，所述的机械手包括手掌、手指和手指固定座手指通过手指固定座与手掌相对固定；所述的手指由上层结构板、弯曲传感器、驱动片、中层结构板和底层结构板由上而下依次叠压而成，叠压后的上层结构板、弯曲传感器、驱动片、中层结构板和底层结构板相互叠压后插入手指固定座中；

所述的驱动片由两根半宽记忆合金条和一根全宽记忆合金条组成，两根半宽记忆合金条排列在全宽记忆合金条的两侧，形成平板状驱动片；

所述的中层结构板上刻有一个U形凹槽作为第一水管，U形凹槽的两个开口成为第一水管入口和第一水管出口，第一水管入口通过第一热水阀与所述的热水箱连通，同时通过第一冷水阀与所述的冷水箱联通，第一水管出口通过回流管道与所述的回流水箱连通；

所述的中层结构板上U形凹槽的中间刻有中条形凹槽，所述的底层结构板的中间开有下条形凹槽，中条形凹槽和下条形凹槽通过中条形凹槽末端处的圆孔相互联通后作为第二水管，中条形凹槽的开口成为第二水管入口，下条形凹槽的开口成为第二水管出口，第二水管入口通过第二热水阀与所述的热水箱连通，并通过第二冷水阀与所述的冷水箱联通，第二水管出口通过回流管道与所述的回流水箱连通。

本发明提出的基于形状记忆合金的柔性机械手，其优点是：

1、本发明的柔性机械手，可以很好地完成在取易碎物品和不规则物品的任务，在实验过程中可以抓取约自身重量两倍的物体。可通过弯曲传感器具体的描述机械手的工作状态，同时由于通过水传热，操作时响应速度快。

2、本发明的柔性机械手中，创造性地使用了形状记忆合金条，在实现了机械手柔性的同时，提高了柔性机械手的最大输出力。

3、本发明的柔性机械手中嵌入了基于PZT(锆钛酸铅压电陶瓷)的柔性传感器，实现了对柔性机械手的较为精确的控制。

4、本发明的柔性机械手采用水加热的方式代替常规所使用的电加热，以实现对形状记忆合金温度的快速改变，从而更快速地实现对柔性机械手的抓取和放松之间的转换。

5、本发明的柔性机械手能够通过使用形状记忆合金条的方式，提升柔性机械手的功率，同时采取水加热的方法降低柔性机械手的响应时间，可以在人机协作领域、家用服务型机器人、脆弱物体抓取等方面有广泛应用。

附图说明

图1为本发明提出的基于形状记忆合金的柔性机械手的结构示意图。

图2为图1所示的柔性机械手中机械手的结构示意图。

图3为柔性机械手中手指部分的爆炸图。

图1-图3中，1为第一热水阀，2为第二热水阀，3为第一冷水阀，4为第二冷水阀，5为手指表面颗粒状突起，6为手指固定座，7为上层结构板，8为弯曲传感器，9为半宽记忆合金条，用于伸直，10为全宽记忆合金条，用于伸直，11为中层结构板，12为底层结构板，13为第一水管入口，14为第二水管入口，15为第一水管出口，16为第二水管出口。

具体实施方式

本发明提出的基于形状记忆合金的柔性机械手，其结构如图1所示，包括机械手、热水箱、冷水箱和回流水箱。其中机械手的结构如图2所示，包括手掌、手指5和手指固定座6，手指5通过手指固定座6与手掌相对固定。

手指5的结构如图3所示，由上层结构板7、弯曲传感器9、驱动片、中层结构板11和底层结构板12由上而下依次叠压而成。叠压后的上层结构板7、弯曲传感器9、驱动片、中层结构板11和底层结构板12相互叠压后插入手指固定座6中。

手指5中的驱动片由两根用于伸直的半宽记忆合金条9和一根用于伸直的全宽记忆合金条10组成，两根半宽记忆合金条9排列在全宽记忆合金条10的两侧，形成平板状驱动片。

手指5中的中层结构板11上刻有一个U形凹槽作为第一水管，如图3中所示，U形凹槽的两个开口成为第一水管入口13和第一水管出口15，第一水管入口13通过第一热水阀1与所述的热水箱连通，同时通过第一冷水阀3与所述的冷水箱联通，第一水管出口通过回流管道与所述的回流水箱连通，如图1中所示。

手指5中的中层结构板上的U形凹槽的中间刻有条形凹槽，所述的底层结构板12的中间开有下条形凹槽，中条形凹槽和下条形凹槽通过中条形凹槽末端处的圆孔(该圆孔在图3中未示出)相互联通后作为第二水管，中条形凹槽的开口成为第二水管入口14，下条形凹槽的开口成为第二水管出口16，第二水管入口14通过第二热水阀2与所述的热水箱连通，并通过第二冷水阀4与所述的冷水箱联通，第二水管出口16通过回流管道与所述的回流水箱连通，如图1中所示。

本发明的基于形状记忆合金的柔性机械手，共有五根手指，包括手指固定座和动力水泵，使用条状形状记忆合金作为驱动装置，内嵌在使用Ecoflex-30硅胶制成的仿人手指中，并同时将带状的PZT柔性传感器内嵌其中，其手指根部通过塑料方框形结构固定，与塑料手掌相连接，五根手指的分布与人手类似。其驱动原理为通过在手指内部管道通入温度不同的水，调节手指的弯曲程度实现抓取和放松的目的。

下面结合附图详细介绍本发明基于形状记忆合金的柔性机械手的工作过程和工作原理：

如图1所示，本发明的柔性机械手与人手尺寸有类似大小，主体部分包括1-5根硅胶制成的手指，其分布与人手类似，其手指的整体样式如图2所示。

其手指本为一个整体，但为方便说明，此处利用如图3的爆炸图将其分为4层，其中7为该手指的上部结构版，上部结构版的底部刻有与弯曲传感器和形状记忆合金条形状大小相同的凹槽，以便在组成手指的各部分在相互叠压后固定弯曲传感器和形状记忆合金条。8为弯曲传感器，10为较宽的带状形状记忆合金条，9为两条宽度仅为10一半的带状形状记忆合金条，两根半宽记忆合金条9排列在全宽记忆合金条10的两侧，形成平板状驱动片。

11为手指的中层结构板，上面开有与半宽记忆合金条9宽度相同的U形水槽，U形水槽的中间开有一个与全宽记忆合金条10尺寸相同的条形水槽，U形水槽和条形水槽均将中层结构板11的底部打通，中层结构板11的条形水槽与底层结构板12中尺寸相同的条形水槽相连通。

本发明基于形状记忆合金的柔性机械手的工作原理如下：

自然状态下，机械手的手指处于伸直状态，其中三条形状记忆合金，将半宽记忆合金条9训练为略微加热时呈现弯曲状态，将全宽记忆合金条10训练为略微加热时恢复为伸直状态。当需要弯曲时，通过调节水泵和电磁阀，使得热水通过半宽记忆合金条9，同时使得冷水通过全宽记忆合金条10，当需要恢复伸直状态时，只需调节水泵和电磁阀，使得冷水通过半宽记忆合金条9，热水通过全宽记忆合金条10.其中弯曲传感器根据弯曲状态不同，而阻值不同，可以实现测量不同阻值下的弯曲状态，通过标定不同阻值下的手指状态，达到测量和控制机械手的目的。

Claims (1)

1.一种基于形状记忆合金的柔性机械手，其特征在于该柔性机械手包括机械手、热水箱、冷水箱和回流水箱，所述的机械手包括手掌、手指和手指固定座； 手指通过手指固定座与手掌相对固定；所述的手指由上层结构板、弯曲传感器、驱动片、中层结构板和底层结构板由上而下依次叠压而成，叠压后的上层结构板、弯曲传感器、驱动片、中层结构板和底层结构板相互叠压后插入手指固定座中；

所述的驱动片由两根半宽记忆合金条和一根全宽记忆合金条组成，两根半宽记忆合金条排列在全宽记忆合金条的两侧，形成平板状驱动片；

所述的中层结构板上刻有一个U形凹槽作为第一水管，U形凹槽的两个开口成为第一水管入口和第一水管出口，第一水管入口通过第一热水阀与所述的热水箱连通，同时通过第一冷水阀与所述的冷水箱联通，第一水管出口通过回流管道与所述的回流水箱连通；

所述的中层结构板上U形凹槽的中间刻有中条形凹槽，所述的底层结构板的中间开有下条形凹槽，中条形凹槽和下条形凹槽通过中条形凹槽末端处的圆孔相互联通后作为第二水管，中条形凹槽的开口成为第二水管入口，下条形凹槽的开口成为第二水管出口，第二水管入口通过第二热水阀与所述的热水箱连通，并通过第二冷水阀与所述的冷水箱联通，第二水管出口通过回流管道与所述的回流水箱连通。

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