CN109514544A - 一种仿生机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生机械手，包括手指骨架单元、手指关节驱动单元、手掌骨架单元及手掌开合转动单元，手指关节驱动单元及手掌开合转动单元均为凝胶驱动器，手指骨架单元与手指关节驱动单元连接形成机械手指，手掌骨架单元设有手掌开合转动单元，手掌开合转动单元分别设于大拇指下方的手掌骨架单元处及设于小拇指和无名指下方的手掌骨架单元处，机械手指与手掌骨架单元连接形成仿生机械手。本发明机械手每个手指关节可单独控制，灵敏度高，活动灵活。本发明通过采用凝胶材料使机械手达到高度的拟人状态，不仅能够用作机器人的器械手，也可作为残疾人士的假肢，还可作为辅助手部康复的康复手套，应用范围极其广泛，对社会意义极大。
Description
技术领域
本发明涉及智能材料与智能结构领域，尤其涉及一种仿生机械手。
背景技术
PVC凝胶(poly vinylchloride-ge1，简称PVC)是一种电活性聚合物具有高应变在电场中会向阳极产生蠕动变形。根据这个特性，PVC凝胶适用于仿生机械手的应用。
现有的仿生类的机械手的关节弯曲多由机械链动结构，如已公开专利CN106737789A，一种仿生机械手臂及机器人，属于人工智能领域。该仿生机械手臂包括手掌组手掌组件包括中指组件，中指组件与手掌组件固定相连。中指组件包括第一中指连杆、第一中指节、第二中指节和第三中指节，第一中指节一端与手掌组件固定相连，第一中指节、第二中指节和第三中指节依次铰接。所述第一中指连杆一端固定连接于所述第一中指节，所述第一中指连杆另一端固定连接于第三中指节。类似该专利的关节结构都存在以下问题，关节僵硬、转动不灵活，转动范围具有较大的局限性；由于关节为硬性机械材料的局限性，抓取不够精确，与真手抓取精度相差较远；运用范围窄，只能运用在机械设备上。并且通过电机驱动，每根手指都需要单独的电机及电机控制器，整体结构庞大，多电机的存在质量重维护难等问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种利用PVC凝胶材料且抓取精准、适用范围广的仿生机械手。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种仿生机械手，包括手指骨架单元、手指关节驱动单元、手掌骨架单元及手掌开合转动单元，所述手指关节驱动单元及手掌开合转动单元均为凝胶驱动器，所述手指骨架单元与手指关节驱动单元连接形成机械手指，所述机械手指包括小拇指、大拇指、无名指、中指和食指，所述手掌骨架单元设有手掌开合转动单元，所述手掌开合转动单元分别设于大拇指下方的手掌骨架单元处及设于小拇指和无名指下方的手掌骨架单元处，机械手指与手掌骨架单元连接形成仿生机械手。
进一步的，所述手掌骨架单元末端设有手腕转动单元，所述手腕转动单元为凝胶驱动器，所述手腕转动单元一侧连接有外部链接部。
进一步的，所述手指骨架单元与手指关节驱动单元连接形成整根手指中部连通的机械手指，所述手掌骨架单元中空，所述手掌骨架单元、手指骨架单元与手指关节驱动单元连接形成可穿戴式结构。
进一步的，所述手指骨架单元包括手指关节驱动单元之间的中空柱形关节及机械手指端部的帽形手指端。
进一步的，手指关节驱动单元的凝胶驱动器连接于手指骨架单元的正面及背面。或者凝胶驱动器连接两个手指骨架单元的两端处实现弯曲运动。
进一步的，手指关节驱动单元的凝胶驱动器包括支撑链接片及凝胶驱动单元，所述支撑链接片与手指骨架单元连接，所述凝胶驱动单元设于支撑链接片的一侧或者两侧。
进一步的，凝胶驱动单元包括凝胶层，所述凝胶层为单层或多层结构，凝胶层之间设有柔性电极。
进一步的，所述凝胶层内设有纤维层，所述凝胶层的前侧和后侧分别设有阴极和阳极，所述阴极与支撑链接片之间设有阴极绝缘层，阳极外侧设有阳极绝缘层。
进一步的，所述支撑链接片为片状结构，所述片状结构上设有多个凹槽。
进一步的，所述手指骨架单元为四面镂空的圆柱形或者是长方柱形。
进一步的，柔性电极包括导电高分子材料电极，导电硅脂电极，导电凝胶电极，石墨烯薄膜电极，金属颗粒镀层薄膜电极，电极的表面形状可以是平面或者凹凸状的。
进一步的，所述手指骨架单元根据不同的机械手指设置不同的长度和直径的大小。
进一步的，手指关节驱动单元弯曲度为0-90。
采用本发明技术方案，本发明的有益效果为：本发明能实现十几个结构的自由变化，可实现类人手的各种手势(如握拳等)，实现抓取和释放。本发明机械手每个手指关节可单独控制，灵敏度高，活动灵活。本发明通过手指式的抓取方式，并通过采用凝胶材料使机械手达到高度的拟人状态，不仅能够用作机器人的器械手，也可作为残疾人士的假肢、义手，还可作为辅助手部康复的康复手套，应用范围及其广泛，对社会意义极大。本发明的抓持尺度从微米级到米级，抓持物重从微克到千克。
附图说明
图1是PVC凝胶薄膜电场响应原理示意图；
图2是本发明提供的一种仿生机械手结构图；
图3是本发明提供的一种仿生机械手局部结构爆炸图；
图4是本发明提供的一种仿生机械手食指弯曲实施例一示意图；
图5是本发明提供的一种仿生机械手食指弯曲实施例一侧视示意图；
图6是本发明提供的一种仿生机械手食指弯曲实施例二示意图；
图7是本发明提供的一种仿生机械手食指弯曲实施例二侧视示意图；
图8是本发明提供的一种仿生机械手中指结构爆炸图；
图9是本发明提供的一种仿生机械手凝胶驱动器爆炸结构示意图。
其中，1、手指骨架单元，2、手指关节驱动单元，3、手掌骨架单元4、手掌开合转动单元，5、小拇指，6、大拇指，7、无名指，8、中指，9、食指，10、手腕转动单元，11、外部链接部，12、中空柱形关节，13、帽形手指端，14、支撑链接片，15、凝胶层，16、纤维层，17、阴极，18、阳极，19、阴极绝缘层，20、阳极绝缘层，21、凹槽。
具体实施方式
结合附图对本发明具体方案具体实施例作进一步的阐述。
图1所示，PVC凝胶薄膜电场响应原理，凝胶材料在电场中像阳极18蠕动凝聚。
本发明仿生机械手可以作为拟人机器人的手，实现机器人的各种手势语言表达或物品的抓取。本发明可以作为断臂残疾人士的假肢手/义手，实现生活中的高度手部功能还原的功能，能够进行手势表达，抓取物品等。本发明当做成可穿戴式的机械手时，可以作为康复用的手套，辅助手部进行康复训练。本发明还可作为一种独立作业的抓持手，抓取各种物品。
如图2、3所示，一种仿生机械手，包括手指骨架单元1、手指关节驱动单元2手掌骨架单元3及手掌开合转动单元4，所述手指关节驱动单元2及手掌开合转动单元4均为凝胶驱动器，所述手指骨架单元1与手指关节驱动单元2连接形成机械手指，所述机械手指包括小拇指5、大拇指6、无名指7、中指8和食指9，所述手掌骨架单元3设有手掌开合转动单元4，所述手掌开合转动单元4分别设于大拇指6下方的手掌骨架单元3处及设于小拇指5和无名指7下方的手掌骨架单元3处，机械手指与手掌骨架单元3连接形成仿生机械手。
大拇指6底部的手指骨架单元1与大拇指6下方的手掌开合转动单元4连接。大拇指6底部的手指骨架单元1的形状可模仿生手的形状设置，如图所示为前部圆弧状的梯形结构，不限于图中所示结构。
本发明机械手的五个手指向手心弯曲，每个关节都可以单独调节，实现拟人化的弯曲、抓合等动作。手掌开合转动单元4能控制大拇指6下方的手掌和小拇指5和无名指7下方的手掌转动，模拟大拇指6的转动，以及手掌外侧的转动，实现可以开合、握拳等动作。使得抓合不仅仅是手指的合拢，也带动了整个手掌的运动。这和以往的硬性关节的机械手完全不同，以往的机械手无法达到本发明柔性转动、翻转的效果。
所述手掌骨架单元3末端设有手腕转动单元10，所述手腕转动单元10为凝胶驱动器，可以实现手腕处的上下翻转。如果在手腕处四面均设有凝胶驱动器，可以实现手腕的左右摇摆等动作。所述手腕转动单元10一侧连接有外部链接部11，可以连接器械手臂、机器人手臂等。
手掌开合转动单元4和手腕转动单元10的形状如图所示为矩形，但不局限于附图所示的形状。
如图2、3所示，所述手指骨架单元1与手指关节驱动单元2连接形成整根手指中部连通的机械手指，所述手掌骨架单元3中空，所述手掌骨架单元3、手指骨架单元1与手指关节驱动单元2连接形成可穿戴式结构。所述手指骨架单元1根据不同的机械手指设置不同的长度和直径的大小。
当机械手可穿戴式时，可以作为康复用的手套，辅助手部进行康复训练，通过驱动机械手的各种可转动的关节结构带动需要进行康复训练的手部进行肌肉等恢复训练，能对手部各个部位尤其手指的恢复提供极大的帮助，尤其是对细微肌肉的控制恢复具有极大的帮助。
如图8所示，以中指结构为例，所述手指骨架单元1包括手指关节驱动单元2之间的中空柱形关节12及机械手指端部的帽形手指端13。手指骨架单元1可以通过如图所示的框架结构作为骨架，四面镂空，或者为多面镂空的圆柱形，不仅节约了用料成本，同时极大的提升了机械手的轻便度。无论是用作机器人手或者是康复训练时，都极大的减轻了整体的质量。
手指关节驱动单元2的凝胶驱动器连接于手指骨架单元1的正面及背面。两面的驱动单元形成不同程度的弯曲，使得手指关节驱动单元2弯曲度为0-90，五个手指向手心弯曲，每个关节都可以单独调节，实现拟人化的弯曲动作。
如图所示凝胶驱动器的形状均为矩形，此外，不局限于此形状。
手指关节驱动单元2的凝胶驱动器包括支撑链接片14及凝胶驱动单元，所述支撑链接片14与手指骨架单元1连接，所述凝胶驱动单元设于支撑链接片14的一侧或者两侧。如果两侧均装有驱动单元，可以实现前后两个方向的弯曲，例如手腕部分实现前或者向后弯曲。或者凝胶驱动器连接两个手指骨架单元的两端处实现弯曲运动。
如图9所示，支撑链接片14与手指骨架单元1连接方式可为多种，例如螺钉固定，卡接固定，不限于该链接方式。所述支撑链接片14为片状结构，所述片状结构上设有多个凹槽21。凹槽21可为三角或者半圆槽等结构，不限于此。凹槽21用于手指关节驱动单元2产生不同程度的弯曲，从而控制机械手指弯曲的形状。
以食指9的弯曲作为应用进行描述。
实施例一、如图4、5所示，食指9的第一、二手指关节驱动单元2均弯曲70度的状态。从侧面看，掌心处的凝胶驱动器的弯曲度远大于手背出的凝胶驱动器，使得手指关节驱动单元2形成精准的弯曲控制。上下两个凝胶驱动器的长度设置为一样长，手指骨架单元1又存在一定直径，所以弯曲变形时，上下两片驱动器的变形大小不同。但是不限于上下两个胶凝驱动器一样的长度和宽度尺寸。当上面胶凝驱动器设置比下面的胶凝驱动器长到一定尺寸的时候，可以实现上下驱动单元都呈现弯曲90度的弧形状。
实施例二、如图6、7所示，食指9的第一、二、三手指关节驱动单元2均弯曲70度的状态。
凝胶驱动单元包括凝胶层15，所述凝胶层15为单层或多层结构，凝胶层15之间设有柔性电极。
所述凝胶层15内设有纤维层16，所述凝胶层15的前侧和后侧分别设有阴极17和阳极18，所述阴极17与支撑链接片13之间设有阴极绝缘层19，阳极18外侧设有阳极绝缘层20。
柔性电极包括导电高分子材料电极，导电硅脂电极，导电凝胶电极，石墨烯薄膜电极，金属颗粒镀层薄膜电极，电极的表面形状可以是平面或者凹凸状的。
本发明结构可以通过调节电压去除的强度(如50％去除，或100％去掉电压)去适用不同材质和硬度的工件，还可以通过凝胶驱动器的形状设置去适用不同形状，以及可以通过单独调控部分手指关节的驱动器去适用形状等。柔性驱动器是加电压实现弯曲动作去抓取，所以去掉电压压力会减小所以去掉电压时弯曲角度会变小从而对抓持物施加的压力会减少，直到100％去掉电压抓持手指的压力应该是最小的，但是由于支撑部也是弹性材料，所以向初始状态回复，如果外部阻挡手指伸直时，这时可以说是对外部阻挡产生最大压力。
所述凝胶驱动器凝胶层15可采用PVC(聚氯乙烯)或者CPVC(氯化聚氯乙烯)材料，Polymenthyl methacrylate(聚甲基丙烯酸甲酯),polyurethane(聚亚安酯),polystyrene(聚苯乙烯),polyvinyl acetate(聚乙酸乙烯酯),PA6(尼龙6)，PVA(polyvinyl alcohol，聚乙烯醇),polycarbonate(聚碳酸酯),polyethylene terephthalate(PET，聚对苯二甲酸乙二醇酯),polyacrylonitrile(聚丙烯腈),silicone(硅树脂)等凝胶化后会产生电致变形的诱电材料。
凝胶材料所用的增塑剂：除DBA(已二酸二正丁酯)以外，还增加如DMA(二甲基乙酰胺),DES(癸二酸二乙酯)，DEA(二乙醇氨)，DOS(癸二酸二辛酯)，DOA(己二酸二辛酯),DMP(邻苯二甲酸二甲酯),DBP(邻苯二甲酸二丁酯),DOP(邻苯二甲酸二辛酯),DEHP(邻苯二甲酸二(2-乙基)己酯等其他有类似功效的增塑剂。
本发明还可以通过调节凝胶主体材料(如PVC，CPVC等)与增塑剂的配比为1：1至1:9。
所述阳极18和阴极17也可采用柔性导电电极，如高分子材料电极，导电硅脂(硅油与碳颗粒混合物)电极，导电凝胶电极(凝胶与碳及导电金属颗粒混合物)，石墨烯薄膜电极，金属薄膜电极等，厚度为数微米～数百微米。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种仿生机械手，其特征在于，包括手指骨架单元、手指关节驱动单元、手掌骨架单元及手掌开合转动单元，所述手指关节驱动单元及手掌开合转动单元均为凝胶驱动器，所述手指骨架单元与手指关节驱动单元连接形成机械手指，所述机械手指包括小拇指、大拇指、无名指、中指和食指，所述手掌骨架单元设有手掌开合转动单元，所述手掌开合转动单元分别设于大拇指下方的手掌骨架单元处及设于小拇指和无名指下方的手掌骨架单元处，机械手指与手掌骨架单元连接形成仿生机械手。
2.根据权利要求1所述的一种仿生机械手，其特征在于，所述手掌骨架单元末端设有手腕转动单元，所述手腕转动单元为凝胶驱动器，所述手腕转动单元一侧连接有外部链接部。
3.根据权利要求1所述的一种仿生机械手，其特征在于，所述手指骨架单元与手指关节驱动单元连接形成整根手指中部连通的机械手指，所述手掌骨架单元中空，所述手掌骨架单元、手指骨架单元与手指关节驱动单元连接形成可穿戴式结构。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种仿生机械手，其特征在于，所述手指骨架单元包括手指关节驱动单元之间的中空柱形关节及机械手指端部的帽形手指端。
5.根据权利要求1所述的一种仿生机械手，其特征在于，手指关节驱动单元的凝胶驱动器连接于手指骨架单元的正面及背面，或者凝胶驱动器连接两个手指骨架单元的两端处实现弯曲运动。
6.根据权利要求1所述的一种仿生机械手，其特征在于，手指关节驱动单元的凝胶驱动器包括支撑链接片及凝胶驱动单元，所述支撑链接片与手指骨架单元连接，所述凝胶驱动单元设于支撑链接片的一侧或者两侧。
7.根据权利要求6所述的一种仿生机械手，其特征在于，凝胶驱动单元包括凝胶层，所述凝胶层为单层或多层结构，凝胶层之间设有柔性电极。
8.根据权利要求7所述的一种仿生机械手，其特征在于，所述凝胶层内设有纤维层，所述凝胶层的前侧和后侧分别设有阴极和阳极，所述阴极与支撑链接片之间设有阴极绝缘层，阳极外侧设有阳极绝缘层。
9.根据权利要求8所述的一种仿生机械手，其特征在于，所述支撑链接片为片状结构，所述片状结构上设有多个凹槽。
10.根据权利要求1或5所述的一种仿生机械手，其特征在于，所述手指骨架单元为四面镂空的圆柱形或者是长方柱形。
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