CN109746907A - 一种低沸点液体与形状记忆合金混合驱动弯曲的变刚度软体夹持器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，提供一种低沸点液体与形状记忆合金混合驱动弯曲的变刚度软体夹持器，由2个柔性手指固定于手指支架上构成，所述柔性手指包括柔性硅胶体、薄型形状记忆合金加热片、变刚度结构、散热结构、橡胶片，所述柔性硅胶体是由硅胶和低熔点金属材料混合后倒入模具中做成含有多个小腔体的柔性波纹型半圆管，在多个小腔体内分别注入低沸点液体和放入薄型形状记忆合金加热片，而后用变刚度结构进行密封。本发明利用低沸点易挥发液体受热后气化与形状记忆合金混合驱动多空腔硅胶体软体手指弯曲运动、利用低熔点树脂材料受热软化特性改变手指弯曲刚度，以实现软体夹持器的柔性弯曲快速响应、提高手指变刚度范围和功率密度。

Description

一种低沸点液体与形状记忆合金混合驱动弯曲的变刚度软体 夹持器

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种低沸点液体与形状记忆合金混合驱动弯曲的变刚度软体夹持器。

背景技术

现有软体夹持器或机械手主要采用电机、气液压、新型材料等驱动弯曲和变刚度，通过不同驱动方法能产生不同效果。

电机驱动：通过电机或气液压的软体机械手有较大的输出力和控制精度，也可以获得较大的变刚度范围，但由于电机功率密度小以及气液压驱动需要气源电磁阀等配件使得夹持器体积大而且有噪音。

新型材料驱动：利用形状记忆聚合物、形状记忆合金、介电弹性体、低熔点金属等材料驱动的夹持器能够降低软体夹持器噪音和提高功率密度，但存在输出夹持力小、响应时间长和刚度变化范围小的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有软体夹持器弯曲驱动和变刚度驱动方法存在的问题，提供一种低沸点液体与形状记忆合金混合驱动的变刚度软体夹持器，利用低沸点易挥发液体受热后气化与形状记忆合金混合驱动由复合材料做成的多空腔硅胶体软体手指弯曲运动、利用低熔点树脂材料受热软化特性改变手指弯曲刚度，以实现软体夹持器的柔性弯曲快速响应、提高手指变刚度范围和功率密度。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种低沸点液体驱动的变刚度软体夹持器，由2个柔性手指固定于手指支架上构成，所述柔性手指包括柔性硅胶体、薄型形状记忆合金加热片、变刚度结构、散热结构、橡胶片，所述柔性硅胶体是由硅胶和低熔点金属材料混合后倒入模具中做成含有多个小腔体的柔性波纹型半圆管，在多个小腔体内分别注入低沸点液体和放入薄型形状记忆合金加热片，而后用变刚度结构对柔性波纹型半圆管进行密封，所述变刚度结构另一侧粘贴有散热结构，所述散热结构包括柔性散热薄片，柔性散热薄片上均匀粘贴若干轻型空心铝型材，所述橡胶片粘贴于散热结构的空心铝型材上。

在上述技术方案中，所述变刚度结构包括一树脂薄片，树脂薄片内均匀嵌有电阻丝，树脂薄片端部设有通孔，装配完成后的手指可通过该通孔固定在手指支架上。

在上述技术方案中，所述低沸点液体为无水乙醇。

在上述技术方案中，所述薄型形状记忆合金加热片低温时为折叠状态，高温时为展开记忆状态。

在上述技术方案中，所述薄型形状记忆合金加热片可通过导线固定在变刚度结构的树脂薄片上。

在上述技术方案中，所述薄型形状记忆合金加热片的导线可通过变刚度结构和散热结构的通孔与外接电源进行连接，电源线可放置于空心铝型材之间。

本发明软体夹持器的工作部分由手指弯曲驱动结构和变刚度结构组成。

手指弯曲驱动结构：首先用硅胶和低熔点金属材料（金属铟和镓）按一定比例混合后倒入模具中做成含有多个小腔体的柔性波纹型半圆管，再在腔体内部注入无毒（或低毒）易挥发低沸点液体（比如无水乙醇）和放入薄型形状记忆合金加热片，而后用具有一定刚度的树脂薄片对柔性半圆管进行密封。当薄型形状记忆合金加热片通电后，柔性硅胶体的小腔体内部的液体温度升高发生气化从而使得腔体内部压强变大以及形状记忆合金由低温马氏体状态转变成高温奥氏体记忆状态。由于变刚度结构的树脂薄片的熔点大于液体沸点且在液体受热汽化时其刚度仍大于柔性硅胶体，因此柔性硅胶体受气压和形状记忆合金挤压混合驱动后腔体发生轴向拉伸形变远大于硅胶管密封一侧的树脂薄片，进而导致手指沿着树脂薄片一侧弯曲形变，从而实现手指的弯曲运动。当薄型形状记忆合金加热片断电后，腔体内部气体液化并且形状记忆合金由奥氏体记忆状态转变成马氏体状态，手指靠树脂薄片和硅胶体弯曲后的弹性势能恢复到原来形状。硅胶和低熔点金属材料按比例混合的目的是改善柔性硅胶体材料的导热性能，以此提高手指恢复弯曲前形状的响应速度。

手指变刚度驱动结构：变刚度结构把电阻丝均匀嵌于具有一定刚度的树脂薄片内，当电阻丝通电后树脂受热发生软化，以改变手指刚度。由于在常温和受热状态下树脂薄片的刚度发生明显变化，从而使手指获得较大的变刚度范围。为防止树脂薄片受热后在低刚度状态下手指弯曲过程中被拉伸而发生形变，本发明利用抗高温和抗拉伸的柔性散热薄片贴于树脂薄片无硅胶体的一侧的表面，并且散热薄片的另一侧也粘贴有轻型空心铝型材，以提高手指变刚度响应特性和形状的稳定性。另外，轻型空心铝型材另一侧的表面粘贴有橡胶层以提高柔性手指抓取物体时的稳定性和安全性。

本发明具有以下有益效果：

1.利用低沸点易挥发液体受热后气化与形状记忆合金材料混合驱动方法既可以利用形状记忆合金对液体进行加热又可以实现混合弯曲驱动以增强驱动力。

2.通过控制不同腔体内部加热片通电电流和通电时间时，可控制各腔体不同膨胀状态以实现软体手指变曲率弯曲。

3.通过对内嵌于树脂薄片电阻丝的通电和断电，可实现手指刚度的连续非线性大范围可调的目的。

4.相比于传统采用电机或气液手指弯曲驱动和变刚度驱动方法，本发明结构紧凑、小型轻量，有效提高了机械手弯曲驱动和变刚度驱动的功率密度。

附图说明

图1是本发明中柔性硅胶体的结构示意图。

图2是图1的背面视图。

图3是本发明中薄型形状记忆合金加热片低温时折叠状态的示意图。

图4是本发明中薄型形状记忆合金加热片高温时展开记忆状态的示意图。

图5为本发明中变刚度结构的结构示意图。

图6为本发明中散热支架的结构示意图。

图7为图6的背面视图。

图8为本发明中柔性手指装配图。

图9为本发明中变刚度软体夹持器的整体结构示意图。

其中：1柔性硅胶体，1.1腔体，2.薄型形状记忆合金加热片，2.1形状记忆合金，2.2导线，3变刚度结构，3.1树脂薄片，3.2电阻丝，4散热结构，4.1柔性散热薄片，4.2空心铝型材，5橡胶片，6手指支架。

具体实施方式

下面结合实施例及附图更详细阐明本发明，但实施例并不限制本发明。

如图1至9所示，本发明实施例提供一种低沸点液体与形状记忆合金混合驱动弯曲的变刚度软体夹持器，由2个柔性手指固定于手指支架6上构成，所述柔性手指包括柔性硅胶体1、薄型形状记忆合金加热片2、变刚度结构3、散热结构4、橡胶片5，如图1、图2所示，所述柔性硅胶体1是由重量比为70%的硅胶、20%的铟和10%的镓混合后倒入模具中做成含有多个小腔体的柔性波纹型半圆管，在多个小腔体1.1内分别注入低沸点液体和放入薄型形状记忆合金加热片2，而后用变刚度结构3对柔性波纹型半圆管进行密封，所述变刚度结构3另一侧粘贴有散热结构4，如图6、图7所示，所述散热结构4包括柔性散热薄片4.1，柔性散热薄片4.1上均匀粘贴若干轻型空心铝型材4.2，所述橡胶片5粘贴于散热结构的空心铝型材4.2上。

在上述实施例中，如图5所示，所述变刚度结构3包括一树脂薄片3.1，树脂薄片3.1内均匀嵌有电阻丝3.2，树脂薄片3.1端部设有通孔，装配完成后的手指可通过该通孔固定在手指支架6上，如图9所示。

在上述实施例中，所述低沸点液体为无水乙醇。

在上述实施例中，如图3、图4所示，所述薄型形状记忆合金加热片2低温时为折叠状态，高温时为展开记忆状态。

在上述实施例中，所述薄型形状记忆合金加热片2可通过导线2.2固定在变刚度结构的树脂薄片3.1上。

在上述实施例中，所述薄型形状记忆合金加热片的导线2.2可通过变刚度结构3和散热结构4的通孔与外接电源进行连接，电源线可放置于空心铝型材之间。

本发明实施例软体夹持器的工作部分由手指弯曲驱动结构和变刚度结构组成。

手指弯曲驱动结构：首先用硅胶、铟和镓按比例混合后倒入模具中做成含有多个小腔体的柔性波纹型半圆管，再在腔体内部注入无水乙醇和放入薄型形状记忆合金加热片，而后用具有一定刚度的树脂薄片对柔性半圆管进行密封。当薄型形状记忆合金加热片通电后，柔性硅胶体的小腔体内部的液体温度升高发生气化从而使得腔体内部压强变大以及形状记忆合金由低温马氏体状态转变成高温奥氏体记忆状态。由于变刚度结构的树脂薄片的熔点大于液体沸点且在液体受热汽化时其刚度仍大于柔性硅胶体，因此柔性硅胶体受气压和形状记忆合金挤压混合驱动后腔体发生轴向拉伸形变远大于硅胶管密封一侧的树脂薄片，进而导致手指沿着树脂薄片一侧弯曲形变，从而实现手指的弯曲运动。当薄型形状记忆合金加热片断电后，腔体内部气体液化并且形状记忆合金由奥氏体记忆状态转变成马氏体状态，手指靠树脂薄片和硅胶体弯曲后的弹性势能恢复到原来形状。硅胶和低熔点金属材料按比例混合的目的是改善柔性硅胶体材料的导热性能，以此提高手指恢复弯曲前形状的响应速度。

手指变刚度驱动结构：变刚度结构把电阻丝均匀嵌于具有一定刚度的树脂薄片内，当电阻丝通电后树脂受热发生软化，以改变手指刚度。由于在常温和受热状态下树脂薄片的刚度发生明显变化，从而使手指获得较大的变刚度范围。为防止树脂薄片受热后在低刚度状态下手指弯曲过程中被拉伸而发生形变，本发明利用抗高温和抗拉伸的柔性散热薄片贴于树脂薄片无硅胶体的一侧的表面，并且散热薄片的另一侧也粘贴有轻型空心铝型材，以提高手指变刚度响应特性和形状的稳定性。另外，轻型空心铝型材另一侧的表面粘贴有橡胶层以提高柔性手指抓取物体时的稳定性和安全性。

本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。

以上的仅为本发明的较佳实施例，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化（包括但不限于用于其它类型起重机、增加其它数据监测类型或添加其它服务功能），仍属本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种低沸点液体与形状记忆合金混合驱动弯曲的变刚度软体夹持器，其特征在于：由2个柔性手指固定于手指支架上构成，所述柔性手指包括柔性硅胶体、薄型形状记忆合金加热片、变刚度结构、散热结构、橡胶片，所述柔性硅胶体是由硅胶和低熔点金属材料混合后倒入模具中做成含有多个小腔体的柔性波纹型半圆管，在多个小腔体内分别注入低沸点液体和放入薄型形状记忆合金加热片，而后用变刚度结构对柔性波纹型半圆管进行密封，所述变刚度结构另一侧粘贴有散热结构，所述散热结构包括柔性散热薄片，柔性散热薄片上均匀粘贴若干轻型空心铝型材，所述橡胶片粘贴于散热结构的空心铝型材上。

2.根据权利要求1所述的低沸点液体与形状记忆合金混合驱动弯曲的变刚度软体夹持器，其特征在于：所述柔性硅胶体是用重量比为70%的硅胶、20%的金属铟和10%的镓混合后倒入模具中制成。

3.根据权利要求1所述的低沸点液体与形状记忆合金混合驱动弯曲的变刚度软体夹持器，其特征在于：所述变刚度结构包括一树脂薄片，树脂薄片内均匀嵌有电阻丝，树脂薄片端部设有通孔，装配完成后的手指可通过该通孔固定在手指支架上。

4.根据权利要求1所述的低沸点液体与形状记忆合金混合驱动弯曲的变刚度软体夹持器，其特征在于：所述低沸点液体为无水乙醇。

5.根据权利要求1所述的低沸点液体与形状记忆合金混合驱动弯曲的变刚度软体夹持器，其特征在于：所述薄型形状记忆合金加热片低温时为折叠状态，高温时为展开记忆状态。

6.根据权利要求5所述的低沸点液体与形状记忆合金混合驱动弯曲的变刚度软体夹持器，其特征在于：所述薄型形状记忆合金加热片可通过导线固定在变刚度结构的树脂薄片上。

7.根据权利要求5所述的低沸点液体与形状记忆合金混合驱动弯曲的变刚度软体夹持器，其特征在于：所述薄型形状记忆合金加热片的导线可通过变刚度结构和散热结构的通孔与外接电源进行连接，电源线可放置于空心铝型材之间。