CN109877858B - 一种变刚度软体机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变刚度驱动结构，包括转动结构，转动结构的两端各固定有超弹性形状记忆合金丝，转动结构外套有波纹管，波纹管内注有低熔点合金，波纹管的两端通过弹簧支架密封，弹簧支架固定连接在所述的超弹性形状记忆合金丝上，两个弹簧支架之间还固定有形状记忆合金弹簧；通过加热和冷却所述的低熔点合金，使转动结构在转动和锁紧状态进行切换，使变刚度驱动结构的刚度变化范围大幅增大。本发明还提供包括的变刚度驱动结构的手指关节和变刚度软体机械手。

Description

一种变刚度软体机械手

技术领域

本发明属于机械手领域，具体涉及一种变刚度软体机械手。

背景技术

现有机械手变刚度方法有很多种类型，通过不同驱动方法能产生不同效果。

电机、气压或液压驱动的方法，原理是通过电机与刚性弹簧和配合驱动手指关节刚度变化，或通过气压、液压形成的高低压差驱动软体机构变刚度。但由于电机、气压、液压驱动功率密度小，使得变刚度结构体积大而且有噪音。

低熔点金属、形状记忆聚合物、形状记忆合金丝驱动的方法，原理是利用低熔点金属或形状记忆聚合物或金属加热和冷却过程中其弹性模量的变化来改变机械手手指结构的刚度。与电机、气压液压驱动变刚度结构相比，此类方法提高了手指变刚度结构的功率密度，但由于低熔点金属、形状记忆聚合物、超弹性形状记忆合金丝的弹性模量在温度变化前后改变程度小，因此关节刚度变化范围窄。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种变刚度软体机械手，能够提高变刚度结构的刚度变化范围。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种变刚度驱动结构，其特征在于：包括转动结构，转动结构的两端各固定有超弹性形状记忆合金丝，转动结构外套有波纹管，波纹管内注有低熔点合金，波纹管的两端通过弹簧支架密封，弹簧支架固定连接在所述的超弹性形状记忆合金丝上，两个弹簧支架之间还固定有形状记忆合金弹簧；通过加热和冷却所述的低熔点合金，使转动结构在转动和锁紧状态进行切换。

按上述方案，所述的转动结构由第一接头和第二接头通过转轴连接而成。

一种手指关节，其特征在于：手指关节包括所述的变刚度驱动结构、柔性板和导轨支架；其中，柔性板正面两端设有单元支架，单元支架与所述的变刚度驱动结构的超弹性形状记忆合金丝固定连接；所述的导轨支架固定在柔性板的背面，且导轨支架上设有供驱动线穿过的通孔。

按上述手指关节，所述的变刚度驱动结构至少为2个，相互平行设置在柔性板的正面；手指关节的弯曲刚度等于柔性板的弯曲刚度与所有变刚度驱动结构弯曲刚度的总和；通过分别调节变刚度驱动结构，实现手指关节弯曲刚度的多级调控。

按上述手指关节，所述的柔性板为柔性硅胶片。

一种手指，其特征在于：手指包括顺次连接的指尖、至少1节所述的手指关节和一个末端支架，每个手指关节的导轨支架朝向相同。

一种变刚度软体机械手，其特征在于：本机械手包括至少2根所述的手指，每个手指配有一个手指弯曲驱动结构；相邻手指的末端支架通过固定支架连接；

所述的手指弯曲驱动结构包括电机、转盘和驱动线；其中，电机通过电机支架固定在所述的固定支架上；转盘固定在固定支架上；成U形的驱动线依次穿过对应手指的所有手指关节导轨支架上的通孔，并固定在转盘上；电机通过控制转盘的正反转而控制驱动线的收放运动，从而控制手指关节的弯曲和恢复。

按上述机械手，通过变刚度驱动结构改变各手指关节的初始弯曲角度，以适应不同被抓物体。

本发明的有益效果为：

1、通过加热和冷却低熔点合金，使套在波纹管中的转动结构在转动和锁紧状态进行切换，使变刚度驱动结构的刚度变化范围大幅增大。

2、当转动结构转动一定角度后冷却低熔点合金，可获得不同初始弯曲角度的手指关节。从而使机械手手指初始形状，以适应不同形状的被抓物体；当加热低熔点合金使得转动结构处于自由转动状态后再加热形状记忆合金弹簧，形状记忆合金弹簧受热恢复到笔直圆柱状态并驱动转动结构恢复到初始直线状态。

2、利用多个变刚度驱动结构并列分布于手指关节上，通过分别调节变刚度驱动结构，实现手指关节弯曲刚度的多级调控，从而实现手指关节刚度的多级可调和大幅度变化。

3、利用多个多级可调的手指关节支撑的手指，可将手指关节固定于不同弯曲角度的初始状态，当针对不同物体抓取时，机械手手指可预先设定不同的弯曲角度初始状态，以便更加高效安全的完成抓取任务。

附图说明

图1为转动结构示意图。

图2为变刚度驱动结构的爆炸图。

图3为变刚度驱动结构的装配图。

图4为手指关节结构正面图。

图5为手指关节结构背面图。

图6为手指结构分解图。

图7为手指结构正面图。

图8为手指结构背面图。

图9为机械手结构图。

图10为机械手局部细节图。

图中： 1-1-第一接头，1-2-第二接头，1-3-转轴；

1-转动结构，2-1-第一超弹性形状记忆合金丝，2-2-第二超弹性形状记忆合金丝，3-波纹管，4-形状记忆合金弹簧，5-1-第一弹簧支架，5-2-第二弹簧支架；

6-变刚度驱动结构，7-单元支架，8-柔性板，9-导轨支架，9-1-通孔；

10-指尖，11-手指关节，12-末端支架；

13-固定支架，14-电机支架，15-转盘，16-驱动线，17-电机。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

一种变刚度驱动结构，如图2和图3所示，包括转动结构1，转动结构1的两端各固定有超弹性形状记忆合金丝，即第一超弹性形状记忆合金丝2-1和第二超弹性形状记忆合金丝2-2，转动结构1外套有波纹管3，波纹管3内注有低熔点合金，波纹管3的两端通过弹簧支架密封，弹簧支架固定连接在所述的超弹性形状记忆合金丝上，第一弹簧支架5-1和第二弹簧支架5-2之间还固定有形状记忆合金弹簧4；通过加热和冷却所述的低熔点合金，使转动结构1在转动和锁紧状态进行切换。

如图1所示，所述的转动结构1由第一接头1-1和第二接头1-2通过转轴1-3连接而成。

低熔点合金是指熔点在300℃以下的金属及其合金，本实施例中低熔点合金为银锡合金。

封装时，首先，把超弹性形状记忆合金丝固定在转动结构1上，把耐热波纹管3嵌套在转动结构1外部。而后，波纹管3一端用与第一超弹性形状记忆合金丝2-1连接固定的第一弹簧支架5-1进行连接密封，把银锡合金注入耐热波纹管3内并用第二弹簧支架5-2密封波纹管3另一端，最后把形状记忆合金弹簧4放置于两个弹簧支架内并粘接固定，以此完成变刚度驱动结构的装配。

变刚度驱动结构的驱动原理是：当转动结构1转动一定角度后银锡合金凝固，2根超弹性形状记忆合金丝焊接在一起，转动结构1不能转动，此时变刚度驱动结构的刚度取决于超弹性形状记忆合金丝弹性模量；当银锡合金加热完全融化后，转动结构1能够自由转动并且波纹管3与处于室温状态下的形状记忆合金弹簧4的弯曲刚度很小，此时变刚度驱动结构的刚度很小。另外，当银锡合金加热完全融化后，加热形状记忆合金弹簧4使其处于奥氏体记忆状态并收缩成圆柱状，形状记忆合金弹簧4驱动转动结构1转动，而后冷却银锡合金与形状记忆合金弹簧4，此时变刚度驱动结构恢复成最初的零转角状态。

一种手指关节，如图4和图5所示，手指关节包括所述的变刚度驱动结构6、柔性板8和导轨支架9；其中，柔性板8正面两端设有单元支架7，单元支架7与所述的变刚度驱动结构6的超弹性形状记忆合金丝固定连接；所述的导轨支架9固定在柔性板8的背面，且导轨支架9上设有供驱动线穿过的通孔9-1。

进一步的，所述的变刚度驱动结构6至少为2个，本实施例中为3个，相互平行设置在柔性板8的正面；手指关节的弯曲刚度等于柔性板8的弯曲刚度与所有变刚度驱动结构6弯曲刚度的总和；通过分别调节变刚度驱动结构6，实现手指关节弯曲刚度的多级调控。

本实施例中，所述的柔性板8为柔性硅胶片。三个变刚度驱动结构6并列分布固定于单元支架7上，单元支架7粘接于柔性硅胶片上。

手指关节的变刚度驱动原理为：当同时加热变刚度驱动结构6的银锡合金使其处于融化状态后，手指关节的弯曲刚度约等于柔性硅胶片的弯曲刚度；当变刚度驱动结构的银锡合金处于凝固状态时，手指关节的弯曲刚度约等于柔性硅胶片的弯曲刚度与三个变刚度驱动结构弯曲刚度的总和。由于当银锡合金处于凝固状态时变刚度驱动结构的刚度远大于柔性硅胶片的弯曲刚度，因此手指关节的刚度具有很大的变化范围和调节幅度。当三个变刚度驱动结构分别调节时，能实现手指关节刚度的多级调控。

一种手指，如图6至图8所示，手指包括顺次连接的指尖10、至少1节所述的手指关节11和一个末端支架12，每个手指关节11的导轨支架9朝向相同。

一种变刚度软体机械手，如图9和图10所示，本机械手包括至少2根所述的手指，每个手指配有一个手指弯曲驱动结构；相邻手指的末端支架12通过固定支架13连接。所述的手指弯曲驱动结构包括电机17、转盘15和驱动线16；其中，电机17通过电机支架14固定在所述的固定支架13上；转盘15固定在固定支架13上；成U形的驱动线16依次穿过对应手指的所有手指关节导轨支架9上的通孔，并固定在转盘15上；电机17通过控制转盘15的正反转而控制驱动线16的收放运动，从而控制手指关节11的弯曲和恢复。具体的，当驱动线16收缩时，手指发生弯曲；当驱动线16从转盘15上散开时，手指通过关节弯曲后的弹性势能恢复到初始状态。

进一步的，通过变刚度驱动结构改变各手指关节的初始弯曲角度，以适应不同被抓物体。由于变刚度驱动结构的转动结构可固定在不同转动角度，因此手指关节可处于不同弯曲角度的初始状态。当针对不同物体抓取时，机械手手指可预先设定不同弯曲状态初始状态，以便更加高效安全的完成抓取任务。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种变刚度驱动结构，其特征在于：包括转动结构，转动结构的两端各固定有超弹性形状记忆合金丝，转动结构外套有波纹管，波纹管内注有低熔点合金，波纹管的两端通过弹簧支架密封，弹簧支架固定连接在所述的超弹性形状记忆合金丝上，两个弹簧支架之间还固定有形状记忆合金弹簧；通过加热和冷却所述的低熔点合金，使转动结构在转动和锁紧状态进行切换；

所述的转动结构由第一接头和第二接头通过转轴连接而成。

2.一种手指关节，其特征在于：手指关节包括权利要求1所述的变刚度驱动结构、柔性板和导轨支架；其中，柔性板正面两端设有单元支架，单元支架与所述的变刚度驱动结构的超弹性形状记忆合金丝固定连接；所述的导轨支架固定在柔性板的背面，且导轨支架上设有供驱动线穿过的通孔。

3.根据权利要求2所述的手指关节，其特征在于：所述的变刚度驱动结构至少为2个，相互平行设置在柔性板的正面；手指关节的弯曲刚度等于柔性板的弯曲刚度与所有变刚度驱动结构弯曲刚度的总和；通过分别调节变刚度驱动结构，实现手指关节弯曲刚度的多级调控。

4.根据权利要求2所述的手指关节，其特征在于：所述的柔性板为柔性硅胶片。

5.一种手指，其特征在于：手指包括顺次连接的指尖、至少1节权利要求2所述的手指关节和一个末端支架，每个手指关节的导轨支架朝向相同。

6.一种变刚度软体机械手，其特征在于：本机械手包括至少2根权利要求5所述的手指，每个手指配有一个手指弯曲驱动结构；相邻手指的末端支架通过固定支架连接；

所述的手指弯曲驱动结构包括电机、转盘和驱动线；其中，电机通过电机支架固定在所述的固定支架上；转盘固定在固定支架上；成U形的驱动线依次穿过对应手指的所有手指关节导轨支架上的通孔，并固定在转盘上；电机通过控制转盘的正反转而控制驱动线的收放运动，从而控制手指关节的弯曲和恢复。

7.根据权利要求6所述的变刚度软体机械手，其特征在于：通过变刚度驱动结构改变各手指关节的初始弯曲角度，以适应不同被抓物体。

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