CN110340921A - 一种具有触觉感知功能的气动式软体机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有触觉感知功能的气动式软体机械手，是由电热相变执行器、软体机械手和柔性触觉传感单元三部分构成，电热相变执行器内设置有柔性加热膜和液态相变材料。本发明通过对柔性加热膜通电加热使液态相变材料蒸发，以调控电热相变执行器基体内部空腔的压强，从而动态调节软体机械手的弯曲状态，以完成抓取操作；同时，柔性触觉传感单元用以感知软体机械手抓取目标过程中抓取力的时变信息，并以其作为调节软体机械手弯曲状态的反馈源，从而形成闭环反馈控制；本发明的结构整体具有柔性，为机器人灵巧手实现安全、智能抓取提供了可行性方案。

Description

一种具有触觉感知功能的气动式软体机械手

技术领域

本发明属于软体机器人和传感器领域，主要应用于智能机器人完成安全、灵巧抓取，具体涉及一种具有触觉感知功能的气动式软体机械手。

背景技术

近年来，柔性材料在软体机械手设计制造中的应用引起了国内外学者的广泛关注，并得到了不断的研究。随着社会发展，人们在诸多领域对仿人手机械装置提出了新的要求，包括人-机、机-环境交互的安全性、友好性以及灵活性等。例如在对外形多变、表面易碎物体(水果、蔬菜和生物组织等)的分拣中，在对中风患者的医疗康复和辅助助力器械的设计中，以及在辅助手术等医疗器械中均要求相应的操作设备具有更高的柔顺性、绝对的安全性、更好的人机交互性等。软体机械手充分利用和发挥各种柔性材料包括橡胶、聚合物、智能材料、多功能材料等天然的柔顺性，及其非线性、粘弹性和迟滞特性等在软体机械手运动和控制中潜在的“机械智能”作用，从而降低控制的复杂度，实现高灵活性和良好的交互性。软体机械手与刚性机械手最大的区别就是本体材料是柔性的，由于软材料比刚性材料具有更加复杂丰富的响应特性，这不仅带来功能上的灵活性和顺应性，在软体机械手的设计和控制方法上也具有了更多可能。作为软体机器人领域的一个分支，软体机械手正在迅速发展，凭借良好的柔性、安全性以及复杂环境适应性等性能优势，必将在生产生活的诸多领域发挥重要应用价值。

哈佛大学Ahmad Rafsanjani等人仿生蛇皮表面结构，采用气体驱动方式使人造蛇皮向前移动，当空气被泵入管内时，机器人会膨胀，从而使得鳞片弹出，锚定在表面上，并将机器人驱动向前。研究人员指出，人造蛇皮可以抵抗像沥青和混凝土这样的粗糙表面，将来，这些机器人可能会缩小并用于在动脉内输送药物，或者需要机器人在狭窄空间内爬行的灾难场景中。哈佛大学Connor Walsh等人研发的可穿戴康复软体机器人，采用的是一种人造气动肌肉，其本身是一种橡胶材料，肌肉内部有不同形状的空腔，通过气泵对肌肉充气就能使其形变来模仿人手的活动，目的是为了帮助残疾人和行动不便的人康复或是作为辅助设备长期穿戴。多伦多大学徐天启等人将磁性元素钕粒子嵌入到柔性材料中，使用一对强力的磁铁来翻转机器人特定部位钕的极性，并用紫外线照射将这些粒子锁定在相应的位置，类似于花瓣开合的机器人，研究人员通过控制它的开合状态以及滚动方向来达到搬运指定物品的效果。Walsh团队通过引入纤维限制应变层对气动手指的变形进行控制，研制出可实现多种基本变形的气动结构，并制作出可辅助患者进行手部特别任务训练的软体机械手。日本研究人员Nagase等人通过将气动驱动器和拉线结合起来，设计出一款可变刚度的软体机械手，该软体机械手可以通过调节表面刚度实现对不同物体的抓取，特别是对表面柔软物体的抓取。韩国Cho研究组通过对柔性本体拉线外骨骼手套的研究，研发出多种可用于辅助助力以及康复应用的软体机械手。国内也有高校开展了对软体机械手的研究。其中，香港大学研究人员Yang等人通过将形状记忆聚合物(Shape Memory Polyer,SMP)和气动柔性驱动器相结合，研制出一个可变刚度的气动软体抓手。浙江工业大学张立彬等人将气动人工肌肉作为驱动器应用于灵巧手的设计中，并对该局部柔性的灵巧手进行了研究。

关于软体机械手的研究目前还处于起步阶段，许多问题还未解决，需要进一步探讨和研究，包括柔性材料制备及成型技术、柔性传感器技术、可变刚度及刚柔结合设计等，其关键问题主要体现在以下几个方面：①软体机械手可重复性定位精度差问题。由于柔性材料本身易变形的特性，软体机械手容易受环境条件影响而发生被动变形，对其动作的可重复性定位精度造成影响。②软体机械手的低输出力问题。软体机构不同于刚性机构，其柔顺被动变形同时也带来低输出力问题。③软体机械手的运动控制问题。软体机械手本身具有高自由度，目前大多采用分段思路对其运动学和动力学进行建模分析，但难以得到精确模型。因此，结合驱动、传感、多功能的复合材料，以及创新软体机器人控制方法的软体机械手将是它主要的发展趋势。

随着计算机技术、现代控制技术、传感技术及人工智能技术的不断发展，机器人在智能制造、医疗康复、航空航天等领域得到广泛应用，并成为长期刚性需求。目前，智能机器人本体正朝着仿生化、自然交互、人机协同、交互共融等方向发展，抓取是机器人灵巧手代替人手执行各项复杂任务的基本能力。传统刚性机械手因不具备柔顺性，在抓取易碎易损伤等物品时存在不足，一般柔性机械手虽可以克服刚性机械手的弊端，因其不具备触觉感知功能，仍无法获取抓取过程中接触力的时变信息。为此，面向智能机器人灵巧手安全、智能抓取的应用需求，研制具有触觉感知功能的软体机械手成为研究热点。

发明内容

为提升软体机械手抓取工作的智能性、安全性、灵活性，本发明基于3D打印技术、流体成型和自组装工艺，提出了一种具有触觉感知功能的气动式软体机械手。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

一种具有触觉感知功能的气动式软体机械手，其特点在于：由电热相变执行器、软体机械手和柔性触觉传感单元三部分构成；

所述电热相变执行器包括内部设有空腔的基体；在所述基体内部空腔的底表面固定有两组对称分布的柔性加热膜，每组柔性加热膜包括若干等间距排列的半圆形同心柔性加热膜；所述基体的内部空腔中存储有液态相变材料；所述基体的上表面开设有呈正三角形间隔分布的三个矩形通孔；

所述软体机械手包括呈手指形状且底面开口的矩形腔体；在所述矩形腔体的外侧面沿高度方向等间距设置有若干半圆柱腔体，各半圆柱腔体的内部空腔与矩形腔体的内部空腔相连通；

所述软体机械手共三个，分别以底端插入在三个矩形通孔内，且与矩形通孔的内表面贴合；所述软体机械手矩形腔体的内部空腔与所述基体的内部空腔相连通；

所述柔性触觉传感单元设置在所述矩形腔体的内侧面。

进一步地，所述柔性加热膜是以石墨烯和炭黑作为两相导电材料，均匀分散在硅橡胶基体中成型获得，且石墨烯、炭黑和硅橡胶的质量比为5:2～3:30～40。利用二维石墨烯和零维炭黑导电相之间的协同效应构建三维导电网络，提升导电相在基体中的均匀分散性和力敏复合材料的电学网络稳定性。

进一步地：位于同组的各柔性加热膜底端通过导线相连；两组柔性加热膜分别连接激励电压和地端。

进一步地，在所述软体机械手中，所述半圆柱腔体的直径与所述矩形腔体外侧面等宽，且对齐设置。

进一步地，所述液态相变材料为无水乙醇。

进一步地：所述电热相变执行器的基体以硅橡胶为材质；所述软体机械手以环氧树脂AB胶为材质；所述电热相变执行器、软体机械手和柔性触觉传感单元通过硅橡胶组装。

进一步地，所述柔性触觉传感单元是以石墨烯和炭黑作为两相导电材料，均匀分散在硅橡胶基体中成型获得，其中，石墨烯、炭黑的质量比为1:1，二者占总质量的8％～10％。

进一步地，所述柔性加热膜通过硅橡胶固定在所述电热相变执行器基体内部空腔的底表面上，且所述柔性加热膜的顶部与基体内部空腔的顶表面非接触。

本发明所述具有触觉感知功能的气动式软体机械手，通过对柔性加热膜通电加热使液态相变材料蒸发，以调控电热相变执行器基体内部空腔的压强，从而动态调节软体机械手的弯曲状态，以完成抓取操作；同时，所述柔性触觉传感单元用以感知软体机械手抓取目标过程中抓取力的时变信息，以所述抓取力的时变信息作为调节软体机械手弯曲状态的反馈源，从而形成闭环反馈控制，有助于提升软抓取的安全性、灵活性。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明将气动式软体机械手与柔性触觉传感单元有机集成，结合软体机械手柔顺特点和触觉感知功能，用于实现机器人灵巧手安全、智能抓取研究。具体表现在，相较于传统刚性机械手或一般软体机械手，本发明具有触觉感知功能的气动式软体机械手整体具有柔性，同时气动式软体机械手手指内表面集成有柔性触觉传感单元，可实现抓取过程中接触力的实时感知。

2、本发明通过在气动式软体机械手手指集成柔性触觉传感单元，用以实时感知抓取过程中接触力时变信息，并作为调节软体机械手弯曲状态的反馈源，从而形成闭环反馈控制，有助于提升软抓取的安全性、灵活性。

3、本发明气动式软体机械手，其激励源由电热相变执行器提供，将低沸点无水乙醇填充于矩形腔体内，柔性加热膜供电产热使无水乙醇蒸发，改变软体机械手腔体内压强，从而驱动软体机械手弯曲以完成抓取操作。相较于机械传动、磁力致动等驱动模式，本发明气动式软体机械手具有整体柔性、低驱动电压、控制简单等优势。

4、本发明气动式软体机械手基于“海星”仿生结构，得益于其独特的仿生结构，相较于传统气动式软体机械手，在相同压强作用下，“海星”仿生结构具有弯曲幅度大、抓取力强、灵活度高等特性。

5、本发明具有触觉感知功能的气动式软体机械手基于3D打印技术、流体成型工艺和自组装工艺，具有整体制备流程简单、易于宏量制备等优势；同时，采用碳系导电相和硅橡胶基体，具有材料价格低廉等特点，为实际应用提供了保障。

附图说明

图1为本发明具有触觉感知功能的气动式软体机械手的整体结构示意图，图中标号：1为基体，2为柔性加热膜，3为矩形通孔，4为矩形腔体，5为半圆柱腔体，6为柔性触觉传感单元。

图2为本发明的电热相变执行器中两组柔性加热膜在基体内部空腔的底表面的分布示意图。

图3为本发明电热相变执行器的整体结构示意图。

图4为本发明软体机械手的制作模具结构示意图。

图5为本发明软体机械手整体的结构示意图。

图6为本发明柔性触觉传感单元集成于柔性机械手手指的结构示意图。

图7为本发明具有触觉感知功能的气动式软体机械手组装后的整体结构示意图。

图8为本发明具有触觉感知功能的气动式软体机械手在Solidworks环境下组装图(a图)和COMSOL环境下不同输入激励的仿真结果(b图)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，下述实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1～7所示，本实施例具有触觉感知功能的气动式软体机械手，由电热相变执行器、软体机械手和柔性触觉传感单元三部分构成。

如图2、3所示，电热相变执行器包括内部设有空腔的基体1；在基体1内部空腔的底表面固定有两组对称分布的柔性加热膜2，每组柔性加热膜包括若干等间距排列的半圆形同心柔性加热膜；基体1的内部空腔中存储有液态相变材料；基体1的上表面开设有呈正三角形间隔分布的三个矩形通孔3。具体实施中，基体可为任意形状，如矩形、圆柱形，本实施例及附图中采用矩形。具体的，位于同组的各柔性加热膜底端通过导线相连，两组柔性加热膜分别连接激励电压和地端。具体的，液态相变材料为无水乙醇。

如图5所示，软体机械手包括呈手指形状且底面开口的矩形腔体4；在矩形腔体4的外侧面沿高度方向等间距设置有若干半圆柱腔体5，各半圆柱腔体的内部空腔与矩形腔体的内部空腔相连通。

软体机械手共三个，分别以底端插入在三个矩形通孔3内，且与矩形通孔的内表面贴合；软体机械手矩形腔体4的内部空腔与基体1的内部空腔相连通。具体的，在软体机械手中，半圆柱腔体5的直径与矩形腔体4外侧面等宽，且对齐设置。

如图6所示，柔性触觉传感单元6设置在矩形腔体4的内侧面。

具体的，电热相变执行器的基体以硅橡胶为材质，软体机械手以环氧树脂AB胶为材质，电热相变执行器、软体机械手和柔性触觉传感单元通过硅橡胶组装。柔性加热膜通过硅橡胶固定在电热相变执行器基体内部空腔的底表面上，且柔性加热膜的顶部与基体内部空腔的顶表面非接触。

具体的，本实施例具有触觉感知功能的气动式软体机械手的制备流程主要包括如下步骤：

步骤1、基于石墨烯/碳黑/硅橡胶柔性加热膜的电热相变执行器制备

称取石墨烯和炭黑溶于溶剂石脑油中，搅拌均匀后，超声分散1h，磁力搅拌2h，获得均匀分散的石墨烯/炭黑悬浊液。然后向石墨烯/炭黑悬浊液中加入硅橡胶并磁力搅拌2h，获得均匀分散的石墨烯/炭黑/硅橡胶复合导电溶液。其中，石墨烯、碳黑和硅橡胶的质量比为5:2～3:30～40。

将石墨烯/碳黑/硅橡胶复合导电溶液旋涂成膜，旋涂机旋涂速率和时间分别设置为500rpm和20s，室温固化后得到高电学稳定性柔性导电薄膜。

基于3D打印技术、流体成型工艺和自组装工艺，设计内部设有空腔的基体：首先，利用三维建模软件Solidworks设计内部设有空腔的基体模具，将硅橡胶注入模具后室温固化，脱模、自组装即可获得内部设有空腔的基体。

将固化后的柔性加热膜裁剪至合适尺寸，分为两组，每组包括若干等间距排列的半圆形同心柔性加热膜。位于同组的各柔性加热膜底端通过导线相连，两组柔性加热膜分别连接激励电压和地端。通过硅橡胶将柔性加热膜固定在基体内部空腔的底表面。

将基体上表面固定在基体上，然后向基体的内部空腔中注入低沸点液态相变材料，本实施例采用无水乙醇。

步骤2、“海星”仿生结构的软体机械手的制备

基于3D打印技术、流体成型工艺和自组装工艺，设计并制备“海星”仿生结构的软体机械手模具，如图4所示，模具分为图4a和图4b两部分。基于“海星”仿生结构的软体机械手制备方法如下：称取适量环氧树脂AB胶，A胶、B胶质量比为1:1均匀混合，倒入图4b所示部分的软体机械手模具中，然后将两部分模具组装，室温固化，脱模。所得模型内侧面组装合适尺寸的矩形硅橡胶柔性基体以形成矩形腔体，最终得到软体机械手，其整体结构示意图如图5所示。

步骤3：高灵敏度柔性触觉传感单元制备

称取石墨烯和炭黑溶于溶剂石脑油中，搅拌均匀后，超声分散1h，磁力搅拌1h，获得均匀分散的石墨烯/炭黑悬浊液。然后向石墨烯/炭黑悬浊液中加入硅橡胶并磁力搅拌2h，获得均匀分散的石墨烯/炭黑/硅橡胶复合导电溶液。其中，石墨烯、炭黑的质量比为1:1，二者占总质量的8％～10％。

将石墨烯/炭黑/硅橡胶复合导电溶液旋涂成膜，旋涂机旋涂速率和时间分别设置为500rpm和20s，室温固化后裁剪成合适尺寸并引出柔性电极，获得柔性触觉传感单元6，并通过硅橡胶集成于软体机械手矩形腔体4的内侧面，其结构示意图如图6所示。

步骤4：具有触觉感知功能的气动式软体机械手一体化集成

如图7所示，将电热相变执行器和气动式软体机械手通过硅橡胶全柔性、一体化自组装。

在Solidworks环境下构建具有触觉感知功能的气动式软体机械手模型如图8a所示；同时，利用COMSOL构建本发明基于“海星”仿生结构的软体机械手有限元仿真模型，阐述其工作机理，如图8b所示，可以看出，在腔体内施加不同激励时(P0、P1、P2和P3，其中，P0为初始状态)，“海星”仿生结构的软体机械手弯曲角度不同，实际应用中可通过改变电热相变执行器内压强大小，驱动气动式软体机械手完成抓取动作，同时，柔性触觉传感器实时感知接触力的时变信息，可以依据柔性触觉传感单元感知接触力的时变信息作为调节软体机械手弯曲状态的反馈源，从而形成闭环反馈控制，有助于提升软抓取的安全性、灵活性。

以上仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有触觉感知功能的气动式软体机械手，其特征在于：由电热相变执行器、软体机械手和柔性触觉传感单元三部分构成；

所述电热相变执行器包括内部设有空腔的基体(1)；在所述基体(1)内部空腔的底表面固定有两组对称分布的柔性加热膜(2)，每组柔性加热膜包括若干等间距排列的半圆形同心柔性加热膜；所述基体(1)的内部空腔中存储有液态相变材料；所述基体(1)的上表面开设有呈正三角形间隔分布的三个矩形通孔(3)；

所述软体机械手包括呈手指形状且底面开口的矩形腔体(4)；在所述矩形腔体(4)的外侧面沿高度方向等间距设置有若干半圆柱腔体(5)，各半圆柱腔体的内部空腔与矩形腔体的内部空腔相连通；

所述软体机械手共三个，分别以底端插入在三个矩形通孔(3)内，且与矩形通孔的内表面贴合；所述软体机械手矩形腔体(4)的内部空腔与所述基体(1)的内部空腔相连通；

所述柔性触觉传感单元(6)设置在所述矩形腔体(4)的内侧面。

2.根据权利要求1所述的具有触觉感知功能的气动式软体机械手，其特征在于：所述柔性加热膜是以石墨烯和炭黑作为两相导电材料，均匀分散在硅橡胶基体中成型获得，且石墨烯、炭黑和硅橡胶的质量比为5:2～3:30～40。

3.根据权利要求1所述的具有触觉感知功能的气动式软体机械手，其特征在于：位于同组的各柔性加热膜底端通过导线相连；两组柔性加热膜分别连接激励电压和地端。

4.根据权利要求1所述的具有触觉感知功能的气动式软体机械手，其特征在于：在所述软体机械手中，所述半圆柱腔体(5)的直径与所述矩形腔体(4)外侧面等宽，且对齐设置。

5.根据权利要求1所述的具有触觉感知功能的气动式软体机械手，其特征在于：所述液态相变材料为无水乙醇。

6.根据权利要求1所述的具有触觉感知功能的气动式软体机械手，其特征在于：所述电热相变执行器的基体以硅橡胶为材质；所述软体机械手以环氧树脂AB胶为材质；所述电热相变执行器、软体机械手和柔性触觉传感单元通过硅橡胶组装。

7.根据权利要求1所述的具有触觉感知功能的气动式软体机械手，其特征在于：所述柔性加热膜通过硅橡胶固定在所述电热相变执行器基体内部空腔的底表面上，且所述柔性加热膜的顶部与基体内部空腔的顶表面非接触。

8.根据权利要求1所述的具有触觉感知功能的气动式软体机械手，其特征在于：所述柔性触觉传感单元是以石墨烯和炭黑作为两相导电材料，均匀分散在硅橡胶基体中成型获得，其中，石墨烯、炭黑的质量比为1:1，二者占总质量的8％～10％。

9.根据权利要求1所述的具有触觉感知功能的气动式软体机械手，其特征在于：所述具有触觉感知功能的气动式软体机械手，通过对柔性加热膜通电加热使液态相变材料蒸发，以调控电热相变执行器基体内部空腔的压强，从而动态调节软体机械手的弯曲状态，以完成抓取操作；同时，所述柔性触觉传感单元用以感知软体机械手抓取目标过程中抓取力的时变信息，以所述抓取力的时变信息作为调节软体机械手弯曲状态的反馈源，从而形成闭环反馈控制。