CN113532726B - 一种多材料柔性仿生义指系统及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多材料柔性仿生义指系统及其设计方法，属于仿生人体假肢技术领域，其包括柔性气动义指、空气差压传感器、光纤拉力传感器、气泵、控制器辅助单元和微控制器；本发明相较于传统刚性结构材料仿生义指系统，提出采用不同刚度材料的气动波纹管进行义指仿生，并基于简化数学模型进行分析构建，以解决柔性气动义指弯曲角度和夹持力难以测量的问题，使得该系统能够进行实时的精准的反馈，能够有效刺激患肢的肌肉运动，使患者在社会生活中，能适应简单环境，做一些力所能及的生活自理活动。
Description
技术领域
本发明涉及仿生人体假肢技术领域，尤其涉及一种多材料柔性仿生义指系统及其设计方法。
背景技术
传统假手的重量很重，功能性低，自由度有限，导致其无法适应物体的形状；可用的各种假手或义指基本上是基于连杆机构或液压和电动机械机构元件，如电线、电缆和链条带、人造肌肉等；目前使用的假手在设计和控制结构上很复杂，并且对于机器人或假肢应用来说实施起来也很昂贵；虽然结构简单，但存在操作不灵活、使用不自然等问题；对于义指或假肢应用来说，需要一只具有与人手相似的柔性、灵巧性和承载能力的适应性强的手是最为理想的，所以柔性机器人手指系统已经从许多方面进行了研究；包括由线性或非线性软材料组成的软气动致动器的多样性材料，用于产生广泛的预先设计的动作、控制模块和应用；软致动器重量轻、灵活，并且与人机交互兼容，已经在日常生活中得到应用；带有气压室的软致动器可以提供平滑和灵活的弯曲运动，这使得它们成为使用软机器人手指的理想部件；机器人手指的弯曲角度和夹持力通常通过实验来测量，或者使用数学和有限元模型来分析；然而，由于所用材料的高度非线性特性以及人的手指和致动器之间的复杂耦合，有限元模型难以构建；因此，发明出一种多材料柔性仿生义指系统及其设计方法变得尤为重要；
传统的仿生义指系统大多是基于传统刚性结构材料进行有限元模型分析构建的，其虽然结构简单，但存在操作不灵活、使用不自然等问题；因此，开发基于柔性材料的仿生义指系统成为当下重点研究方向，但基于柔性材料的仿生义指系统有限元模型难以构建，而且柔性气动义指的弯曲角度和夹持力难以测量或评价；为此，我们提出一种多材料柔性仿生义指系统及其设计方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的一种多材料柔性仿生义指系统及其设计方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种多材料柔性仿生义指系统，包括柔性气动义指、空气差压传感器、光纤拉力传感器、气泵、控制器辅助单元和微控制器；
所述柔性气动义指是基于柔性气动波纹管设计的，用于辅助上肢残疾人进行物体活动；
所述空气差压传感器用于采集柔性气动义指在活动时所需压力和测量压力，并对其进行差值计算，得到压力差值结果；
所述光纤拉力传感器用于采集柔性气动义在活动时产生的拉力；
所述气泵用于提供使义指弯曲的所需气压；
所述控制器辅助单元用于根据压力差值结果输出PWM调节电磁阀打开和关闭，以实现对柔性气动义指的实时精准控制操作；
所述微控制器用于根据柔性气动义指在活动时产生的拉力进行有力和精确的抓握控制。
一种多材料柔性仿生义指系统的设计方法，该设计方法具体如下：
步骤一：柔性气动义指设计，采用橡胶波纹管进行柔性气动义指设计，该柔性气动义指由不同刚度材料的气动波纹管、刚性段和半刚性段三部分组成；
步骤二：微应变柔性高灵敏度光纤传感器设计，通过光纤布拉格光栅(FBG)传感器与PDMS集成，形成微应变柔性高灵敏度光纤传感器；
步骤三：柔性仿生义指系统的搭建，使用简化数学模型分析多材料气动致动器和机器人手指的运动，并预测设计和制造参数，以此进行柔性仿生义指系统搭建；
步骤四：系统优化，通过红外光学3D动作捕捉系统实现对柔性仿生义指系统的优化设计。
进一步地，步骤一所述柔性气动义指设计具体步骤如下：
S1：首先，对所采用的气动波纹管进行加固成型；
S2：然后，固定气动波纹管，并用流体聚二甲硅氧烷覆盖；
S3：之后，将气管连接到波纹管的开口侧，组装成单一的多材料气动执行器，即形成柔性气动义指；
S4：使用飞秒激光烧蚀在义指表面制备仿生超疏水性PDMS表面，以保持义指的干燥与清洁；
所述流体聚二甲硅氧烷是由预聚体和交联剂配比而成。
进一步地，所述微应变柔性高灵敏度光纤传感器是以PDMS作为柔性光纤传感器的基底，FBG为传感单元，并通过设计FBG传感器在PDMS里的镶嵌姿势，获得微应变柔性高灵敏度光纤传感器，PDMS首先通过液态聚合物和固化剂质量比10:1的混合比例制备出来，然后将FBG固定在模具的中心，在常规烤箱中60℃加热12小时后，取出模具，FBG将嵌入PDMS衬垫中。
进一步地，所述简化数学模型的分析过程如下：
SS1：首先，根据波纹管和梁理论，计算波纹管顶部的角偏转θ1，其公式如下：
式中：M为作用于自由端的力矩；EIxa是波纹管和基底横截面的面积惯性矩；E为杨氏模量，L为波纹管的长度；
SS2：将多材料义指的压力分别分解为上下波纹管的Fb和Fp，并计算总力，其公式如下：
F＝Fb+Fp＝KbKwb+KpKwp (2)
式中：wb和wp分别为挠度；Kb和Kp分别为上波纹管侧和下平侧对应的轴向刚度；
SS3：计算波纹管内部的角偏转θ2，其公式如下：
SS4：计算多材料气动执行机构在弯曲过程中的总偏转角度φ，其公式如下：
φ＝θ1-θ2 (4)
SS5：确定波纹管膨胀产生的力矩，其公式如下：
Mmexp＝∫dFrmsinα (5)
SS6：确定多材料气动执行器因压力而产生的总力矩，其公式如下：
M＝F*e*Mexp (6)。
进一步地，所述上波纹管下平侧对应的轴向刚度Kp的计算公式如下：
Kp＝(E2*As)/L (7)
式中：As为衬底的截面积；E2为PDMS的杨氏模量。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
1、该多材料柔性仿生义指系统及其设计方法提出通过柔性气动义指进行非侵入式家庭帮助模式，柔性气动义指区别于传统刚性结构的显著特征是灵活性、顺从性、适应性和人类交互中固有的安全性；对特定人群的患病需求进行剖析，结合人体工学、生物力学等因素实施帮助方案；
2、该多材料柔性仿生义指系统及其设计方法提出柔性舒适的光纤线性传感器，将柔性传感器与义指通过PDMS浇筑工艺结合，探索了各材料参数对义指运动学参数的影响，提高义指的准确性与舒适性；
3、该多材料柔性仿生义指系统及其设计方法基于柔性光纤传感器与压差传感器，布局控制策略，开发了具有精准实时反馈与自适应调节功能的义指辅助系统。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提出的一种多材料柔性仿生义指系统的整体结构示意图；
图2为本发明提出的一种多材料柔性仿生义指系统的设计方法的整体流程图；
图3为本发明中柔性气动义指的组成部件的结构示意图；
图4为本发明中人类手指骨骼的结构示意图；
图5为本发明中微应变柔性高灵敏度光纤传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1，本实施例公开了一种多材料柔性仿生义指系统，包括柔性气动义指、空气差压传感器、光纤拉力传感器、气泵、控制器辅助单元和微控制器；
柔性气动义指是基于柔性气动波纹管设计的，用于辅助上肢残疾人进行物体活动；
空气差压传感器用于采集柔性气动义指在活动时所需压力和测量压力，并对其进行差值计算，得到压力差值结果；
光纤拉力传感器用于采集柔性气动义在活动时产生的拉力；
气泵用于提供使义指弯曲的所需气压；
控制器辅助单元用于根据压力差值结果输出PWM调节电磁阀打开和关闭，以实现对柔性气动义指的实时精准控制操作；
微控制器用于根据柔性气动义指在活动时产生的拉力进行有力和精确的抓握控制。
参照图2-5，本实施例公开了一种多材料柔性仿生义指系统的设计方法，该设计方法具体如下：
步骤一：柔性气动义指设计，采用橡胶波纹管进行柔性气动义指设计，该柔性气动义指由不同刚度材料的气动波纹管、刚性段和半刚性段三部分组成；
具体的，该柔性气动义指设计具体步骤如下：首先，对所采用的气动波纹管进行加固成型，该气动波纹管采用硅橡胶材料；然后，固定气动波纹管，并用流体聚二甲硅氧烷(PDMS)覆盖，与其他材料相比，PDMS具有典型的低表面自由能和弹性特性，以及化学惰性和耐久性，因此很容易通过模压来制造，具体的，该流体聚二甲硅氧烷是由预聚体和交联剂配比而成；然后，将气管连接到波纹管的开口侧，组装成单一的多材料气动执行器，即形成柔性气动义指；之后，使用飞秒激光烧蚀在义指表面制备仿生超疏水性PDMS表面，以保持义指的干燥与清洁。
步骤二：微应变柔性高灵敏度光纤传感器设计，通过光纤布拉格光栅(FBG)传感器与PDMS集成，形成微应变柔性高灵敏度光纤传感器；
具体的，该微应变柔性高灵敏度光纤传感器是以PDMS作为柔性光纤传感器的基底，FBG为传感单元，并通过设计FBG传感器在PDMS里的镶嵌姿势(三角函数型)，获得微应变柔性高灵敏度光纤传感器，PDMS首先通过液态聚合物和固化剂质量比10:1的混合比例制备出来，然后将FBG固定在模具的中心，在常规烤箱中60℃加热12小时后，取出模具，FBG将嵌入PDMS衬垫中。
步骤三：柔性仿生义指系统的搭建，使用简化数学模型分析多材料气动致动器和机器人手指的运动，并预测设计和制造参数，以此进行柔性仿生义指系统搭建；
具体的，该简化数学模型的分析过程如下：
首先，根据波纹管和梁理论，计算波纹管顶部的角偏转θ1，其公式如下：式中：M为作用于自由端的力矩；EIxa是波纹管和基底横截面的面积惯性矩；E为杨氏模量，L为波纹管的长度；
然后，将多材料义指的压力分别分解为上下波纹管的Fb和Fp，并计算总力，其公式如下：F＝Fb+Fp＝KbKwb+KpKwp，式中：wb和wp分别为挠度；Kb和Kp分别为上波纹管侧和下平侧对应的轴向刚度；具体的，该上波纹管下平侧对应的轴向刚度Kp的计算公式如下Kp＝(E2*As)/L，式中：As为衬底的截面积；E2为PDMS的杨氏模量。
接着，计算波纹管内部的角偏转θ2，其公式如下：
之后，计算多材料气动执行机构在弯曲过程中的总偏转角度φ，其公式如下：φ＝θ1-θ2；
然后，确定波纹管膨胀产生的力矩，其公式如下：Mmexp＝∫dFrmsinα；
最后，确定多材料气动执行器因压力而产生的总力矩，其公式如下：M＝F*e*Mexp。
步骤四：系统优化，通过红外光学3D动作捕捉系统实现对柔性仿生义指系统的优化设计；
具体的，该红外光学3D动作捕捉系统是一种基于反射式的数据精确的光学动作捕捉系统，由12个红外捕捉摄像机、交换机、控制软件等构成；具体的，该系统优化是将动作捕捉系统的反光球作为标记物分别贴在手指(人类手指骨骼)的掌指(MP)关节，近指(PIP)关节，远指(DIP)关节，手背和指尖处，通过记录手指三个关节点坐标以及指尖坐标的改变直接求得每个关节的弯曲角度和速度以及加速度，进而通过正常人手指的运动状况来优化义指的动作。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种多材料柔性仿生义指系统的设计方法，其特征在于，该柔性仿生义指系统包括柔性气动义指、空气差压传感器、光纤拉力传感器、气泵、控制器辅助单元和微控制器；
所述柔性气动义指是基于柔性气动波纹管设计的，用于辅助上肢残疾人进行物体活动；
所述空气差压传感器用于采集柔性气动义指在活动时所需压力和测量压力，并对其进行差值计算，得到压力差值结果；
所述光纤拉力传感器用于采集柔性气动义在活动时产生的拉力；
所述气泵用于提供使义指弯曲的所需气压；
所述控制器辅助单元用于根据压力差值结果输出PWM调节电磁阀打开和关闭，以实现对柔性气动义指的实时精准控制操作；
所述微控制器用于根据柔性气动义指在活动时产生的拉力进行有力和精确的抓握控制；
该设计方法具体如下：
步骤一：柔性气动义指设计，采用橡胶波纹管进行柔性气动义指设计，该柔性气动义指由不同刚度材料的气动波纹管、刚性段和半刚性段三部分组成；
步骤二：微应变柔性高灵敏度光纤传感器设计，通过光纤布拉格光栅(FBG)传感器与PDMS集成，形成微应变柔性高灵敏度光纤传感器；
步骤三：柔性仿生义指系统的搭建，使用简化数学模型分析多材料气动致动器和机器人手指的运动，并预测设计和制造参数，以此进行柔性仿生义指系统搭建；
步骤四：系统优化，通过红外光学3D动作捕捉系统实现对柔性仿生义指系统的优化设计；
所述简化数学模型的分析过程如下：
SS1：首先，根据波纹管和梁理论，计算波纹管顶部的角偏转θ1，其公式如下：
式中：M为作用于自由端的力矩；EIxa是波纹管和基底横截面的面积惯性矩；E为杨氏模量，L为波纹管的长度；
SS2：将多材料义指的压力分别分解为上下波纹管的Fb和Fp，并计算总力，其公式如下：
F＝Fb+Fp＝KbKwb+KpKwp (2)
式中：wb和wp分别为挠度；Kb和Kp分别为上波纹管侧和下平侧对应的轴向刚度；
SS3：计算波纹管内部的角偏转θ2，其公式如下：
SS4：计算多材料气动执行机构在弯曲过程中的总偏转角度φ，其公式如下：
φ＝θ1-θ2 (4)
SS5：确定波纹管膨胀产生的力矩，其公式如下：
Mmexp＝∫dFrmsinα (5)
SS6：确定多材料气动执行器因压力而产生的总力矩，其公式如下：
M＝F*e*Mexp (6)。
2.根据权利要求1所述的一种多材料柔性仿生义指系统的设计方法，其特征在于，步骤一所述柔性气动义指设计具体步骤如下：
S1：首先，对所采用的气动波纹管进行加固成型；
S2：然后，固定气动波纹管，并用流体聚二甲硅氧烷覆盖；
S3：之后，将气管连接到波纹管的开口侧，组装成单一的多材料气动执行器，即形成柔性气动义指；
S4：使用飞秒激光烧蚀在义指表面制备仿生超疏水性PDMS表面，以保持义指的干燥与清洁；
所述流体聚二甲硅氧烷是由预聚体和交联剂配比而成。
3.根据权利要求1所述的一种多材料柔性仿生义指系统的设计方法，其特征在于，所述微应变柔性高灵敏度光纤传感器是以PDMS作为柔性光纤传感器的基底，FBG为传感单元，并通过设计FBG传感器在PDMS里的镶嵌姿势，获得微应变柔性高灵敏度光纤传感器，PDMS首先通过液态聚合物和固化剂质量比10:1的混合比例制备出来，然后将FBG固定在模具的中心，在常规烤箱中60℃加热12小时后，取出模具，FBG将嵌入PDMS衬垫中。
4.根据权利要求1所述的一种多材料柔性仿生义指系统的设计方法，其特征在于，上波纹管下平侧对应的轴向刚度Kp的计算公式如下：
Kp＝(E2*As)/L (7)
式中：As为衬底的截面积；E2为PDMS的杨氏模量。
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