CN213859302U - 机械手 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种机械手，通过连接件将圆柱形EAP驱动器和SMA驱动器结合，利用圆柱形EAP驱动器的直线驱动实现关节单元的移动自由度，利用SMA驱动器实现了关节单元的转动自由度，解决了现有技术中石墨烯粉体取料精度差的技术问题，同时由于本申请将所述圆柱形EAP驱动器和SMA驱动器以首尾串联的形式连接，将所述关节单元用于执行末端时位置、运动以及力学反解运算简单，有利于提供反应速度。

Description

机械手

技术领域

本申请涉及多自由度柔性机械手技术领域，具体而言，涉及机械手。

背景技术

近年来，在先进驱动技术得到不断发展的同时，许多智能驱动材料被应用于新型驱动器的制造领域。按照采用的动力源不同，目前广泛应用与机电系统的驱动技术主要有气动驱动、电机\减速器驱动、形状记忆合金驱动(Shape Memory Alloy,SMA)、压电驱动以及基于电致变形聚合物(electro-active polymer，EAP)的驱动器。其中，作为一种典型的人工肌肉材料，EAP既可以用作驱动器将电能转换为机械能，亦可将机械能转换为电能实现发电或传感。应用此材料研制的EAP发电机或作动器与传统的电磁式、压电式发电机或作动器相比，具有能量密度高、电致变形大、柔性可穿戴、驱动-传感一体化、转化效率高、环境影响小、成本低、质量轻等优点，近年来受到越来越多的关注，基于该材料的航天武器装备研究快速发展，包括空间柔性抓捕手、变翼式飞行器、波浪能发电系统等。

EAP有两种工作模式：

(1)驱动模式。EAP两侧敷有柔性电极，施加电压后，两面电极上的异性电荷相互吸引，EAP在静电场作用下，厚度变薄、面积变大，完成电能向机械能转换(图1a))。

(2)发电模式。先由外力拉伸EAP，给其充电。当EAP自由收缩时，电极间电压将会增加，EAP存储的能量也就增加，增加的电能就等于外力拉伸EAP所做的功，将机械能转换为电能(图1b))。

从变形机理可以看出，在没有任何约束的情况下，材料在电刺激下只能发生面内变形，而基于EAP软材料的变形特性进行相应的结构设计进而实现结构的三维变形，即EAP驱动器。EAP驱动器作为一类新型电致驱动器，具有结构简单、重量轻、能量转换率高等优点，在原有结构基础上，通过将材料预拉伸处理，可以进一步提高结构的输出特性。目前有卷轴型、锥形、延伸型、圆柱形型等等，这其中圆柱形EAP驱动器制作、加工简单，在工作过程中具有较高的稳定性，较大的输出位移和输出功，因此具有很好的应用前景。

EAP圆柱形驱动器变形机理如图2、3所示：

其驱动过程如下：

图2中f₁(l)、f₂(l)、f₃(l)分别为压缩弹簧及EAP膜断电、通电后的刚度曲线，f₃(l)曲线在f₂(l)曲线的下方。横坐标l表示驱动器(有效部分)横向长度，l_p为其静态、未施加电压时的长度。

在未施加恒值预载荷时，如图2所示，压缩弹簧的回复力和介电型EAP膜的弹性拉力平衡，驱动器处于平衡状态。施加电压后静电压力使刚度曲线f₂(l)、f₃(l)之间产生力差ΔF⁽¹⁾，弹簧回复力大于膜的拉力，使驱动器产生轴向伸长运动。运动到b点时，弹簧回复力减小，并与通电后膜的拉力f₃(l)再次达到平衡，驱动器停止伸长。同样在断电后，刚度曲线之间产生断电力差ΔF⁽⁰⁾使驱动器回复到平衡位置。三条刚度曲线的交点在位移轴上的投影即为驱动器的伸长位移Δl。根据上述分析，驱动器在轴向伸长过程中能驱动负载对外做功，其能带动的负载随驱动器的伸长而逐渐减小，直至0。

形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)作为一种智能材料，在适度刺激下，会发生低温马氏体和高温奥氏体之间的可逆相变，其内部微观结构发生变化，在相变过程在表现出形状记忆效应现象。形状记忆效应是指合金所具有的在高温定型后，冷却到低温，施加变形，再加热到某一确定温度后，能恢复到变形前的形状，并且这一过程能够重复实现的特性。形状记忆合金其形状记忆效应的本质为马氏体相变及其逆相变，其具体相变过程为：在马氏体状态下产生的一定的形状变形，当外界温度有所升高且高于奥氏体开始相变点As时会回复为原母相的形状,如图4所示。

文献号为CN101585188A的专利文献公开了一种基于介电型EAP的多维主动关节，该主动关节由上至下依次同轴设置上框、下框，上框内设置有内框，内框与上框之间采用铰接机构铰接，轴的上端与内框固定，轴的下端穿过导向套，导向套和下框均与基底固定连接，上框与下框之间同轴对称设置2n个介电型EAP驱动器，所述介电型EAP驱动器通过连杆连接在上框与下框的骨架上，其中n为自然数。本发明结构简单、成本低、质量轻、工作灵活，但作为一种并联机构，其存在反解困难、工作间较小的缺点。

文献号为CN101053956A的专利文献公开了一种基于形状记忆合金的十字轴式机器人驱动关节，结构主体为胡克铰机构，由定铰链架1、十字轴6、动铰链架7组成，四个滑轮5分别固接在十字轴6的四个轴肩上，十字轴6的四个轴肩分别套接在定铰链架1、动铰链架7的侧壁圆孔上，四根绳索4分别绕在四个滑轮5上，每根绳索4的两端分别连接一根SMA弹簧3，SMA弹簧3的另一端连接在其所在一侧的铰链架上。本发明简化了结构和控制环节，减少了误差，提高了关节自由度和刚度，但其限于转动自由度，在实际应用中同样存在工作间较小的缺点。

发明内容

本申请实施例提供了一种机械手，至少解决现有技术中使用EAP驱动和SMA驱动的机械手指的工作空间较小的技术问题。

本申请提供了一种机械手，包含若干连接成一体的指形单元，所述指形单元包含：

圆柱形EAP驱动器，所述圆柱形EAP驱动器包含：

第一弹簧，所述第一弹簧包含第一端与第二端；

导杆，所述导杆与所述第一弹簧同轴向设置；

EAP薄膜，所述EAP薄膜在所述第一弹簧上卷绕若干层，其中，所述EAP薄膜上配置有若干柔性导电单元，所述柔性导电单元包含电极引出线，所述电极引出线与第一电源连接；

SMA驱动器，所述SMA驱动器包含：

第二弹簧，所述第二弹簧包含第一端与第二端；

SMA丝，若干所述SMA丝沿所述第二弹簧的轴向设置但非同轴，所述SMA丝与第二电源连接；

以及，

连接件，所述连接件包含第一端和第二端，其中，所述连接件的第一端与所述第一弹簧的第二端连接，所述连接件的第二端与所述第二弹簧的第一端连接。

优选地，在所述指形单元连接处：其一指形单元的第一弹簧的第一端与另一指形单元的第二弹簧的第二端连接。

优选地，所述机械手还包含掌板，各所述指形单元的第一弹簧的第一端与所述掌板连接。

优选地，所述连接件上设置：

通孔，所述导杆穿过所述连接件。

优选地，所述圆柱形EAP驱动器还包含：

第一限位件，所述第一限位件与所述第一弹簧的第一端、所述导杆连接。

优选地，所述柔性导电单元包含第一部、第二部和连接部；

所述第一部、第二部和连接部呈H形设置，其中所述第一部和所述第二部间隔设置且通过所述连接部连接；所述第一部和所述第二部均是从所述第一弹簧的第一端延伸至第二端；

所述第一部及所述第二部分别位于所述第一弹簧所在的圆柱体的相对的两侧；

卷绕的每层所述EAP薄膜上均设有一个所述柔性导电单元。

优选地，所述EAP薄膜上涂覆导电涂液作为所述柔性导电单元。

优选地，绕卷在所述第一弹簧上的所述EAP薄膜在互相垂直的两个方向拉伸变形量均为300-500％。

优选地，所述EAP薄膜在所述第一弹簧上卷绕1至2层。

优选地，所述SMA驱动器还包含：

第二限位件，所述第二限位件与所述第二弹簧的第二端连接；

所述第二限位件和连接件固定所述SMA丝的两端；

若干所述SMA丝相对于所述第二弹簧的中心分布。

在本申请实施例中，通过连接件将圆柱形EAP驱动器和SMA驱动器结合，利用圆柱形EAP驱动器的直线驱动实现关节单元的移动自由度，利用SMA驱动器实现了关节单元的转动自由度，解决了现有技术中使用EAP驱动和SMA驱动的机械手指的工作空间较小的技术问题，同时由于本申请将所述圆柱形EAP驱动器和SMA驱动器以首尾串联的形式连接，将所述关节单元用于执行末端时位置、运动以及力学反解运算简单，有利于提供反应速度。

更重要的是本申请通过导杆与连接件之间的配合，将所述连接件的运动方向限制为沿所述导杆的移动，通过如此限制连接件的径向自由度，使得SMA驱动器的第二弹簧的第二端的运动轨迹稳定，输出的力矩更稳定。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1a)是EAP驱动机理的示意图；

图1b)是EAP发电机理的示意图；

图2是EAP圆柱形驱动器工作原理的力学变化曲线图；

图3是EAP圆柱形驱动器工作原理的结构变化示意图；

图4是SMA驱动器的形状记忆效应的示意图；

图5是本申请实施例1提供的机械手的指形单元的结构示意图；

图6是本申请实施例1提供的机械手的指形单元中EAP圆柱形驱动器的结构示意图；

图7是本申请实施例1提供的机械手的指形单元中SMA驱动器的结构示意图；

图8a)是本申请实施例1提供的EAP圆柱形驱动器的柔性导电单元的示意图；

图8b)是本申请实施例1提供的EAP圆柱形驱动器的卷绕过程示意图；

图8c)是本申请实施例1提供的EAP圆柱形驱动器的若干柔性导电单元卷绕后的结构示意图；

图9是本申请实施例1提供的柔性导电单元11的示意图。

图示标号：导杆1、第一弹簧2、第一SMA丝3、第二SMA丝4、第二限位件5、第二弹簧6、连接件7、EAP薄膜8、第一限位件9、螺钉10、柔性导电单元11、第一部1101、第二部1102、连接部1103、电极引出线1104。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本实施例提供一种机械手，利用圆柱形EAP驱动器的直线驱动实现指形单元的移动自由度，利用SMA驱动器实现了指形单元的转动自由度，解决了现有技术中使用EAP驱动和SMA驱动的机械手指的工作空间较小的技术问题。

机械手，包含若干连接成一体的指形单元，如图5和图6所示，所述指形单元包含：

圆柱形EAP驱动器，所述圆柱形EAP驱动器包含：

第一弹簧2，第一弹簧2包含第一端与第二端；

导杆1，导杆1与第一弹簧2同轴向设置；

EAP薄膜8，EAP薄膜8在第一弹簧2上卷绕若干层，如图6所示，EAP薄膜8上配置有若干柔性导电单元11，柔性导电单元11包含电极引出线1104，电极引出线1104与第一电源连接；

第一限位件9，第一限位件9通过螺钉10与导杆1连接；

第一弹簧2初始即处于压缩状态，用于提供初始预加载应力。第一限位件9可以作为所述指形单元与其他部件连接的一端。

具体地，参照图8a)，柔性导电单元11包含第一部1101、第二部1102和连接部1103，第一部1101通过与其连接的电极引出线1104连接所述第一电源的正极，第二部1102通过与其连接的电极引出线1104连接所述第一电源的负极。

第一部1101、第二部1102和连接部1103呈H形设置，第一部1101和第二部1102间隔设置且通过连接部1103连接；第一部1101和第二部1102均是从第一弹簧2的第一端延伸至第二端。所述第一部及所述第二部分别位于所述第一弹簧所在的圆柱体的相对的两侧。

卷绕的每层EAP薄膜8上设置一个柔性导电单元11，图8a)中所示柔性导电单元11的宽度约为L，L为第一弹簧的周长。卷绕在第一弹簧11上后，如图8b)所示，第一部1101在卷绕的每层EAP薄膜8上位置一致、第二部1102在卷绕的每层EAP薄膜8上位置一致，并且第一部1101与第二部1102二者对应的圆心角相对于第一弹簧11的轴线中心对称，如此在由所述第一电源供电时，EAP薄膜8变形均匀、内力均匀。EAP薄膜8上的柔性导电单元11的如图9所示，卷绕的每一圈EAP薄膜8上对应一个柔性导电单元11。

如图8c)所示，将EAP薄膜8卷绕在第一弹簧2上时，每卷绕一层涂覆一层导电涂液作为所述柔性导电单元，本实施例中所述导电涂液为碳膏。

具体地，在EAP薄膜8在拉伸变形的状态下缠绕在第一弹簧2上，绕卷在第一弹簧2上的EAP薄膜8在互相垂直的两个方向拉伸变形量均为300-500％，提高圆柱形EAP驱动器的机电稳定性和伸缩范围，从而提高驱动器的稳定性。

本实施例中，EAP薄膜8在第一弹簧2上卷绕2层，相当于2倍的EAP薄膜8的内应力与第二弹簧8的拉力抗衡，第二弹簧8和EAP薄膜8在第一弹簧2上卷绕的层数根据圆柱形EAP驱动器的输出特性确定。

断电状态时，EAP薄膜8的内应力与第一弹簧2的拉力平衡。加电后，EAP薄膜8受库仑力作用，EAP薄膜8上下表面挤压后变薄，面内松弛，刚度下降内应力下降，第一弹簧2的第一端在向上运动(以图5中关节单元的方位为参考)，输出位移，直到两个作用力达到新的平衡，第一弹簧2完成伸长；断电后，EAP薄膜8上下表面的库仑力消失，EAP薄膜8的刚度升高，第一弹簧2的第一端向下运动(以图5中关节单元的方位为参考)，完成收缩。可以通过输入一个恒定信号，实现圆柱形EAP驱动器保持长时间的伸长或缩短。

本实施例利用处于压缩状态的第一弹簧2实现负刚度预载荷结构，大幅度提高了圆柱形EAP驱动器输出特性，并且输出力随着位移的增大而增大。

SMA驱动器，参照图7所示，所述SMA驱动器包含：

第二弹簧6，第二弹簧6包含第一端与第二端；

第一SMA丝3和第二SMA丝4，第一SMA丝3和第二SMA丝4沿第二弹簧6的轴向设置但非同轴，第一SMA丝3和第二SMA丝4与第二电源连接；

第二限位件5，第二限位件5与第二弹簧6的第二端连接；

第二限位件5和连接件7固定第一SMA丝3和第二SMA丝4的两端。

具体地，第一SMA丝3和第二SMA丝4相对于第二弹簧5的中心分布，第一SMA丝3和第二SMA丝4两者负责两个不同方向的弯曲变形，当一者温度升高发生变形时，一者被带动着弯曲。

以及，

连接件7，连接件7包含第一端和第二端，连接件7的第一端与第一弹簧2的第二端连接，连接件7的第二端与第二弹簧6的第一端连接；

连接件7上设置：

通孔，导杆1穿过连接件7；

沉孔，所述沉孔设置在连接件7的第二端的端面的非中心处，本实施例中所述沉孔的数量为2，2个所述沉孔分别用于固定第一SMA丝3和第二SMA丝4。

同样地，第二限位件5上也设置有用于固定第一SMA丝3和第二SMA丝4的另外的沉孔。

未通电时，第二弹簧6处于正常状态，第二弹簧6的第一端与连接件7固定，第二弹簧6的第二端与第二限位件5固定，第二限位件5在第二弹簧6与第一SMA丝3和第二SMA丝4的相互作用下处于平衡状态。通电加热到达第一SMA丝3和第二SMA丝4的相变温度后，第一SMA丝3和第二SMA丝4产生弯曲变形，弯曲到预设形状，从而带动第二限位件5产生位移，实现第二弹簧6的弯曲。

由于本实施例将所述圆柱形EAP驱动器和SMA驱动器以首尾串联的形式连接，将所述指形单元用于执行末端时位置、运动以及力学反解运算简单，有利于提供反应速度。

更重要的是本实施例通过导杆1与连接件7之间的配合，将所述连接件的运动方向限制为沿导杆1的移动，通过如此限制连接件7的径向自由度，使得SMA驱动器的第二弹簧6的第二端的运动轨迹稳定，输出的力矩更稳定。

在本实施例中，导杆1与第一弹簧2同轴，在其它实施例中，导杆1可以设置多个，多个导杆1相对于第一弹簧2的轴对称分布，可以进一步增加连接件7在轴向上的稳定性，提升第二弹簧6的第二端的稳定性。

在本实施例中，设置了第一SMA丝3和第二SMA丝4，在其它实施例中，所述SMA丝可以设置多个，多个所述SMA丝预设的弯曲变形的形状不同，增大SMA驱动器的运动空间，丰富第二限位件5的运动轨迹。

在一优选的实施例中，所述机械手包含两个所述指形单元，其一指形单元的第一弹簧的第一端与另一指形单元的第二弹簧的第二端连接；两个所述指形单元中SMA驱动器的弯曲变形方向相同或不同均有利于增大所述机械手的工作空间。

在一优选的实施例中，所述机械手还包含掌板，3个所述指形单元的第一弹簧的第一端与所述掌板转动连接，3个所述关节单元相对于所述掌板的中心平均分布。在实施抓取动作时，3个所述关节单元从不同方向与目标物体接触，互相协作完成抓取。

在一优选的实施例中，2个所述指形单元：其一指形单元的第一弹簧的第一端与另一指形单元的第二弹簧的第二端连接；2个所述指形单元按照上述方式连接后组成一根手指，5根所述手指与一掌板转动连接，得到仿照人手的机械手。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.机械手，其特征在于，包含若干连接成一体的指形单元，所述指形单元包含：

圆柱形EAP驱动器，所述圆柱形EAP驱动器包含：

第一弹簧，所述第一弹簧包含第一端与第二端；

导杆，所述导杆与所述第一弹簧同轴向设置；

EAP薄膜，所述EAP薄膜在所述第一弹簧上卷绕若干层，其中，所述EAP薄膜上配置有若干柔性导电单元，所述柔性导电单元包含电极引出线，所述电极引出线与第一电源连接；

SMA驱动器，所述SMA驱动器包含：

第二弹簧，所述第二弹簧包含第一端与第二端；

SMA丝，若干所述SMA丝沿所述第二弹簧的轴向设置但非同轴，所述SMA丝与第二电源连接；

以及，

连接件，所述连接件包含第一端和第二端，其中，所述连接件的第一端与所述第一弹簧的第二端连接，所述连接件的第二端与所述第二弹簧的第一端连接。

2.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于，在所述指形单元连接处：其一指形单元的第一弹簧的第一端与另一指形单元的第二弹簧的第二端连接。

3.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于，还包含掌板，各所述指形单元的第一弹簧的第一端与所述掌板连接。

4.根据权利要求1至3任一所述机械手，其特征在于，所述连接件上设置：

通孔，所述导杆穿过所述连接件。

5.根据权利要求1至3任一所述机械手，其特征在于，所述圆柱形EAP驱动器还包含：

第一限位件，所述第一限位件与所述第一弹簧的第一端、所述导杆连接。

6.根据权利要求1至3任一所述机械手，所述柔性导电单元包含第一部、第二部和连接部；

所述第一部、第二部和连接部呈H形设置，其中所述第一部和所述第二部间隔设置且通过所述连接部连接；所述第一部和所述第二部均是从所述第一弹簧的第一端延伸至第二端；

所述第一部及所述第二部分别位于所述第一弹簧所在的圆柱体的相对的两侧；

卷绕的每层所述EAP薄膜上均设有一个所述柔性导电单元。

7.根据权利要求1至3任一所述机械手，其特征在于，所述EAP薄膜上涂覆导电涂液作为所述柔性导电单元。

8.根据权利要求1至3任一所述机械手，其特征在于，绕卷在所述第一弹簧上的所述EAP薄膜在互相垂直的两个方向拉伸变形量均为300-500％。

9.根据权利要求1至3任一所述机械手，其特征在于，所述EAP薄膜在所述第一弹簧上卷绕1至2层。

10.根据权利要求1至3任一所述机械手，其特征在于，所述SMA驱动器还包含：

第二限位件，所述第二限位件与所述第二弹簧的第二端连接；

所述第二限位件和连接件固定所述SMA丝的两端；

若干所述SMA丝相对于所述第二弹簧的中心分布。

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