基於內嵌式形狀記憶合金電機的組合式擬人機械手的製作方法

2023-08-10 21:52:16 1

專利名稱：基於內嵌式形狀記憶合金電機的組合式擬人機械手的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於機械工程類的機器人技術領域，具體的說，它涉及一 種基於內嵌式形狀記憶合金電機的組合式擬人機械手，這種機械手在具有 微型化、精密定位與柔性傳動綜合要求的醫用假肢、小負載工業機器人、 家用機器人及步行機器人中都有潛在廣泛的用途與誘人的技術發展前景。
背景技術：
作為力和位移的輸入源，驅動器直接決定了機械手的結構型式、定位 精度、動作柔順度和控制方式，它是機械手的關鍵。傳統機械手驅動器以 電磁式電機為主，具有體積小、無洩漏等優點，運用最為廣泛。但其存在 不足，具體表現為電機輸出力一重量比低，導致體積龐大，無法達到微 小型系統的實用要求；傳動機構複雜，結構冗贅，靈活性差；機械手多自 由度運行實現困難；機械手運行形態缺乏柔順性。在滿足機械手擬人化微型化需求方面，傳統驅動器顯得越來越力不從 心。在這一背景下，形狀記憶合金電機(ghape Memory Jlloy Actuator, SMAA)以其輸出位移大、輸出力一重量比高、運動柔順等優點，引起了人們 的關注。在現有技術中，形狀記憶合金電機驅動的機械手，在電機結構上 多採用偏動式和差動式。中國發明專利200410000722公開了一種"形狀記 憶合金差動彈簧驅動的機械手"(
公開日期2004年12月29日)，其特徵在 於，該機械手含有形狀記憶合金(Shape Memory 41 loy， SMA)差動彈簧驅動 器及由機械手指、連杆、拉杆、滑塊、機架組成的六桿機構。該機械手為 夾持型，可用手指內側夾持物體外部。該機械手能夠實現握、放等動作， 具有結構簡單、自重輕、尺寸小、成本低等特點。中國實用新型專利03261475 公開了一種"形狀記憶合金驅動的微型機械手"(
公開日期2004年7月21 日)，該機械手亦採用SMA絲驅動，配合柔性鉸鏈結構，實現了機械手的簡 單抓取運動，具有精度高、夾持力適中、調整簡易等優點。以上兩種SMAA結構中，重複進行預變形的偏動元件(SMA或偏動彈簧) 與實現回復功能的致動元件(SMA)在空間上彼此分離；由SMAA驅動的機械 手，驅動用SMAA和完成承載、抓拿等任務的執行部分是相互獨立的。因此， 受驅動方式限制，上述SMAA驅動的機械手均為夾持型，只能實現簡單動作， 對被夾物的形狀和尺寸有較高要求，夾持能力有限。對擬人機械手具有仿 生意義的多自由度精密柔性空間運動，上述SMAA顯得無能為力。發明內容本實用新型的目的在於提供一種基於內嵌式形狀記憶合金電機的組合 式擬人機械手，該機械手實現對物體的抓放與細微操作，具有機構緊湊、 自重輕、輸出力-重量比高、動作柔順、控制靈活和製造成本低的優點。本實用新型提供的一種基於內嵌式形狀記憶合金電機的組合式擬人機 械手，機械手包括手掌、三個手指和控制器；其特徵在於所述控制器位 於手掌內，所述手掌由固定連接的手心和手背構成，拇指、食指和中指均 由通過連接件連接的從動指與主動指構成；食指主動指和中指主動指的根 部分別固定在手背上；拇指主動指的根部通過實心矽橡膠圓柱體固定在手 心，拇指主動指高出手心，拇指彎曲所構成的第一平面與食指彎曲所構成 的第二平面、中指彎曲所構成的第三平面的相互平行；三個手指的從動指 和主動指均由內嵌式形狀記憶合金電機構成；所述內嵌式形狀記憶合金電 機的結構為"U"形記憶形狀記憶合金絲和直線形記憶形狀記憶合金絲嵌 入在矽橡膠圓柱體內，"U"形記憶形狀記憶合金絲的嵌入位置與矽橡膠圓 柱體中心軸線重合，直線形記憶形狀記憶合金絲平行於矽橡膠圓柱體中心 軸線偏心嵌入，曲率傳感器沿彎曲方向對稱分布於矽橡膠圓柱體中部表面。本實用新型利用形狀記憶合金隨溫度變化具有形狀記憶效應(Shape Memory gffect， SME)的特點，通過所設計的內嵌式形狀記憶合金電機 (gmbedded ,， ESMAA)，解決傳統偏動式和差動式SMAA在結構和功能上 的不足。本實用新型採用了組合式的三指六指節機械手結構，能夠實現對 不同形狀與尺寸物體的穩定抓取與細微操作。本實用新型具有較多優點機械手機構緊湊、自重輕、輸出力-重量比高、動作柔順、控制靈活、製造 成本低等。本實用新型機械手結構基於仿生學原理設計，充分利用多臺 ESMAA多自由度動作及柔順性的特點，使機械手運行更接近人手的動作；同時ESMAA的動作不受溫度以外的環境影響，可在真空、強汙染、高輻射等 特殊環境中使用，具有較好的適應能力；ESMAA的控制採用電流驅動控制， 控制方式簡單，易於集成化，小型化。本實用新型能夠穩定實現機械手的 抓放動作與細微操作，是微電子機械系統MEMS的重要組成部分，在具有微 型化、精密定位與柔性傳動綜合要求的醫用假肢、小負載工業機器人、家 用機器人及步行機器人中都有潛在廣泛的用途與誘人的技術發展前景。


圖1為本實用新型所使用的內嵌式形狀記憶合金電機的結構示意圖。 圖2為圖1的A-A剖視圖。圖3為基於內嵌式形狀記憶合金電機的組合式擬人機械手的結構示意圖。圖4為圖3的俯視圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實例對本實用新型作進一步詳細的說明。 如圖1和圖2所示，內嵌式形狀記憶合金電機(ESMAA)包括矽橡膠圓 柱體l、 "U"形記憶形狀記憶合金(SMA)絲2、直線形記憶SMA絲3、對稱 分布的曲率傳感器4和5。 "U"形記憶SMA絲2的嵌入位置與矽橡膠圓柱 體1中心軸線重合，直線形記憶SMA絲3平行於矽橡膠圓柱體1中心軸線 偏心嵌入，曲率傳感器4、 5沿彎曲方向對稱分布於矽橡膠圓柱體1中部表 面。"U"形記憶SMA絲2具有回覆功能，直線形記憶SMA絲3具有恢復功 能，使得這種ESMAA具有平面彎曲功能。如圖3、圖4所示，本實用新型機械手包括手掌、三根手指和控制器。 手掌包括手心15和手背16，手心15與手背16通過螺栓17固定，形成盒
式長方體結構。三根手指包括拇指、食指和中指。拇指包括由拇指連接件12連接的拇指從動指6和拇指主動指7;拇指從動指6以及主動指7均為 平面彎曲ESMAA。食指和中指同樣釆用雙指節結構。食指包括由食指連接件 13連接的食指從動指8和食指主動指9;食指從動指8和食指主動指9均 採用平面彎曲ESMAA。食指主動指9根部固定在手背16上。中指與食指結 構相同，包括由中指連接件14連接的中指從動指10和中指主動指11;中 指從動指10和中指主動指11均採用平面彎曲ESMAA。中指主動指11根部 固定在手背16上。所有連接件12、 13和14均採用矽橡膠粘合。考慮手指的抓持力度、平衡及穩定性等問題，在不影響機械手功能、 美觀前提下，將食指、中指根部平行配置，拇指末端通過連接一實心矽橡 膠圓柱體18，使拇指主動指7高出手心15—定尺寸，並確保拇指彎曲所構 成的第一平面21與食指彎曲所構成的第二平面20、中指彎曲所構成的第三 平面22的相互平行，該實心矽橡膠圓柱體18根部通過矽橡膠固定在手心 15上。這一結構不僅與人手外形相似，而且有利於模型的分析和建立，同 時，以食指和中指為主，配合拇指完成抓取操作時，操作範圍大，側向分 力小。考慮機械手的高度集成，將控制器19集成於手掌之中，僅需連接驅 動電源，即可實現機械手的運動。上述矽橡膠也可以釆用模具膠替代。本實用新型的工作原理如下通過調節通入SMA絲的加熱電流控制單 臺ESMAA的彎曲變形，從而實現三根手指的運動。對機械手進行控制，實 際上是對ESMAA的控制，亦即在一定範圍內對SMA絲溫度的控制。以圖1 中ESMAA為例，對單臺平面彎曲ESMAA的控制方式為首先對SMA絲2加 熱，SMA絲2產生"U"形彎曲，硫化矽橡膠圓柱體1也隨之彎曲。當硫化 矽橡膠圓柱體1的彎曲曲率達到最大值時，繼續升溫，曲率保持不變。電 機需要恢復到初始態時，停止對SMA絲2的加熱，同時對SMA絲3通入適 宜電流，使其迅速回復，促使電機回到預設態一直線狀。偏心SMA絲3的 嵌入，使得電機具有雙向可控的良好特性，響應速度也大大提高。
權利要求1、 一種基於內嵌式形狀記憶合金電機的組合式擬人機械手，機械手包 括手掌、三個手指和控制器；其特徵在於所述控制器(21)位於手掌內， 所述手掌由固定連接的手心(15)和手背(16)構成，拇指、食指和中指均由通過連接件(12、 13、 14)連接的從動指(6、 8、 10)與主動指(7、 9、 ll)構 成；食指主動指(9)和中指主動指(11)的根部分別固定在手背(16)上；拇指 主動指(7)的根部通過實心矽橡膠圓柱體(18)固定在手心(15)，拇指主動指 (7)高出手心(15)，拇指彎曲所構成的第一平面(21)與食指彎曲所構成的第 二平面(20)、中指彎曲所構成的第三平面(22)的相互平行；三個手指的從 動指和主動指均由內嵌式形狀記憶合金電機構成；所述內嵌式形狀記憶合 金電機的結構為"U"形記憶形狀記憶合金絲(2)和直線形記憶形狀記憶 合金絲(3)嵌入在矽橡膠圓柱體(1)內，"U"形形狀記憶合金絲(2)的嵌入 位置與矽橡膠圓柱體(l)中心軸線重合，直線形記憶形狀記憶合金絲(3)平 行於矽橡膠圓柱體(l)中心軸線偏心嵌入，曲率傳感器(4、 5)沿彎曲方向對 稱分布於矽橡膠圓柱體(l)中部表面。
專利摘要基於內嵌式形狀記憶合金電機的組合式擬人機械手包括手掌、三個手指和控制器；所述手掌由固定連接的手心和手背構成，拇指、食指和中指均由通過連接件連接的從動指與主動指構成；食指主動指和中指主動指的根部分別固定在手背上；三個手指的從動指和主動指均由形狀記憶合金電機構成；ESMAA包括嵌入在矽橡膠圓柱體內的「U」形、直線形記憶SMA絲和曲率傳感器。本實用新型能夠實現機械手的抓放與細微操作，具有機構緊湊、自重輕、輸出力-重量比高、動作柔順、控制靈活、製造成本低等優點。是MEMS的重要組成部分，在具有微型化、精密定位與柔性傳動綜合要求的醫用假肢、小負載工業機器人、家用機器人及步行機器人中都有潛在廣泛的用途與誘人的技術發展前景。
文檔編號B25J7/00GK201020715SQ20062016335
公開日2008年2月13日 申請日期2006年12月1日 優先權日2006年12月1日
發明者張德林, 凱 楊, 辜承林 申請人:華中科技大學