一种具有触觉感知功能的气动式软体机械手制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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；本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种具有触觉感知功能的气动式软体机械手
本专利技术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。
技术介绍
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AhmadRafsanjani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ConnorWalsh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(ShapeMemoryPolyer,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。
技术实现思路
为提升软体机械手抓取工作的智能性、安全性、灵活性，本专利技术基于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。本专利技术解决技术问题，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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭小辉，徐志森，周佳崇，伍乔军，查良，王思亮，任信钢，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34