一种基于形状记忆合金的多自由度柔性灵巧手制造技术

本发明专利技术公开了一种基于形状记忆合金的多自由度柔性灵巧手，包括：腕骨，大拇指、食指、中指、无名指、小拇指及其关节机构；每根手指都包括掌骨及包覆柔性材料的可弯曲段，大拇指的可弯曲段固定在连接件上直接与掌骨连接，利用十字轴关节连接大拇指掌骨与腕骨，实现大拇指正向、侧向摆动的两个旋转自由度，其余四指的可弯曲段固定在连接件上通过转轴关节与掌骨连接，具有侧向摆动的旋转自由度，且四指的掌骨直接固定连接在腕骨上；通过加热布置在可弯曲段内部及手指侧面的形状记忆合金，驱使可弯曲段弯曲变形及关节摆动；贴在手指表面的柔性传感器阵列能检测各指弯曲与摆动角度；本发明专利技术结构简单、成本低，可以应用于假肢、操纵手等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于形状记忆合金的多自由度柔性灵巧手
本专利技术涉及软体机器人
，涉及一种基于形状记忆合金的多自由度柔性灵巧手。
技术介绍
仿生灵巧手是模仿人手的形状、结构和功能而设计的高逼真机器人系统，是仿生机器人领域技术水平的最高体现，也是服务机器人实现复杂的操作功能的关键所在。柔性灵巧手具有灵活性高、柔顺性好、安全性好、适应性强的优点，可广泛应用于生物医学与假肢领域、家庭与娱乐服务行业、极端环境操作、工业抓取行业。形状记忆合金(ShapeMemoryAlloys,SMA)具有温度和应力诱发的形状记忆效应，作为驱动器具备应力应变大、功重比高、形变稳定、驱动无噪声以及结构简单等巨大的优势。正是因为以上优势，形状记忆合金被广泛应用于软体机器人领域。但是传统的基于形状记忆合金的灵巧手往往存在着结构复杂、不具备传感功能的问题。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提出一种使用形状记忆合金驱动的多自由度柔性灵巧手，该灵巧手结构简单、体积小，使用柔性传感器阵列来对灵巧手的姿态进行监测，根据传感信号变化调节形状记忆合金加热状况控制灵巧手的姿态变化。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于形状记忆合金的多自由度柔性灵巧手，包括：腕骨，大拇指、食指、中指、无名指、小拇指及其关节机构；每根手指都包括掌骨及包覆柔性材料的可弯曲段，大拇指的可弯曲段固定在连接件上直接与掌骨连接，利用十字轴关节连接大拇指掌骨与腕骨，实现大拇指正向、侧向摆动的两个旋转自由度，其余四指的可弯曲段固定在连接件上通过转轴关节与掌骨连接，具有侧向摆动的旋转自由度，且四指的掌骨直接固定连接在腕骨上；通过加热布置在可弯曲段内部及手指侧面的形状记忆合金，驱使可弯曲段弯曲变形及关节摆动；贴在手指表面的柔性传感器阵列能检测各指弯曲与摆动角度。进一步的，所述可弯曲段包括两个固定板、背部弹性薄板、两端固定在两个固定板上的多个形状记忆合金，以及包覆在形状记忆合金外的柔性材料。进一步的，所述手指的可弯曲段固定在连接件上的方式为静连接，包括粘接、铆接、焊接。进一步的，所述转轴关节分别连接食指、中指、无名指、小拇指的掌骨与连接件构成一个实现侧向摆动的旋转自由度。进一步的，所述十字轴关节通过铰链连接大拇指掌骨与腕骨，构成实现大拇指正向、侧向摆动的两个旋转自由度。进一步的，所述将食指、中指、无名指、小拇指的掌骨分别直接连接到腕骨上的方式为静连接，包括粘接、铆接、焊接。进一步的，所述连接件侧面有用来放置形状记忆合金的开孔侧板，开孔的数目为一个或多个。进一步的，所述固定板上均匀有规律地布置了一个或多个开孔，以保证穿过其中的形状记忆合金在固定板宽度方向上对称均匀分布，保证了手指的可弯曲段在动作过程中沿宽度方向上应力的均匀性。进一步的，所述布置在可弯曲段内部及手指侧面的形状记忆合金，能被加热引起收缩驱使可弯曲段变形及关节运动。进一步的，所述形状记忆合金的材料为金-镉合金、铟-铊合金、镍-钛合金。进一步的，所述形状记忆合金形态为丝状、弹簧状、片状。进一步的，所述柔性材料应采用硅胶、发泡橡胶或其它弹性模量低于1GPa的软体材料。进一步的，所述弹性薄板厚度为1至3毫米，材料为铜片、钢片、尼龙或其它弹性模量为1000GPa以上的有机、无机材料，在手指可弯曲段的形状记忆合金被加热弯曲时存储弹性势能，在停止加热，手指可弯曲段逐渐回复形状过程中，弹性势能释放，使手指可弯曲段恢复正常形状。进一步的，所述形状记忆合金的加热方式为通电加热、光照射或其它外部及内部热源传导。进一步的，所述柔性传感器阵列布置在手指表面，数量为一个或多个。进一步的，所述柔性传感器阵列根据灵巧手的结构及形态改变大小及分布位置以获得最优的传感数据。进一步的，所述柔性传感器的类型为电阻式应变片、电容式应变片或其它可检测形变的柔性传感器。有益效果：相比现有技术，本专利技术提出一种使用形状记忆合金驱动的多自由度柔性灵巧手，该灵巧手结构简单、体积小，使用柔性传感器阵列来对灵巧手的姿态进行监测，根据传感信号变化调节形状记忆合金加热状况控制灵巧手的姿态变化。附图说明图1为根据本专利技术的一个实施方案的基于形状记忆合金的多自由度柔性灵巧手整体的结构示意图；图2为根据本专利技术的一个实施方案的基于形状记忆合金的多自由度柔性灵巧手的食指结构示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。如图1所示，本实施例中基于形状记忆合金的多自由度柔性灵巧手，包括大拇指1、食指2、中指3、无名指4、小拇指5及腕骨6。其中食指2、中指3、无名指4、小指5用螺丝固定在掌骨6上，大拇指1与腕骨6组成可正向、侧向摆动的旋转连接，其方向如图1所示。大拇指1具有可弯曲段，所述可弯曲段包括：两端的两块固定板1d、布置在两块固定板1d之间的四根形状记忆合金丝1e、包覆的柔性材料硅胶1b及大拇指1背部的由铜片制成的弹性薄板1c，大拇指的可弯曲段用螺丝固定在连接件1f上，连接件1f用螺丝固定在大拇指的掌骨1g上。大拇指的掌骨1g用十字轴关节1i通过铰链连接到腕骨6上，其侧面用八根形状记忆合金丝1j连接腕骨6。对形状记忆合金丝1e通电，形状记忆合金丝1e发热收缩带动可弯曲段弯曲。形状记忆合金丝1e在断电之后，温度下降，内应力降低。此时，在由铜片制成的弹性薄板1c弹性力的作用下，可弯曲段逐渐回复正常形状。贴在由铜片制成的弹性薄板1c背面的四个柔性应变片1a，测得驱动器上不同位置的离散曲率，进而通过拟合得出大拇指1可弯曲段的实际弯曲角度，再通过负反馈调节形状记忆合金1e的电流大小，调整大拇指1可弯曲段的弯曲角度，达到精确控制大拇指1可弯曲段弯曲角度的目的。对布置在大拇指十字轴关节1i四面的形状记忆合金丝1j选择性通电，形状记忆合金丝1j发热收缩带动大拇指1正向或侧向摆动。形状记忆合金丝1j在断电之后，温度下降，内应力降低，不再拉动大拇指1摆动。贴在十字轴关节1i四面的柔性应变片1h测得大拇指1的摆动角度，进而拟合出大拇指1摆动角度，再通过负反馈调节形状记忆合金1j的电流大小，调整大拇指1的摆动角度，达到精确控制大拇指1的摆动角度的目的。如图2所示，本实施例中基于形状记忆合金的多自由度柔性灵巧手的食指2，包括可弯曲段，所述可弯曲段包括：两端的两块固定板2d、布置在两块固定板2d之间的四根形状记忆合金丝2e、包覆的柔性材料硅胶2b及食指2背部的由铜片制成的弹性薄板2c，食指2的可弯曲段用螺丝固定在连接件2f上，连接件2f用转轴关节2g固定在食指的掌骨2j上。食指的连接件2f上的开孔侧板2k与掌骨2j上的开孔侧板上共布置有四根形状记忆合金本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于形状记忆合金的多自由度柔性灵巧手，其特征在于，包括：/n腕骨，大拇指、食指、中指、无名指、小拇指及其关节机构；每根手指都包括掌骨及包覆柔性材料的可弯曲段，/n大拇指的可弯曲段固定在连接件上直接与掌骨连接，利用十字轴关节连接大拇指掌骨与腕骨，实现大拇指正向、侧向摆动的两个旋转自由度，/n其余四指的可弯曲段固定在连接件上通过转轴关节与掌骨连接，具有侧向摆动的旋转自由度，且四指的掌骨直接固定连接在腕骨上；/n通过加热布置在可弯曲段内部及手指侧面的形状记忆合金，驱使可弯曲段弯曲变形及关节摆动；贴在手指表面的柔性传感器阵列能检测各指弯曲与摆动角度。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于形状记忆合金的多自由度柔性灵巧手，其特征在于，包括：
腕骨，大拇指、食指、中指、无名指、小拇指及其关节机构；每根手指都包括掌骨及包覆柔性材料的可弯曲段，
大拇指的可弯曲段固定在连接件上直接与掌骨连接，利用十字轴关节连接大拇指掌骨与腕骨，实现大拇指正向、侧向摆动的两个旋转自由度，
其余四指的可弯曲段固定在连接件上通过转轴关节与掌骨连接，具有侧向摆动的旋转自由度，且四指的掌骨直接固定连接在腕骨上；
通过加热布置在可弯曲段内部及手指侧面的形状记忆合金，驱使可弯曲段弯曲变形及关节摆动；贴在手指表面的柔性传感器阵列能检测各指弯曲与摆动角度。


2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的多自由度柔性灵巧手，其特征在于，所述可弯曲段包括两个固定板、背部弹性薄板、两端固定在两个固定板上的多个形状记忆合金，以及包覆在形状记忆合金外的柔性材料。


3.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的多自由度柔性灵巧手，其特征在于，所述手指的可弯曲段固定在连接件上的方式为静连接，包括粘接、铆接、焊接。


4.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的多自由度柔性灵巧手，其特征在于，所述转轴关节分别连接食指、中指、无名指、小拇指的掌骨与连接件构成一个实现侧向摆动的旋转自由度。


5.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的多自由度柔性灵巧手，其特征在于，所述十字轴关节通过铰链连接大拇指掌骨与腕骨，构成实现大拇指正向、侧向摆动的两个旋转自由度。


6.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的多自由度柔性灵巧手，其特征在于，所述将食指、中指、无名指、小拇指的掌骨分别直接连接到腕骨上的方式为静连接，包括粘接、铆接、焊接。


7.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的多自由度柔性灵巧手，其特征在于，所述连接件侧面有用来放置形状记忆合金的开孔侧板，开孔的数目为一个或多个。


8.根据权利要求2所述的一种基于形状记忆合金的多自由度柔性灵巧手，其特征在于，所述固定板上均匀有规律地布置了一...

【专利技术属性】
技术研发人员：任宏泰，张亚龙，陶哲，杨浩，金虎，张世武，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34