一种多材料柔性仿生义指系统及其设计方法技术方案

本发明专利技术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；本发明专利技术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。理活动。理活动。

【技术实现步骤摘要】
一种多材料柔性仿生义指系统及其设计方法


[0001]本专利技术涉及仿生人体假肢
，尤其涉及一种多材料柔性仿生义指系统及其设计方法。

技术介绍

[0002]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，专利技术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；
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0006]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；
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]所述气泵用于提供使义指弯曲的所需气压；
[0011]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；
[0012]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。
[0013]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：
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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。
[0018]进一步地，步骤一所述柔性气动义指设计具体步骤如下：
[0019]S1：首先，对所采用的气动波纹管进行加固成型；
[0020]S2：然后，固定气动波纹管，并用流体聚二甲硅氧烷覆盖；
[0021]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；
[0022]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；
[0023]所述流体聚二甲硅氧烷是由预聚体和交联剂配比而成。
[0024]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。
[0025]进一步地，所述简化数学模型的分析过程如下：
[0026]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：
[0027][0028]式中：M为作用于自由端的力矩；EI
xa
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；
[0029]SS2：将多材料义指的压力分别分解为上下波纹管的F
b
和F
p
，并计算总力，其公式如下：
[0030]F＝F
b
+F
p
＝K
b
Kw
b
+K
p
Kw
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0031]式中：w
b
和w
p
分别为挠度；K
b
和K
p
分别为上波纹管侧和下平侧对应的轴向刚度；
[0032]SS3：计算波纹管内部的角偏转θ2，其公式如下：
[0033][0034]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：
[0035]φ＝θ1‑
θ2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0036]SS5：确定波纹管膨胀产生的力矩，其公式如下：
[0037]M
mexp
＝∫dFr
m
sinα
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0038]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：
[0039]M＝F*e*M
exp
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)。
[0040]进一步地，所述上波纹管下平侧对应的轴向刚度K
p
的计算公式如下：
[0041]K
p
＝(E2*A
s
)/L
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0042]式中：A
s
为衬底的截面积；E2为PDMS的杨氏模量。
[0043]相比于现有技术，本专利技术的有益效果在于：
[0044]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多材料柔性仿生义指系统，其特征在于，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。2.一种多材料柔性仿生义指系统的设计方法，其特征在于，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。3.根据权利要求2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。4.根据权利要求2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...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚子丹，雷屹松，王子文，张杰，刘建勋，黄少通，陈煜，麦智鑫，
申请(专利权)人：深圳技术大学，
类型：发明
国别省市：