專(zhuān)利名稱(chēng)：基于內(nèi)嵌式形狀記憶合金電機(jī)的組合式擬人機(jī)械手的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于機(jī)械工程類(lèi)的機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)，它涉及一 種基于內(nèi)嵌式形狀記憶合金電機(jī)的組合式擬人機(jī)械手，這種機(jī)械手在具有 微型化、精密定位與柔性傳動(dòng)綜合要求的醫(yī)用假肢、小負(fù)載工業(yè)機(jī)器人、 家用機(jī)器人及步行機(jī)器人中都有潛在廣泛的用途與誘人的技術(shù)發(fā)展前景。
背景技術(shù)：
作為力和位移的輸入源，驅(qū)動(dòng)器直接決定了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)型式、定位 精度、動(dòng)作柔順度和控制方式，它是機(jī)械手的關(guān)鍵。傳統(tǒng)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)器以 電磁式電機(jī)為主，具有體積小、無(wú)泄漏等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)用最為廣泛。但其存在 不足，具體表現(xiàn)為電機(jī)輸出力一重量比低，導(dǎo)致體積龐大，無(wú)法達(dá)到微 小型系統(tǒng)的實(shí)用要求；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)冗贅，靈活性差；機(jī)械手多自 由度運(yùn)行實(shí)現(xiàn)困難；機(jī)械手運(yùn)行形態(tài)缺乏柔順性。在滿(mǎn)足機(jī)械手?jǐn)M人化微型化需求方面，傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器顯得越來(lái)越力不從 心。在這一背景下，形狀記憶合金電機(jī)(ghape Memory Jlloy Actuator, SMAA)以其輸出位移大、輸出力一重量比高、運(yùn)動(dòng)柔順等優(yōu)點(diǎn)，引起了人們 的關(guān)注。在現(xiàn)有技術(shù)中，形狀記憶合金電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，在電機(jī)結(jié)構(gòu)上 多采用偏動(dòng)式和差動(dòng)式。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利200410000722公開(kāi)了一種"形狀記 憶合金差動(dòng)彈簧驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手"(
公開(kāi)日期2004年12月29日)，其特征在 于，該機(jī)械手含有形狀記憶合金(Shape Memory 41 loy， SMA)差動(dòng)彈簧驅(qū)動(dòng) 器及由機(jī)械手指、連桿、拉桿、滑塊、機(jī)架組成的六桿機(jī)構(gòu)。該機(jī)械手為 夾持型，可用手指內(nèi)側(cè)夾持物體外部。該機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)握、放等動(dòng)作， 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自重輕、尺寸小、成本低等特點(diǎn)。中國(guó)實(shí)用新型專(zhuān)利03261475 公開(kāi)了一種"形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)械手"(
公開(kāi)日期2004年7月21 日)，該機(jī)械手亦采用SMA絲驅(qū)動(dòng)，配合柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的簡(jiǎn) 單抓取運(yùn)動(dòng)，具有精度高、夾持力適中、調(diào)整簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)。以上兩種SMAA結(jié)構(gòu)中，重復(fù)進(jìn)行預(yù)變形的偏動(dòng)元件(SMA或偏動(dòng)彈簧) 與實(shí)現(xiàn)回復(fù)功能的致動(dòng)元件(SMA)在空間上彼此分離；由SMAA驅(qū)動(dòng)的機(jī)械 手，驅(qū)動(dòng)用SMAA和完成承載、抓拿等任務(wù)的執(zhí)行部分是相互獨(dú)立的。因此， 受驅(qū)動(dòng)方式限制，上述SMAA驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手均為夾持型，只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單動(dòng)作， 對(duì)被夾物的形狀和尺寸有較高要求，夾持能力有限。對(duì)擬人機(jī)械手具有仿 生意義的多自由度精密柔性空間運(yùn)動(dòng)，上述SMAA顯得無(wú)能為力。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于內(nèi)嵌式形狀記憶合金電機(jī)的組合 式擬人機(jī)械手，該機(jī)械手實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的抓放與細(xì)微操作，具有機(jī)構(gòu)緊湊、 自重輕、輸出力-重量比高、動(dòng)作柔順、控制靈活和制造成本低的優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)用新型提供的一種基于內(nèi)嵌式形狀記憶合金電機(jī)的組合式擬人機(jī) 械手，機(jī)械手包括手掌、三個(gè)手指和控制器；其特征在于所述控制器位 于手掌內(nèi)，所述手掌由固定連接的手心和手背構(gòu)成，拇指、食指和中指均 由通過(guò)連接件連接的從動(dòng)指與主動(dòng)指構(gòu)成；食指主動(dòng)指和中指主動(dòng)指的根 部分別固定在手背上；拇指主動(dòng)指的根部通過(guò)實(shí)心硅橡膠圓柱體固定在手 心，拇指主動(dòng)指高出手心，拇指彎曲所構(gòu)成的第一平面與食指彎曲所構(gòu)成 的第二平面、中指彎曲所構(gòu)成的第三平面的相互平行；三個(gè)手指的從動(dòng)指 和主動(dòng)指均由內(nèi)嵌式形狀記憶合金電機(jī)構(gòu)成；所述內(nèi)嵌式形狀記憶合金電 機(jī)的結(jié)構(gòu)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 入在硅橡膠圓柱體內(nèi)，"U"形記憶形狀記憶合金絲的嵌入位置與硅橡膠圓 柱體中心軸線重合，直線形記憶形狀記憶合金絲平行于硅橡膠圓柱體中心 軸線偏心嵌入，曲率傳感器沿彎曲方向?qū)ΨQ(chēng)分布于硅橡膠圓柱體中部表面。本實(shí)用新型利用形狀記憶合金隨溫度變化具有形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory gffect， SME)的特點(diǎn)，通過(guò)所設(shè)計(jì)的內(nèi)嵌式形狀記憶合金電機(jī) (gmbedded ,， ESMAA)，解決傳統(tǒng)偏動(dòng)式和差動(dòng)式SMAA在結(jié)構(gòu)和功能上 的不足。本實(shí)用新型采用了組合式的三指六指節(jié)機(jī)械手結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì) 不同形狀與尺寸物體的穩(wěn)定抓取與細(xì)微操作。本實(shí)用新型具有較多優(yōu)點(diǎn)機(jī)械手機(jī)構(gòu)緊湊、自重輕、輸出力-重量比高、動(dòng)作柔順、控制靈活、制造 成本低等。本實(shí)用新型機(jī)械手結(jié)構(gòu)基于仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)，充分利用多臺(tái) ESMAA多自由度動(dòng)作及柔順性的特點(diǎn)，使機(jī)械手運(yùn)行更接近人手的動(dòng)作；同時(shí)ESMAA的動(dòng)作不受溫度以外的環(huán)境影響，可在真空、強(qiáng)污染、高輻射等 特殊環(huán)境中使用，具有較好的適應(yīng)能力；ESMAA的控制采用電流驅(qū)動(dòng)控制， 控制方式簡(jiǎn)單，易于集成化，小型化。本實(shí)用新型能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的 抓放動(dòng)作與細(xì)微操作，是微電子機(jī)械系統(tǒng)MEMS的重要組成部分，在具有微 型化、精密定位與柔性傳動(dòng)綜合要求的醫(yī)用假肢、小負(fù)載工業(yè)機(jī)器人、家 用機(jī)器人及步行機(jī)器人中都有潛在廣泛的用途與誘人的技術(shù)發(fā)展前景。


圖1為本實(shí)用新型所使用的內(nèi)嵌式形狀記憶合金電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為圖1的A-A剖視圖。圖3為基于內(nèi)嵌式形狀記憶合金電機(jī)的組合式擬人機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為圖3的俯視圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。 如圖1和圖2所示，內(nèi)嵌式形狀記憶合金電機(jī)(ESMAA)包括硅橡膠圓 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(duì)稱(chēng) 分布的曲率傳感器4和5。 "U"形記憶SMA絲2的嵌入位置與硅橡膠圓柱 體1中心軸線重合，直線形記憶SMA絲3平行于硅橡膠圓柱體1中心軸線 偏心嵌入，曲率傳感器4、 5沿彎曲方向?qū)ΨQ(chēng)分布于硅橡膠圓柱體1中部表 面。"U"形記憶SMA絲2具有回復(fù)功能，直線形記憶SMA絲3具有恢復(fù)功 能，使得這種ESMAA具有平面彎曲功能。如圖3、圖4所示，本實(shí)用新型機(jī)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(guò)螺栓17固定，形成盒
式長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)。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(dòng)指6和拇指主動(dòng)指7;拇指從動(dòng)指6以及主動(dòng)指7均為 平面彎曲ESMAA。食指和中指同樣釆用雙指節(jié)結(jié)構(gòu)。食指包括由食指連接件 13連接的食指從動(dòng)指8和食指主動(dòng)指9;食指從動(dòng)指8和食指主動(dòng)指9均 采用平面彎曲ESMAA。食指主動(dòng)指9根部固定在手背16上。中指與食指結(jié) 構(gòu)相同，包括由中指連接件14連接的中指從動(dòng)指10和中指主動(dòng)指11;中 指從動(dòng)指10和中指主動(dòng)指11均采用平面彎曲ESMAA。中指主動(dòng)指11根部 固定在手背16上。所有連接件12、 13和14均采用硅橡膠粘合?？紤]手指的抓持力度、平衡及穩(wěn)定性等問(wèn)題，在不影響機(jī)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(guò)連接一實(shí)心硅橡 膠圓柱體18，使拇指主動(dòng)指7高出手心15—定尺寸，并確保拇指彎曲所構(gòu) 成的第一平面21與食指彎曲所構(gòu)成的第二平面20、中指彎曲所構(gòu)成的第三 平面22的相互平行，該實(shí)心硅橡膠圓柱體18根部通過(guò)硅橡膠固定在手心 15上。這一結(jié)構(gòu)不僅與人手外形相似，而且有利于模型的分析和建立，同 時(shí)，以食指和中指為主，配合拇指完成抓取操作時(shí)，操作范圍大，側(cè)向分 力小?？紤]機(jī)械手的高度集成，將控制器19集成于手掌之中，僅需連接驅(qū) 動(dòng)電源，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。上述硅橡膠也可以釆用模具膠替代。本實(shí)用新型的工作原理如下通過(guò)調(diào)節(jié)通入SMA絲的加熱電流控制單 臺(tái)ESMAA的彎曲變形，從而實(shí)現(xiàn)三根手指的運(yùn)動(dòng)。對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，實(shí) 際上是對(duì)ESMAA的控制，亦即在一定范圍內(nèi)對(duì)SMA絲溫度的控制。以圖1 中ESMAA為例，對(duì)單臺(tái)平面彎曲ESMAA的控制方式為首先對(duì)SMA絲2加 熱，SMA絲2產(chǎn)生"U"形彎曲，硫化硅橡膠圓柱體1也隨之彎曲。當(dāng)硫化 硅橡膠圓柱體1的彎曲曲率達(dá)到最大值時(shí)，繼續(xù)升溫，曲率保持不變。電 機(jī)需要恢復(fù)到初始態(tài)時(shí)，停止對(duì)SMA絲2的加熱，同時(shí)對(duì)SMA絲3通入適 宜電流，使其迅速回復(fù)，促使電機(jī)回到缺省態(tài)一直線狀。偏心SMA絲3的 嵌入，使得電機(jī)具有雙向可控的良好特性，響應(yīng)速度也大大提高。
權(quán)利要求1、 一種基于內(nèi)嵌式形狀記憶合金電機(jī)的組合式擬人機(jī)械手，機(jī)械手包 括手掌、三個(gè)手指和控制器；其特征在于所述控制器(21)位于手掌內(nèi)， 所述手掌由固定連接的手心(15)和手背(16)構(gòu)成，拇指、食指和中指均由通過(guò)連接件(12、 13、 14)連接的從動(dòng)指(6、 8、 10)與主動(dòng)指(7、 9、 ll)構(gòu) 成；食指主動(dòng)指(9)和中指主動(dòng)指(11)的根部分別固定在手背(16)上；拇指 主動(dòng)指(7)的根部通過(guò)實(shí)心硅橡膠圓柱體(18)固定在手心(15)，拇指主動(dòng)指 (7)高出手心(15)，拇指彎曲所構(gòu)成的第一平面(21)與食指彎曲所構(gòu)成的第 二平面(20)、中指彎曲所構(gòu)成的第三平面(22)的相互平行；三個(gè)手指的從 動(dòng)指和主動(dòng)指均由內(nèi)嵌式形狀記憶合金電機(jī)構(gòu)成；所述內(nèi)嵌式形狀記憶合 金電機(jī)的結(jié)構(gòu)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)嵌入在硅橡膠圓柱體(1)內(nèi)，"U"形形狀記憶合金絲(2)的嵌入 位置與硅橡膠圓柱體(l)中心軸線重合，直線形記憶形狀記憶合金絲(3)平 行于硅橡膠圓柱體(l)中心軸線偏心嵌入，曲率傳感器(4、 5)沿彎曲方向?qū)?稱(chēng)分布于硅橡膠圓柱體(l)中部表面。
專(zhuān)利摘要基于內(nèi)嵌式形狀記憶合金電機(jī)的組合式擬人機(jī)械手包括手掌、三個(gè)手指和控制器；所述手掌由固定連接的手心和手背構(gòu)成，拇指、食指和中指均由通過(guò)連接件連接的從動(dòng)指與主動(dòng)指構(gòu)成；食指主動(dòng)指和中指主動(dòng)指的根部分別固定在手背上；三個(gè)手指的從動(dòng)指和主動(dòng)指均由形狀記憶合金電機(jī)構(gòu)成；ESMAA包括嵌入在硅橡膠圓柱體內(nèi)的“U”形、直線形記憶SMA絲和曲率傳感器。本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手的抓放與細(xì)微操作，具有機(jī)構(gòu)緊湊、自重輕、輸出力-重量比高、動(dòng)作柔順、控制靈活、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。是MEMS的重要組成部分，在具有微型化、精密定位與柔性傳動(dòng)綜合要求的醫(yī)用假肢、小負(fù)載工業(yè)機(jī)器人、家用機(jī)器人及步行機(jī)器人中都有潛在廣泛的用途與誘人的技術(shù)發(fā)展前景。
文檔編號(hào)B25J7/00GK201020715SQ20062016335
公開(kāi)日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2006年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月1日
發(fā)明者張德林, 凱 楊, 辜承林 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)