[发明专利]一种基于形状记忆合金-柔体复合结构的柔性操作手

说明书

技术领域

本发明公开了一种柔性操作手的设计、制备及控制方法，涉及智能材料结构和机器人技术领域。

背景技术

目前具有操作功能的工业机器人、服务机器人及特种功能机器人的操作手多数是基于传统驱动器(电机、液压等)驱动的刚体结构。借助于高强度的合金材料、高刚度的结构和大功率驱动器，这类操作手能够承载大负载并且高速运转。然而，以上所述的刚体操作手也会带给机器人系统多种弊病，如质量过重、体积太大导致不易在复杂环境(泥泞、沼泽等)中作业；耗能过高，不适合在室外或能源稀缺环境下工作；刚度过高，动能过大，使得在人员密集环境下易对人类造成伤害，限制了机器人的应用。

随着经济的快速增长，机器人的应用范围也越来越广，逐渐从局限工业应用走向的公共场所、家庭和特种行业应用。显然，传统机械手存在危险系数高、灵活性低已不再适应新的应用场合。机器人行业亟待一种新型机械手能够实现柔性材质、无损抓取，同时具有一定的负载能力和工作速度、以及较低的危险系数。

现存的具有柔性特征的操作手，其外在是部分或全部的柔性，因此大大提高了操作手的适应范围。但是，其中一些仍使用基于电机驱动的驱动结构；典型的是基于气动驱动的柔性操作手，使得操作手的工作频率低，同时工作负载极其受限。另一方面，一些操作手采用了智能材料(形状记忆合金丝/弹簧等)作为驱动器，可大大减小操作手的自重和体积，改善了柔性操作手硬件方面缺陷。然而，由于结构设计存在缺陷及制造工艺方面的不足，这类机器人同样存在着工作频率较低，负载能力弱的特点。

发明内容

本发明的目的在于：给出了基于形状记忆合金-柔体复合结构的柔性操作手的设计、制备及控制方法。该柔性操作手不同于刚性操作手，能够灵活、无损抓取易碎物品，与人安全交互协作，同时具有较高的运动频率和良好的负载能力。所述柔性操作手适用于服务机器人及特种机器人的机械臂末端抓手。

本发明采用的技术方案为：一种基于形状记忆合金(SMA)-柔体复合结构的柔性操作手，该柔性操作手，包括中心连接架和多个SMA-柔体复合结构。其特征在于：每个SMA-柔体复合结构以SMA丝作为驱动器，能够实现平面高频大范围的往复运动；SMA丝由电流进行加热，通过控制电流的通断过程，来实现所述的柔体操作手对目标物的抓取与释放动作；具体的，3个或3个以上所述的SMA-柔体复合结构分布在中心连接架的周边，每个SMA-柔体复合结构一端固定在中心连接架，另一端悬空；不同形状的SMA-柔体复合结构下层表面有助于操作手应用在多种应用环境，通常为不规则的非光滑曲面。

进一步的，所述的SMA-柔体复合结构包括柔性材料、可嵌入片状板和基于形状记忆合金丝的驱动器骨架；柔性材料包裹住可嵌入片状板和基于形状记忆合金丝的驱动器骨架，SMA-柔体复合结构利用模型嵌入式分层浇注技术成型。

进一步的，所述基于形状记忆合金丝的驱动器骨架包括形状记忆合金丝和定位板，定位板中间有若干用于固定形状记忆合金丝的定位孔，同时，定位板也作为SMA-柔体复合结构与中心连接架的固定件。

本发明的原理在于：

本发明的柔性操作手机构，包括中心连接架、SMA-柔体复合结构，其特征在于SMA-柔体复合结构由SMA丝驱动，能够实现平面高频大范围的往复运动；SMA丝由电流进行加热，通过控制电流的通断过程，来实现柔性操作手对目标物的抓取与释放动作。

本发明柔性操作手装置的结构特点在于：多个SMA-柔体复合结构分布在中心连接架的周边，SMA-柔体复合结构一端固定在中心连接架，另一端悬空；不同形状的SMA-柔体复合结构下层表面有助于操作手应用在多种应用环境，通常为不规则的非光滑曲面。

所述的SMA-柔体复合结构包括柔性材料、可嵌入片状板和基于形状记忆合金丝的驱动器骨架；柔性材料包裹住可嵌入片状板和驱动器骨架，SMA-柔体复合结构利用模型嵌入式分层浇注技术成型。

所述驱动器骨架包括形状记忆合金丝、定位板，定位板中间有若干用于固定形状记忆合金丝的定位孔，同时，定位板也作为SMA-柔体复合结构与中心连接架的固定件。

本发明的优点和积极效果：

(1)、SMA-柔体复合结构下表面非光滑曲面提高了柔性操作手抓取工件过程中柔体复合抓手与工件的接触面积，保证柔性操作手在操作过程中的稳定性和安全性。

(2)、SMA-柔体复合结构外层是柔性包裹材料，确保了柔性操作手的灵活性和安全性。

(3)、利用模型嵌入式分层浇注技术成型SMA-柔体复合结构，可嵌入板与驱动器骨架之间参数精确可控，并且与柔性材料紧密连接。