[发明专利]基于气动人工肌肉的柔性驱动仿生按摩机械手

权利要求书

1.一种基于气动人工肌肉的柔性驱动仿生按摩机械手，其特征在于：通过压缩空气进行驱动，包括并联柔性驱动单元、触觉感知单元、超声驱动单元、压电振子单元、柔性人工皮肤、仿生手掌，所述并联柔性驱动单元分布在五个手指上，其中拇指上的并联柔性驱动单元安装在拇指安装座(15)上，其余四个并联柔性驱动单元安装在仿生手掌的手掌本体上；触觉感知单元黏附于手掌掌心平面以及五个手指指尖表面；压电振子单元安装于指尖内部；超声驱动单元安装于手掌基座(14)的近拇指端，超声驱动单元中的超声电机(16)与非接触式磁性角位移传感器(18)安装在近拇指端的手背凹槽内，拇指安装座(15)安装于手掌基座(14)的侧面并与之贴合；柔性人工皮肤(1)包裹在手掌、手指表面；

所述并联柔性驱动单元是：指端基座(5)底面加工有三个呈120度环形对称分布的螺纹孔以及一个靠近圆周边缘的螺纹孔，三根气动人工肌肉(7)呈120°环形对称分布，通过螺纹与指端基座(5)刚性固连；

所述超声驱动单元是：超声电机(16)的输出轴(20)通过与拇指安装座(15)的孔过盈配合实现超声电机(16)与拇指安装座(15)的固连，非接触式磁性角位移传感器(18)通过强力胶固连于手掌近拇指端的矩形凹槽内壁上，环状双极磁铁(17)内孔与超声电机(16)的驱动轴(19)过盈配合；

所述压电振子单元是：第一、第二弯振模块(25、26)的轴心均加工有螺纹通孔，从上到下依次与加工有外螺纹的中心立柱(27)通过螺纹副刚性连接，并放置在指端基座(5)的环形凹槽内；第一弯振模块(25)、第二弯振模块(26)产生弯振传播至指端顶盖(4)，且第一弯振模块(25)产生的弯振和第二弯振模块(26)产生的弯振在空间上存在的相位差；

所述柔性人工皮肤(1)为通过3D打印制备的一体式变密度软体结构，可实现柔性牵拉和高弹性回复，能够紧密包络于手掌、手指表面；柔性人工皮肤上设有缺口，其包络于五个手指的指端表面为分布有颗粒状凸起微阵列结构(2)的非光滑形态表面；使用强力胶将柔性人工皮肤(1)与手掌基座14固连。

2.根据权利要求1所述的基于气动人工肌肉的柔性驱动仿生按摩机械手，其特征在于：所述的并联柔性驱动单元的指端基座(5)底面中心设有下支撑杆(28)与滑套(29)组成的移动副，滑套(29)可以沿着下支撑杆28上下移动；并联柔性驱动单元的每根气动人工肌肉(7)由外层的弹簧钢丝(32)、内层的橡胶管(33)、上连接端盖(31)、下连接端盖(34)、管接头(36)组成，所述上、下连接端盖(31、34)与橡胶管(33)压注成一个整体，弹簧钢丝(32)紧密环绕在橡胶管(33)外表面，弹簧钢丝(32)的两端分别与上、下连接端盖(31、34)焊接；管接头(36)与流体入口(35)通过螺纹副连接，用于通入压缩空气。

3.根据权利要求1所述的基于气动人工肌肉的柔性驱动仿生按摩机械手，其特征在于：所述的触觉感知单元外包络式分布于指尖、掌心的表面；其中，指端顶盖(4)内表面加工有螺纹，与指端基座(5)通过螺纹刚性固连；通过强力胶将指端柔性薄膜压阻传感器(3)、手掌柔性薄膜压阻传感器(22)分别黏附于指端顶盖(4)的球形表面、手掌掌心平面上，微型反射式激光位移传感器(6)通过螺纹与指端基座(5)固连；通入压缩空气，并联柔性驱动单元轴向伸长，从而带动指端轴向伸长，当指端压入人体组织产生接触变形时，指端柔性薄膜压阻传感器(3)利用压阻效应测量接触力大小并反馈给控制器；同时，安装于指端基座(5)上的微型反射式激光位移传感器(6)测量并联驱动单元轴向伸长量并反馈给控制器，通过接触力值与轴向伸长量的比值表征指端按压的人体组织部位的硬度。

4.根据权利要求1所述的基于气动人工肌肉的柔性驱动仿生按摩机械手，其特征在于：所述的超声驱动单元中的超声电机(16)的输出轴(20)旋转输出扭矩，从而带动拇指安装座(15)以及环状双极磁铁(17)实现旋转运动，非接触式磁性角位移传感器(18)通过检测环状双极磁铁(17)的转动角度来测量拇指安装座(15)的精确角位移并反馈给控制器，有利于实现对拇指部位旋转角度的准确控制。