[发明专利]一种基于4D打印柔性指关节手爪及其轨迹跟踪控制方法

说明书

本发明涉及一种基于4D打印柔性指关节手爪及其轨迹跟踪控制方法。该基于4D打印柔性指关节手爪包括：手掌单元和与所述手掌单元连接的五个手指单元，各所述手指单元包括两个柔性指关节和两节指骨；各所述柔性指关节分为上下两层LCE液晶弹性体，各所述LCE液晶弹性体用于实现手指单元的双向弯曲运动。本发明能够对柔性指关节手爪精确控制。

技术领域

本发明涉及智能材料4D打印领域，特别是涉及一种基于4D打印柔性指关节手爪及其轨迹跟踪控制方法。

背景技术

在过去的二十年中，柔性机器人已经成为一个越来越有吸引力的工程研究领域。这是由于新的机器人应用要求使用更轻便的机器以及更少的能量驱动。柔性机器人通常是利用软体材料制成，可以更好的适应各种环境。相比传统沉重复杂的刚性机械手和气动性软体手，基于4D打印的柔性指关节手爪具有更多好处，尤其体现在柔性指关节手爪可实现连续可逆变形以及结构-性能-功能的一体化设计。

4D打印就是利用智能“可编程物质”作为打印材料，通过3D打印的方式打印出三维物体，该物体能随着时间变化，在预定的外界刺激下，发生形状或结构的改变。基于4D打印的柔性指关节手爪通过对智能材料结构的设计，使得柔性手爪可在外界刺激下执行可控的动作。对智能材料结构越来越精密的设计以及不断完善的控制方法使得基于4D打印的柔性机器人将逐步取代传统机器人的部分机械部件。

如今，滑模控制早已有了一套比较完整的理论体系，并广泛应用于机械臂系统中，可以使被控系统沿着滑模规定的规律运行。柔性指关节手爪模型在设计过程中不可避免的存在一定的不确定性，而滑模控制的一个突出优点就是使系统对被控对象的模型误差、对象参数的变化以及外部干扰有较好的不敏感性，能够克服系统的不确定性。

从现有专利中检索发现，中国专利公开号为CN106309083A，名称为一种EMG控制的气动软体康复机械手，公开了一种EMG控制的气动软体康复机械手，其每根手指是由软材料组成的中空腔体结构，利用气动驱动实现手指的弯曲和伸展。但该发明没有精确的控制算法，并且气动驱动方式材料的弯曲和伸展与外界刺激无关，而4D打印结构材料自驱动的方式是材料在外界刺激下产生弯曲或伸展的变化，即可根据环境的改变完成自适应变形，具有很好的灵活性和高效性。中国专利公开号为：CN110142969A，名称为一种4D打印材料抓取释放机构和方法，公开了一种4D打印材料抓取释放机构和方法，该抓取释放机构包括4D打印驱动控制结构及其支撑结构，在4D打印材料薄膜表面连接电极，通过电极控制材料的弯曲程度进而实现对不同材料的抓取。但该发明只是实现简单的弯曲行为，没有建立模型进行精确控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于4D打印柔性指关节手爪及其轨迹跟踪控制方法，能够实现对柔性指关节手爪的精确控制。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于4D打印柔性指关节手爪，包括：手掌单元和与所述手掌单元连接的五个手指单元，各所述手指单元包括两个柔性指关节和两节指骨；各所述柔性指关节分为上下两层LCE液晶弹性体，各所述LCE液晶弹性体用于实现手指单元的双向弯曲运动。

可选的，所述手掌单元由3D打印制作。

可选的，各所述手指单元的各所述柔性指关节和各所述指骨的打印材料分别相同，各所述柔性指关节分别与所述手掌单元和所述指骨平滑相接，所述指骨采用固定的硬质材料，所述硬质材料随着所述柔性指关节的弯曲而移动。

可选的，各所述指骨均采用3D打印树脂材料制成；各所述柔性指关节均由4D打印的液晶弹性体复合材料制成。

可选的，在各所述液晶弹性体的表面贴附弯曲曲率检测传感器和聚酰亚胺电热膜，所述弯曲曲率检测传感器用于监测所述柔性指关节的弯曲角度，当通入电流后所述聚酰亚胺电热膜产生热量，使得LCE液晶弹性体受热产生变形。