[发明专利]一种多材料柔性仿生义指系统及其设计方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及仿生人体假肢技术领域，尤其涉及一种多材料柔性仿生义指系统及其设计方法。

背景技术

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，发明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；

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。

发明内容

本发明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。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

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；

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。

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：

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；