[發明專利]一種基于SMA驅動的模塊化仿人手

在審

• 申請號: 201710116913.3
• 申請日: 2017-03-01
• 公開（公告）號: CN106863344A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 郝麗娜;郭少飛;陳洋
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: B25J15/10
• 分類號: B25J15/10;B25J9/12
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙)21234
• 代理人: 俞魯江

技術領域

本發明屬于機器人領域，涉及一種五指仿人手，尤其涉及基于形狀記憶合金驅動的模塊化仿人手。

背景技術

仿人靈巧手的研究已成為機器人領域的一個重要發展方向，隨著國內外靈巧手領域相關學者的深入研究，大量的仿人靈巧手不斷被提出。驅動器是仿人靈巧手的動力元件，也是仿人靈巧手的核心組成部分。驅動器產生的位移和驅動力通過手指傳動機構傳遞到手指關節，使各手指關節產生運動實現抓握功能。驅動器的性能對整個手指系統起著關鍵性的作用，在一定程度上決定了靈巧手的結構尺寸、復雜程度、整體重量、控制難易程度。目前，常見的驅動方式有電機驅動、氣壓驅動、液壓驅動。但是傳統的驅動形式制作的仿人靈巧手，驅動系統復雜，占用體積大、重量大很難實現輕量化和模塊化。

在現代技術研究領域中，大功率重量比的驅動器被廣泛研究和關注。為了提高驅動器的驅動性能，各種各樣的驅動技術已經被提出，如電磁驅動、壓電陶瓷驅動、靜電驅動等，其中一種方法是利用形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，SMA)。因為它集驅動與傳感于一體，具有大形變量、高能量密度、低驅動電壓等特點，可以制作小巧玲瓏、高度自動化、集成化、性能可靠的元器件，所以在許多領域具有廣泛的應用前景。目前采用SMA驅動器普遍存在驅動位移小的問題，并且SMA絲在使用前需要預拉伸，一般情況下均使用彈簧實現預拉伸和斷電復位功能，但是存在預拉伸力和輸出力矛盾的問題，限制了SMA驅動器在仿人手領域的應用范圍。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明的目的是提供一種基于SMA驅動的模塊化仿人手，該仿人手采用欠驅動結構形式，每個手指具有三個轉動關節，一個SMA驅動器，采用細鋼絲繩模擬腱傳動形式實現對不同尺寸物體的包絡抓取，具有抓取力大、質量輕、集成度高、控制簡單等優點。

針對目前仿人手存在的造價高昂、難以維護等問題，采用模塊化的結構設計思路，設計了由單根仿人手指組裝而成的模塊化仿人手。以形狀記憶合金為驅動材料，以位移放大器為位移放大結構的新型驅動器，提高了輸出位移，并將驅動電路內置于單根模塊化手指中，實現了基于SMA驅動仿人手指的集成化。針對采用彈簧預拉伸的傳統SMA驅動器降低輸出力的問題，設計了磁鐵復位裝置，利用磁力與位移成反比的特性，使SMA絲在初始位置具有較大的預拉伸力，在抓取過程中，由于磁鐵之間距離增大使得手指輸出力得到提高。采用欠驅動結構形式，降低了控制難度，實現了控制與驅動的高度集成以及輕量化設計。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種基于SMA驅動的模塊化仿人手，包括多個手指模塊，所述手指模塊與長方體手掌連接，所述手指模塊包括依次軸接的遠指節、中指節、近指節；

所述的長方體手掌內設置降壓電路板、驅動電路板、SMA絲溫度檢測傳感器、導向滑輪、磁鐵復位裝置、位移放大器、SMA驅動器；

鋼絲繩前端固定在遠指節上，鋼絲繩后端繞過中指節鋼絲繩導向軸，再經過近指節鋼絲繩導向軸和長方體手掌的導向軸，進入到手掌中，繞過長方體手掌中的鋼絲繩導向滑輪實現轉向，再繞過位移放大器后固定在位移放大器上，最終和SMA驅動器的輸出端固定；

復位拉繩的前端固定在遠指節上，復位拉繩后端繞過近指節內部的導向軸進入長方體手掌中和磁鐵復位裝置的滑移磁鐵固定連接。

手指模塊包含五個手指分別是食指模塊、中指模塊、無名指模塊、小拇指模塊和大拇指模塊；所述的食指模塊、中指模塊、無名指模塊、小拇指模塊具有相同的構造，但手指各指節長度不同。

食指模塊在初始狀態下在復位拉繩的作用下處于伸直狀態，并且由于初始狀態滑移磁鐵和后端固定磁鐵之間有較大的吸引力，SMA驅動器受到初始的預拉伸力；通過控制器給驅動電路板發送PWM(Pulse Width Modulation)調壓信號，經過驅動電路板調壓以后得到所需電壓值，電壓的正負極分別和SMA驅動電路板的正負極連接，構成一個完整的供電回路；當對SMA驅動器通電時，SMA絲發熱產生形變得到輸出位移，通過鋼絲繩傳遞到遠指關節，由于中指節和近指節內部的導向軸作用在轉動過程中可以實現手指的彎曲運動，并進行抓取操作任務，在手指抓取過程中溫度傳感器時時采集SMA驅動器的SMA絲溫度，若溫度超過額定值，則通過控制器發出PWM信號，使驅動電路板的輸出電壓值為0。

所述的SMA驅動器，是將SMA絲固定在電路板上，將各段SMA絲以串聯的方式連接在一起。

所述位移放大器通過采用半徑不同圓柱組合成為一體，并在其上開設繞線槽和緊固螺栓。