一种基于SMA驱动的模块化仿人手的制作方法

本发明属于机器人领域，涉及一种五指仿人手，尤其涉及基于形状记忆合金驱动的模块化仿人手。

背景技术：

仿人灵巧手的研究已成为机器人领域的一个重要发展方向，随着国内外灵巧手领域相关学者的深入研究，大量的仿人灵巧手不断被提出。驱动器是仿人灵巧手的动力元件，也是仿人灵巧手的核心组成部分。驱动器产生的位移和驱动力通过手指传动机构传递到手指关节，使各手指关节产生运动实现抓握功能。驱动器的性能对整个手指系统起着关键性的作用，在一定程度上决定了灵巧手的结构尺寸、复杂程度、整体重量、控制难易程度。目前，常见的驱动方式有电机驱动、气压驱动、液压驱动。但是传统的驱动形式制作的仿人灵巧手，驱动系统复杂，占用体积大、重量大很难实现轻量化和模块化。

在现代技术研究领域中，大功率重量比的驱动器被广泛研究和关注。为了提高驱动器的驱动性能，各种各样的驱动技术已经被提出，如电磁驱动、压电陶瓷驱动、静电驱动等，其中一种方法是利用形状记忆合金(Shape Memory Alloy，SMA)。因为它集驱动与传感于一体，具有大形变量、高能量密度、低驱动电压等特点，可以制作小巧玲珑、高度自动化、集成化、性能可靠的元器件，所以在许多领域具有广泛的应用前景。目前采用SMA驱动器普遍存在驱动位移小的问题，并且SMA丝在使用前需要预拉伸，一般情况下均使用弹簧实现预拉伸和断电复位功能，但是存在预拉伸力和输出力矛盾的问题，限制了SMA驱动器在仿人手领域的应用范围。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于SMA驱动的模块化仿人手，该仿人手采用欠驱动结构形式，每个手指具有三个转动关节，一个SMA驱动器，采用细钢丝绳模拟腱传动形式实现对不同尺寸物体的包络抓取，具有抓取力大、质量轻、集成度高、控制简单等优点。

针对目前仿人手存在的造价高昂、难以维护等问题，采用模块化的结构设计思路，设计了由单根仿人手指组装而成的模块化仿人手。以形状记忆合金为驱动材料，以位移放大器为位移放大结构的新型驱动器，提高了输出位移，并将驱动电路内置于单根模块化手指中，实现了基于SMA驱动仿人手指的集成化。针对采用弹簧预拉伸的传统SMA驱动器降低输出力的问题，设计了磁铁复位装置，利用磁力与位移成反比的特性，使SMA丝在初始位置具有较大的预拉伸力，在抓取过程中，由于磁铁之间距离增大使得手指输出力得到提高。采用欠驱动结构形式，降低了控制难度，实现了控制与驱动的高度集成以及轻量化设计。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于SMA驱动的模块化仿人手，包括多个手指模块，所述手指模块与长方体手掌连接，所述手指模块包括依次轴接的远指节、中指节、近指节；

所述的长方体手掌内设置降压电路板、驱动电路板、SMA丝温度检测传感器、导向滑轮、磁铁复位装置、位移放大器、SMA驱动器；

钢丝绳前端固定在远指节上，钢丝绳后端绕过中指节钢丝绳导向轴，再经过近指节钢丝绳导向轴和长方体手掌的导向轴，进入到手掌中，绕过长方体手掌中的钢丝绳导向滑轮实现转向，再绕过位移放大器后固定在位移放大器上，最终和SMA驱动器的输出端固定；

复位拉绳的前端固定在远指节上，复位拉绳后端绕过近指节内部的导向轴进入长方体手掌中和磁铁复位装置的滑移磁铁固定连接。

手指模块包含五个手指分别是食指模块、中指模块、无名指模块、小拇指模块和大拇指模块；所述的食指模块、中指模块、无名指模块、小拇指模块具有相同的构造，但手指各指节长度不同。

食指模块在初始状态下在复位拉绳的作用下处于伸直状态，并且由于初始状态滑移磁铁和后端固定磁铁之间有较大的吸引力，SMA驱动器受到初始的预拉伸力；通过控制器给驱动电路板发送PWM(Pulse Width Modulation)调压信号，经过驱动电路板调压以后得到所需电压值，电压的正负极分别和SMA驱动电路板的正负极连接，构成一个完整的供电回路；当对SMA驱动器通电时，SMA丝发热产生形变得到输出位移，通过钢丝绳传递到远指关节，由于中指节和近指节内部的导向轴作用在转动过程中可以实现手指的弯曲运动，并进行抓取操作任务，在手指抓取过程中温度传感器时时采集SMA驱动器的SMA丝温度，若温度超过额定值，则通过控制器发出PWM信号，使驱动电路板的输出电压值为0。

所述的SMA驱动器，是将SMA丝固定在电路板上，将各段SMA丝以串联的方式连接在一起。

所述位移放大器通过采用半径不同圆柱组合成为一体，并在其上开设绕线槽和紧固螺栓。

所示位移放大器的另外一种形式是：位移放大器的转轴偏心设置，与手指模块连接的钢丝绳与位移放大器转轮的切点到转动轴的距离大于与SMA驱动器的输出端连接的钢丝绳与所示转轮的切点到转动轴的距离。

所述的大拇指具有三个转动关节，远指节通过转动轴和中指节连接，中指节通过转动轴和近指节连接，近指节通过转动轴和近指节固定底座连接，所述的指节之间的转动轴两端与安装在相邻指节上的转动轴承紧密配合，所述的中指节、近指节中有钢丝绳的导向轴。

本发明的优点是：本仿人手采用高功率密度比的SMA丝作为驱动材料，采用磁铁复位方式提供对SMA丝的预拉伸力和SMA驱动器断电后的手指复位力，并以模块化的方式实现组装。单根手指的驱动电路内置于自身的长方体手掌中，提高了空间利用率，并且采用SMA作为驱动的灵巧手价格低、重量轻、控制简单。

附图说明

图1是本发明的五指仿人手整体装配正面示意图；

图2是本发明的五指仿人手整体装配背面示意图；

图3是本发明的模块化手指的装配分解图；

图4是本发明的模块化手指传动示意图；

图5是本发明的长方体手掌模型图；

图6是本发明的大拇指传动示意图；

图7是本发明的大拇指近指节固定底座；

图8是本发明的位移放大器安装示意图；

图9是本发明的永磁铁复位装置示意图；

图10是本发明的永磁铁复位装置的力学特性曲线图；

具体实施方式

为了使本发明的技术方案、技术特征更加明白地显示，下面结合附图对本发明的具体结构和工作原理作进一步的说明。

结合附图1-8，一种基于SMA驱动的模块化仿人手，由模块化手指1，大拇指模块2组成。所述的模块化手指1分别包括食指模块、中指模块、无名指模块、小拇指模块。所述的食指模块、中指模块、无名指模块、小拇指模块具有相同的物理结构，其区别在于每个手指关节长度存在差异。所述的食指模块包括远指节7，中指节6，近指节5和长方体手掌18。所述的远指节7包括防滑橡胶垫21，支撑轴承14，钢丝绳与复位绳固定螺栓26以及与中指节连接的转动轴15。所述的中指节6包括防滑橡胶垫21，支撑轴承14，钢丝绳的导向轴22以及与近指节连接的转动轴15。所述的近指节5包括防滑橡胶垫21，支撑轴承14，钢丝绳的导向轴22，复位拉线的导向轴22以及与长方体手掌连接的转动轴15。所述的长方体手掌18包括钢丝绳导向滑轮3，磁铁复位装置的固定磁铁19，移动磁铁20，SMA驱动器10，温度检测传感器16，驱动电路板17，位移放大器12，出线口8和进风口9。所述的位移放大器12包括钢丝绳固定螺栓26，支撑轴承14和连接转动轴15。所述的大拇指2、手指关节3等部件共同组成大拇指模块。所述的大拇指模块2包括近指节固定底座4，远指节7，中指节6，近指节5，所述的远指节7包括支撑轴承14，固定螺栓26，防滑橡胶垫21，与中指节连接的转动轴15，复位弹力绳27以及锁紧扣28。所述的中指节6包括支撑轴承14，钢丝绳的导向轴22，防滑橡胶垫21以及与近指节连接的转动轴15。所述的近指节5包括支撑轴承14，钢丝绳的导向轴22，防滑橡胶垫21以及与近指节固定底座4连接的转动轴15。所述的近指节固定底座4包括钢丝绳的导向轴22，固定螺栓26以及钢丝绳导向滑轮3。

图中，序号为26的部件是：固定螺栓；

序号为27的部件是复位弹力绳；

序号为28的部件是固定复位弹力绳的锁紧扣；

下面结合附图1-8说明本发明的工作过程。

由于大拇指、食指、中指、无名指和小拇指的驱动原理相同，以食指模块为例说明手指弯曲过程：

食指内部钢丝绳24的前端通过远指节固定螺栓26固定在远指节上，然后绕在中指节钢丝绳的导向轴22上，在经过近指节钢丝绳的导向轴22和长方体手掌的导向轴22，进入到手掌中，绕过长方体手掌中的钢丝绳导向滑轮3实现转向，在绕过位移放大器12，并采用紧固螺栓23固定在位移放大器上，最后通过连接螺栓11与SMA驱动器10的输出端进行连接。食指模块在初始状态下在复位拉绳25的作用下处于伸直状态，并且由于初始状态移动磁铁20和后端固定磁铁19之间有较大的吸引力，SMA驱动器受到初始的预拉伸力。通过控制器给驱动电路板17发送PWM调压信号，经过驱动电路板17调压以后得到所需电压值，电压的正负极分别和SMA驱动器10的正负极连接，构成一个完整的供电回路。当对SMA驱动器10通电时，SMA丝发热产生形变得到输出位移，通过钢丝绳24传递到远指关节7，由于中指节和近指节内部的导向轴22作用在转动过程中可以实现手指的弯曲运动，并进行抓取操作任务，在手指抓取过程中温度传感器16时时采集SMA驱动器10的SMA丝温度，若温度超过额定值，则通过控制器发出PWM信号，使驱动电路板17的输出电压值为0。

食指的复位过程：

食指内部的复位拉绳25前端由固定螺栓26固定在远指节7上，绕过中指节与近指节内部的导向轴22进入长方体手掌中，后端通过打结方式和移动磁铁20连接。通过控制器给驱动电路板17发送PWM信号，使其输出电压值为0，此时SMA驱动器10断电，在移动磁铁20与尾端固定磁铁20的磁力的作用下通过复位拉绳25实现手指关节的复位动作。

如图8所示，位移放大器的转轴偏心设置，与手指模块连接的钢丝绳与位移放大器转轮12的切点到转动轴15的距离M大于与SMA驱动器10的输出端连接的钢丝绳与位移放大器转轮12的切点到转动轴15的距离N。

由以上实施例可见，本发明的整体结构由五个手指模块组装而成，所述的手指模块包含五个手指分别是食指模块、中指模块、无名指模块、小拇指模块和大拇指模块。所述的食指模块、中指模块、无名指模块、小拇指模块具有相同的构造，其特征在于具有相同的手掌结构，但手指各关节长度有所差异，称为模块化手指。所述的食指模块包括远指节、中指节、近指节和长方体手掌，所述的长方体手掌包括驱动电路板、SMA丝温度检测传感器、导向滑轮、磁铁复位装置、位移放大器、SMA驱动器以及松紧调节螺栓。所述的大拇指模块包括远指节、中指节、近指节、近指节固定底座及驱动部分。所述的驱动部分包括位移放大器、SMA驱动器、手掌盖板、导向滑轮。

进一步，所述的磁铁复位装置提供对SMA驱动器的初始预拉伸力，保证在常态下手指处于伸展状态，在SMA驱动器断电之后提供手指各关节回复到初始状态的复位力。

再进一步，所述的SMA驱动器，是将SMA丝固定在电路板上，将各段SMA丝以串联的方式连接在一起。

更进一步，所述位移放大器通过采用半径不同圆柱组合成为一体，并在其上开设绕线槽和紧固螺栓。

所述的大拇指具有三个转动关节，远指节通过转动轴和中指节连接，中指节通过转动轴和近指节连接，近指节通过转动轴和近指节固定底座连接，所述的指节之间的转动轴两端与安装在相邻指节上的转动轴承紧密配合，所述的中指节、近指节中有钢丝绳的导向轴。所述的食指、中指、无名指、小拇指具有相同的机构，由远指节通过转动轴和中指节连接，中指节通过转动轴和近指节连接，近指节通过转动轴和长方体手掌相连接。所述的指节之间的转动轴两端与安装在相邻指节上的转动轴承紧密配合，所述的食指、中指、无名指和小拇指的中指节、近指节内部都有钢丝绳和复位鱼线的导向轴。

所述的远指关节部分设有轴承安装孔，用于安装远指关节转动轴承。所述的中指节上端为空腔，包络远指关节的转动部分，下端为中指节转动部分，且中指节转动部分两侧设有轴承安装孔，用于安装中指关节转动轴承，中指节内部设有钢丝绳导向轴的安装孔。所述的近指节上端为空腔，包络中指关节的转动部分，下端为近指节转动部分，且近指节转动部分两侧设有轴承安装孔，用于安装近指关节轴承，近指节内部设有钢丝绳和复位线的导向轴安装孔。所述的长方体手掌一侧为凸起，另一侧为凹槽，用于长方体手掌之间的连接，所述的长方体手掌内部设有温度检测传感器、驱动电路板、SMA驱动器以及磁铁复位装置。所述的长方体手掌尾部上端安装位移放大器，下端安装钢丝绳的导向滑轮。所述的位移放大器的半径不同，由大半径和小半径圆柱组合而成，并在其中心开设转动轴承安装孔，在其周向开设钢丝绳绕线槽，并设有用于钢丝绳固定的螺栓孔。

所述的食指、中指、无名指、小拇指四个模块通过其长方体手掌侧面上的凸起和凹槽进行连接，四个长方体手掌之间的安装距离为0mm，在其上有对应的手掌盖板固定孔，用于手掌盖板的固定同时起到固定长方体手掌的作用，在每个长方体手掌后端设有出线口和进风口，并在其底部开设有给SMA驱动器散热的出风口，在大拇指近指节固定底座相连接的食指的长方体手掌底部设有间隔为5mm的三个固定安装孔，在其侧面同时设有对应位置的固定安装孔，可以实现对大拇指位置的手动调节，大拇指近指节转动关节距离手掌平面15mm，整体安装后食指指尖与无名指指尖齐平，中指指尖高于无名指指尖5mm，无名指指尖高于小拇指指尖10mm。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实例和说明书中描述的是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。