一种基于仿生应变传感器阵列感知的柔性机械手的制作方法

本发明属于柔性机器人控制技术领域，具体涉及一种仿生柔性机械手。通过不同质量物体对仿生应变传感器产生的压力，来控制柔性机械手的抓握姿态。

背景技术：

机械手，又称机械传动机器人，是工业机器人的一种，它由驱动电机和若干机械传动机构，如连杆、凸轮、齿轮等构成，广泛应用于工业生产、医疗外科、太空作业、危险区域作业等众多领域。传统的机械手为刚性机械手，具有结构笨重、效率低、操作空间小、响应速度慢等缺点，已渐渐不能满足各种作业性能的要求。

由于刚性机械手的制造材料影响了其运动能力，满足不了人们的需求，因此，人们设计出采用气动、介电高弹体、离子交换聚合物、形状记忆合金、响应水凝胶等驱动方式及由柔性材料来做支撑结构的新型机械手，即柔性机械手。柔性机械手能完成更高灵活性、适应性的仿生运动，以弥补刚性机械手在某些应用中有所受限的不足。与刚性机械手相比，由智能材料驱动的柔性机械手具有灵活性好、体积小、质量轻、环境适应性好、噪声低等优点。但是，全面发展柔性机械手，尤其是在用智能柔性材料模仿软体动物触手方面，目前世界范围上的研究仍然处于初期阶段。此外，迄今为止，现有的柔性机械手不能完全像动物的触手一样感知并适应周围环境，再加上其结构柔性的存在、本身的非线性特性，使得柔性机械手是一个十分复杂的非线性系统，对其控制方面的问题有很大的实际应用价值。因此，柔性机械手还有很大的研究空间，在未来机械手领域的开发中，仿生柔性机械手将占有非常重要的地位。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于仿生应变传感器阵列感知的柔性机械手，其适用于一些质量小、体积小、比较难抓握的物体，该仿生手具有体积小、结构简单、灵敏度高等优点。

一种基于仿生应变传感器阵列感知的柔性机械手，其特征在于：由液晶弹性体1、仿生应变传感器2、聚酰亚胺薄膜加热器3、弹性绝缘底板4、供电部分5、放大电路模块6、控制模块7构成，所述液晶弹性体1为手型结构，弹性绝缘底板4位于手心处，嵌套在液晶弹性体1中并在有压力时能形成形变；仿生应变传感器2组成的阵列粘贴在弹性绝缘底板4上；仿生应变传感器2与供电部分5连接，所述供电部分5为惠斯通电桥，位于手掌根部，每一个电桥里面都连接一个仿生应变传感器2；供电部分5通过放大电路模块6与控制模块7连接；所述控制模块7固定在手掌背面；液晶弹性体1所有手指的第一指间关节、第二指间关节和掌指关节处分别嵌入聚酰亚胺薄膜加热器3，所述的聚酰亚胺薄膜加热器3为柔性电路，可以随液晶弹性体1的弯曲而弯曲，每一片聚酰亚胺薄膜加热器3都与控制模块7相连接。

所述聚酰亚胺薄膜加热器3将加热片嵌入在液晶弹性体1中，并在其上方附上聚酰亚胺薄膜，起到绝缘作用。

所述仿生应变传感器2为3cm宽1cm长，在手心处组成1*5阵列对外界物品的大小、重量进行感知，该仿生应变传感器是仿生蝎子体表缝感知机理研制而成。

有益效果：当有物体放置在仿生应变传感器阵列上，每个传感器的阻值都会发生改变，导致每个惠斯通电桥电路的输出电压都不一样，这5个电压的变化值通过放大电路进行放大，然后经过ad转换传输给单片机，再通过单片机的pwm口输出稳定的电压，为手指关节处的聚酰亚胺薄膜加热器供电，从而使lce弯曲，实现柔性机械手对物体的抓握。本发明具有灵敏度高、实时性强、手指弯曲程度可控等特点，可抓取体积小、质量轻的物体，具有较高的抓握贴合度。本发明未来可以应用在精准抓取微小物体领域。

附图说明

图1本发明的结构示意图；

图2手指嵌套结构示意图；

图3供电部分惠斯通电桥电路图；

图4抓握效果示意图。

其中：1、液晶弹性体2、仿生应变传感器3、聚酰亚胺薄膜加热器4、弹性绝缘底板5、供电部分6、放大电路模块7、控制模块

具体实施方式

本发明是在对液晶弹性体和仿生应变传感器的机理研究基础上，研发的柔性机械手。液晶弹性体引用的是advancedmaterials中的一篇文章(wangc,simk,chenj,etal.softultrathinelectronicsinnervatedadaptivefullysoftrobots[j].advancedmaterials,2018,30(13):1706695.)的制备方法，仿生应变传感器使用的是nanoscale中的一篇文章(hanz,liul,zhangj,etal.high-performanceflexiblestrainsensorwithbio-inspiredcrackarrays.[j].nanoscale,2018.)所述的传感器。

请参阅图1，本发明的机械手应用一种新型仿生应变传感器(3cm宽，1cm长)在手心处组成1*5阵列对外界物品的大小、重量进行感知，该仿生应变传感器是仿生蝎子体表缝感知机理研制而成，具有超敏、稳定、柔软、廉价等特征，适合于模仿人体手部皮肤的触觉感知；该机械手整体是由液晶弹性体1(liquidcrystalelastomer,lce)、仿生应变传感器2、聚酰亚胺薄膜加热器3、弹性绝缘底板4、供电部分5、放大电路模块6、控制模块7构成，液晶弹性体1与弹性绝缘底板4嵌套装配成一体，形成手型结构；手掌根部是供电部分5，仿生应变传感器组成的阵列粘贴在弹性绝缘底板4，手指根部放置放大电路模块，对应放大电路的背部(手背上部)是控制模块7，所述控制模块7为单片机；液晶弹性体1作为整只手的构造材料，在手指的第一指间关节、第二指间关节和掌指关节处分别嵌入聚酰亚胺薄膜加热器3，每一片聚酰亚胺薄膜加热器的两根导线都连接在单片机上。

当有不同质量的物体放在手心处的仿生应变传感器阵列上时，仿生应变传感器受力产生形变，每一个仿生应变传感器自身的电阻都会发生变化，由于每一个仿生应变传感器都连接进一个惠斯通电桥电路中，根据惠斯通电桥的特点，输出端是变化的电压，所以，当有不同质量的物体放在手心处的仿生应变传感器阵列上时，会产生5个变化的电压值。首先将这5个电压的变化值通过放大电路进行放大，然后经过ad转换传输给单片机，再通过单片机的pwm口输出稳定的电压。接收到对物体感知的电压信号后，对放置于手指关节处的聚酰亚胺薄膜加热器进行开启状态控制，使加热器加热，进而对lce加热。根据lce的特性，受热部位将会产生弯曲。当物体的质量越大时，单片机pwm的占空比将会改变，对lce加热的速度将会提升，从而使得lce弯曲效果更明显，以此实现对不同质量物体的抓握。

手指部分液晶弹性体和聚酰亚胺薄膜加热器嵌套示意图如图2所示。将加热片嵌套在lce中，并在其上方附上聚酰亚胺薄膜，起到绝缘作用。

本发明的工作和原理：

如图3所示，r1、r2、r3阻值固定，rx是仿生应变传感器的电阻，设供电部分供电电压为vcc，通过欧姆定律可以计算出每个电阻两端的电压，在r1、rx两个桥臂上，r1、rx将vcc电压分压，rx两端得到的电压设为v1，同理r3在分压后两端得到的电压设为v2。

设v1和v2的电压差为δv：

由此可以看出，如果四个电阻阻值都相等，那么δv＝0，即电桥处于平衡状态。

在本发明中，首先将r1、r2、r3阻值固定，将rx的位置连接上仿生应变传感器，仿生应变传感器两端均已留出导线。仿生应变传感器在手心处组成1*5阵列对外界物品的大小、重量进行感知，当有不同质量的物体放在手心处的仿生应变传感器阵列上时，仿生应变传感器受力产生形变，每一个仿生应变传感器自身的电阻都会发生变化，由于每一个仿生应变传感器都连接进一个惠斯通电桥电路中，根据惠斯通电桥的特点，输出端是变化的电压(δv)。所以，当有不同质量的物体放在手心处的仿生应变传感器阵列上时，会产生5个δv。首先将这5个δv通过放大电路进行放大，然后经过ad转换传输给单片机，再通过单片机的pwm口输出稳定的电压。接收到对物体感知的电压信号后，对放置于手指关节处的聚酰亚胺薄膜加热器进行开启状态控制，使加热器加热，进而对lce加热。根据lce的特性，受热部位将会产生弯曲。当物体的质量越大时，单片机pwm的占空比将会改变，对lce加热的速度将会提升，从而使得lce弯曲效果更明显，以此实现对不同质量物体的抓握。抓握效果如图4所示。