[发明专利]一种基于SMA驱动的模块化仿人手

说明书

技术领域

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。

发明内容

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。