[实用新型]基于形状记忆合金柔体智能数字复合结构的仿人灵巧手

说明书

技术领域

本实用新型涉及智能材料和机器人的技术领域，具体涉及一种基于SMA柔体智能数字复合结构的仿人灵巧手。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，机器人在人类的工业生产和日常生活中扮演着越来越重要的角色。机器人已经不仅仅局限于制造环境下应用的工业机器人，在工业生产中从事长时间、重复单调的作业，诸如喷涂机器人、焊接机器人和装配机器人等。作为当前机器人的另一大分支——非制造环境下应用的服务机器人也发挥着越来越重要的作用，这些机器人在个人/家用以及专用服务领域充当着重要角色，包括家庭作业、休闲娱乐、残障辅助、医用、国防安全、物流用途等方面。随着机器人应用需求的上升，国务院颁布的《中国制造2025》指出将机器人作为十大重点领域之一，未来十年，我国机器人的发展将迎来一个高潮。

早期的灵巧手主要是作为假肢或者简单的末端夹具操作器，1962年由Tomovic和Boni设计的Belgrade手被认为是最早的灵巧手。自20世纪70年代开始，机器人多指灵巧手的系统研究开始在国际上进行。在灵巧手研究早期出现了很多优秀的研究成果，例如Okada灵巧手、Stanford/JPL灵巧手，Utah/MIT灵巧手和Hitachi手等，这些研究成果都对后来灵巧手的研究发展起到了非常重要的指导作用。上述的灵巧手整体表现为刚性，手指驱动一般采用腱传动，间接传递运动及动力到手指的对应关节。驱动方式模仿人类手指关节的驱动机理，可以减轻执行系统的重量，但是不容易建立末端执行器的运动学和动力学模型，影响对执行器的控制，此外，传统刚性执行器表现为结构复杂，运动形式单一，价格昂贵等缺点。

因此，仿人灵巧手这一概念被科研工作者提出。由于仿人灵巧手具有很好的柔顺性和安全性，在服务机器人领域具有很好的应用前景。仿人灵巧手的驱动方式主要有气压、液压、绳索(腱)等方式，气压输出力较大，过载保护好，但是灵敏度差，位置控制较复杂；液压具有很强的稳定性和可靠性，但是易泄露，不适用于远距离操作；绳索驱动使得灵巧手结构简单，质量轻，但是运动灵活性和精度较差。

实用新型内容

本实用新型目的在于：提供一种基于形状记忆合金(SMA)柔体智能数字复合结构的仿人灵巧手。该灵巧手具有外形和动作仿真度高、成本低、安全性及兼容性良好且可控性强等优点。仿人灵巧手可以与特定的模仿人的手部尺寸和形状完全一致，此外，其运动方式及运动自由度同样与人类手特征一致，因而，所述仿人灵巧手能够高度仿真人手的运动及其在抓取物品的灵活性和适应性。该灵巧手可用作服务机器人、仿人机器人的智能操作手以及残障人士的智能假肢，可应用于易碎物品的操作、电影道具以及危险环境(生化，核辐射等)下的人机联动操作。仿人灵巧手外层完全由柔性材料包裹，触感与人皮肤相似，安全性高且动作柔顺，可实现类人行为手势、抓取物品和快速敲击等动作。该灵巧手可用作服务机器人、仿人机器人的智能操作手以及残障人士的智能假肢，具有广阔的应用前景。

本实用新型采用的技术方案为：一种基于形状记忆合金(SMA)柔体智能数字复合结构的仿人灵巧手，所述仿人灵巧手由五个不同尺寸SMA柔性智能数字复合结构、柔性包裹材料组成，每个SMA-柔性智能数字复合结构的尺寸均对应人手的一个手指及其掌骨，所述SMA柔体智能复合结构有两段组成，一段是刚性结构，仿照人手的掌骨结构；另一段是柔性变形结构，仿照人手的手指部分，所述SMA柔体智能数字复合结构由3D掌骨、智能数字驱动骨架、弹性薄板及柔性包裹材料组成，所述SMA柔体智能数字复合结构由智能数字驱动骨架、薄板及柔性包裹材料组成，能够实现自反馈控制与数字化的弯曲运动，所述数字化弯曲运动是在SMA柔性智能数字复合结构中，SMA丝有多组且每组均能够独立工作；通过加热不同数量的SMA丝，能够实现SMA柔性智能数字复合结构的不同幅度和不同力度的输出，所述定位板中间有若干SMA丝定位孔，另一方面，定位板也被用于连接SMA柔体智能数字复合结构和3D掌骨。

其中，所述仿人灵巧手不仅在外形上与人手仿真度高，其内部结构设计也源于对人手的手骨、肌肉及关节的仿生研究；仿人灵巧手的外形尺寸完全与人手尺寸、外形一致。

其中，所述柔性仿人灵巧手是一种融合了形状记忆合金智能材料、3D扫描和3D打印、模型浇铸和智能数字式反馈控制的结构，柔性仿人灵巧手的外形与人手完全一致，表面柔软安全性高，通过数字化及自反馈控制可实现抓握幅度、力的控制，此外，采用多层SMA丝驱动及分布式布置SMA丝，柔性仿人灵巧手可实现可控动作输出。