[发明专利]一种基于激光局域改性的集成式人工关节及其应用

说明书

本发明公开了一种基于激光局域改性的集成式人工关节及其应用，属于柔性机器人技术领域，本发明以石墨烯氧化物/金纳米棒复合物薄膜和聚合物薄膜构成的双层薄膜作为柔性机械手的类肌肉组织原材料，利用激光局域改性还原机械手每个指骨关节处的石墨烯氧化物，使得这些关节位置的双层薄膜直接转化为光驱动器，从而获得多个可独立进行光驱动的、集成式的人工关节，实现对柔性机械手的基本运动和力学功能控制。所述人工关节为一片式手型双层薄膜结构，由关节驱动器和肌肉支撑区组成；所述的关节驱动器包括下层的光驱动触发层和上层的聚合物薄膜，位于仿人手设计的相应指关节位置；所述的肌肉支撑区包括下层的光驱动非触发层和上层的聚合物薄膜。

技术领域

本发明属于柔性机器人技术领域，具体涉及利用还原的石墨烯氧化物/金纳米棒复合物薄膜与聚合物薄膜构成光驱动的集成式人工关节，并通过激光对多个人工关节进行独立、灵活的驱动，从而实现具备人手的基本功能的柔性机械手。

技术背景

柔性机器人是机器人的一类重要分支。相比于传统的金属等刚性材料构成的机器人，柔性机器人具有易变形(弯曲、折叠和膨胀等)、易复原以及对各种工作环境良好适应性和对人体的安全性等优势。可见，柔性机器人对传统机器人在特性和功能上具有显著的互补性，能够覆盖并填补很多传统机器人受限的应用领域，包括生物医学、传感器和仿生学等方面。

目前，用于加工柔性机器人的材料主要有水凝胶、聚合物和人造橡胶等柔性材料。而为了实现柔性机器人最基本的运动和各种力学功能，可用的外部驱动力可以是电、磁、光、热、湿度等单一刺激乃至双重刺激。然而，考虑到机器人的每个组成部件的运动自由度和各种基本力学功能的相应复杂度，要实现对这些部件的独立控制则意味着必须装载大量驱动器并一一实施控制驱动。比如，以最常见的机械手型机器人为例，需要在各个指骨关节处设置驱动器(至少15个)并进行独立的驱动控制，才能实现类似人手最基本的运动和功能(手指移动、弯曲和抓握等)。现有的柔性机器人技术多采用在需要控制的节点或部件处逐一设置驱动器，然后再以通路(电路或气路)对各个驱动器进行连通并进行集中驱动控制。基于此种“驱动器-通路”设计的柔性机器人往往具有结构复杂、控制不够灵活和工艺繁琐等问题，利用现有技术难以解决。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种基于激光局域改性的集成式人工关节。以石墨烯氧化物/金纳米棒复合物薄膜和聚合物薄膜构成的双层薄膜作为柔性机械手的类肌肉组织原材料，利用激光局域改性还原机械手每个指骨关节处的石墨烯氧化物，使得这些关节位置的双层薄膜直接转化为光驱动器，从而获得多个可独立进行光驱动的、集成式的人工关节，实现对柔性机械手的基本运动和力学功能控制。

本发明通过如下技术方案实现：

一种基于激光局域改性的集成式人工关节，所述人工关节为一片式手型双层薄膜结构，由关节驱动器1和肌肉支撑区2组成；

其中，所述的关节驱动器1包括下层的光驱动触发层3和上层的聚合物薄膜5，位于仿人手设计的相应指关节位置，用于控制每根柔性机械手指的运动和形变；

所述的肌肉支撑区2包括下层的光驱动非触发层4和上层的聚合物薄膜5，起到支撑、连接和集成各个关节驱动器2的人工肌肉的作用。

进一步地，所述光驱动非触发层4为石墨烯氧化物/金纳米棒复合物薄膜，所述光驱动触发层3为经由激光局域改性得到的还原的石墨烯氧化物/金纳米棒复合物薄膜，其中，光驱动触发层3及光驱动非触发层4中的石墨烯氧化物与金纳米棒的质量比为3.25:1-8.12:1，光驱动触发层3的膜厚为1-2μm，光驱动非触发层4的膜厚2-10μm。

进一步地，所述聚合物薄膜5的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，膜厚为10-50μm。

进一步地，所述的关节驱动器1的数目为14-22个，分别位于五根手指的各个指关节处。