[发明专利]一种具有触觉感知功能的气动式软体机械手

说明书

本发明公开了一种具有触觉感知功能的气动式软体机械手，是由电热相变执行器、软体机械手和柔性触觉传感单元三部分构成，电热相变执行器内设置有柔性加热膜和液态相变材料。本发明通过对柔性加热膜通电加热使液态相变材料蒸发，以调控电热相变执行器基体内部空腔的压强，从而动态调节软体机械手的弯曲状态，以完成抓取操作；同时，柔性触觉传感单元用以感知软体机械手抓取目标过程中抓取力的时变信息，并以其作为调节软体机械手弯曲状态的反馈源，从而形成闭环反馈控制；本发明的结构整体具有柔性，为机器人灵巧手实现安全、智能抓取提供了可行性方案。

技术领域

本发明属于软体机器人和传感器领域，主要应用于智能机器人完成安全、灵巧抓取，具体涉及一种具有触觉感知功能的气动式软体机械手。

背景技术

近年来，柔性材料在软体机械手设计制造中的应用引起了国内外学者的广泛关注，并得到了不断的研究。随着社会发展，人们在诸多领域对仿人手机械装置提出了新的要求，包括人-机、机-环境交互的安全性、友好性以及灵活性等。例如在对外形多变、表面易碎物体(水果、蔬菜和生物组织等)的分拣中，在对中风患者的医疗康复和辅助助力器械的设计中，以及在辅助手术等医疗器械中均要求相应的操作设备具有更高的柔顺性、绝对的安全性、更好的人机交互性等。软体机械手充分利用和发挥各种柔性材料包括橡胶、聚合物、智能材料、多功能材料等天然的柔顺性，及其非线性、粘弹性和迟滞特性等在软体机械手运动和控制中潜在的“机械智能”作用，从而降低控制的复杂度，实现高灵活性和良好的交互性。软体机械手与刚性机械手最大的区别就是本体材料是柔性的，由于软材料比刚性材料具有更加复杂丰富的响应特性，这不仅带来功能上的灵活性和顺应性，在软体机械手的设计和控制方法上也具有了更多可能。作为软体机器人领域的一个分支，软体机械手正在迅速发展，凭借良好的柔性、安全性以及复杂环境适应性等性能优势，必将在生产生活的诸多领域发挥重要应用价值。

哈佛大学Ahmad Rafsanjani等人仿生蛇皮表面结构，采用气体驱动方式使人造蛇皮向前移动，当空气被泵入管内时，机器人会膨胀，从而使得鳞片弹出，锚定在表面上，并将机器人驱动向前。研究人员指出，人造蛇皮可以抵抗像沥青和混凝土这样的粗糙表面，将来，这些机器人可能会缩小并用于在动脉内输送药物，或者需要机器人在狭窄空间内爬行的灾难场景中。哈佛大学Connor Walsh等人研发的可穿戴康复软体机器人，采用的是一种人造气动肌肉，其本身是一种橡胶材料，肌肉内部有不同形状的空腔，通过气泵对肌肉充气就能使其形变来模仿人手的活动，目的是为了帮助残疾人和行动不便的人康复或是作为辅助设备长期穿戴。多伦多大学徐天启等人将磁性元素钕粒子嵌入到柔性材料中，使用一对强力的磁铁来翻转机器人特定部位钕的极性，并用紫外线照射将这些粒子锁定在相应的位置，类似于花瓣开合的机器人，研究人员通过控制它的开合状态以及滚动方向来达到搬运指定物品的效果。Walsh团队通过引入纤维限制应变层对气动手指的变形进行控制，研制出可实现多种基本变形的气动结构，并制作出可辅助患者进行手部特别任务训练的软体机械手。日本研究人员Nagase等人通过将气动驱动器和拉线结合起来，设计出一款可变刚度的软体机械手，该软体机械手可以通过调节表面刚度实现对不同物体的抓取，特别是对表面柔软物体的抓取。韩国Cho研究组通过对柔性本体拉线外骨骼手套的研究，研发出多种可用于辅助助力以及康复应用的软体机械手。国内也有高校开展了对软体机械手的研究。其中，香港大学研究人员Yang等人通过将形状记忆聚合物(Shape Memory Polyer,SMP)和气动柔性驱动器相结合，研制出一个可变刚度的气动软体抓手。浙江工业大学张立彬等人将气动人工肌肉作为驱动器应用于灵巧手的设计中，并对该局部柔性的灵巧手进行了研究。