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一種形狀記憶合金驅動的靈巧手的制作方法

文檔序號:2312189閱讀:303來源:國知局
專利名稱:一種形狀記憶合金驅動的靈巧手的制作方法
技術領域
本發明屬于機器人技術領域,特別涉及一種形狀記憶合金驅動的靈巧手。
背景技術
人的手指主要由前臂中的肌肉群控制,這些肌肉上附有的肌腱由腱鞘包裹后延伸到手指末端。一般每個關節的屈伸動作均由兩塊相對的肌肉控制,肌肉收縮后通過肌腱將運動傳遞到關節上。現有人工肌肉驅動型的靈巧手基本上都是將能產生收縮運動的人工肌肉安裝在前臂內,通過人工肌腱帶動遠端手指的轉動。這種設計方法會帶來兩個主要問題,首先,由于手指的自由度較多,帶動遠端關節旋轉的人工肌腱需要穿過手腕、手掌和手指連接到遠端指骨上。曲折的路徑使得摩擦力增大,關節耦合嚴重,路徑布置復雜。其次,靈巧手附帶有笨重的前臂是其安裝到負載較小的機械臂末端的最大障礙。從電機驅動類的靈巧 手發展歷程來看,靈巧手都朝著模塊化方向發展。微型電機驅動能力越來越強大,研究人員盡量將驅動器安裝到手指或者手掌內部來設計靈巧手,這樣緊湊的靈巧手安裝更方便,適用范圍更廣。現在,國內外將形狀記憶合金(SMA)驅動方式用到靈巧手上還處于起步階段。加拿大維多利亞大學機械工程系設計的手指采用Miga Motor公司生產的形狀記憶合金驅動器,將驅動器外置,采用腱傳動方式比較笨重和繁瑣。而麻省理工設計的五指機器人手龐大的驅動設備更是限制了其使用范圍。實際上形狀記憶合金金屬絲本身體積很小,可以集傳感、驅動、傳動于一體,完全可以將其內置到手指和手掌內部開發出緊湊的靈巧手。本發明將形狀記憶合金金屬絲內置到靈巧手的手指和手掌中直接驅動手指關節,省去了中間的傳動機構,使得靈巧手結構簡單緊湊,體積小,重量輕。

發明內容
本發明為了克服現有腱傳動方式和龐大的驅動設備的缺陷與不足,提供一種形狀記憶合金驅動的靈巧手。形狀記憶合金驅動的靈巧手包括第一根手指、第二根手指、第三根手指、手掌、控制系統,第一根手指、第二根手指、第三根手指結構相同,在手掌上設有第一根手指、第二根手指、第三根手指,所述手指包括順次連接的遠指節骨、中指節骨和近指節骨,每根手指具有3個自由度,遠端指骨間關節實現遠指節骨的屈伸運動,近端指骨間關節實現手指的側擺運動,掌指關節實現整個手指的屈伸運動,遠指節骨包括指尖、Ml. 6X4螺絲、第一連接件,指尖經Ml. 6X4螺絲與第一連接件相連,中指節骨包括滑塊、SMA金屬絲、壓縮彈簧、金屬導軌、關節軸、關節軸承、Ml. 6X4螺絲、滑輪組、第一支架、第二支架、上部固定隔板、下部固定隔板,兩塊第一支架互相平行放置,通過四個滑輪組相連,上部固定隔板和下部固定隔板均通過Ml. 6X4螺絲固定在兩塊第一支架上,四根金屬導軌安裝在上部固定隔板和下部固定隔板之間,每根金屬導軌上套有一個壓縮彈簧和一塊滑塊,兩塊第一支架的一端通過Ml. 6X4螺絲連接著兩塊平行放置的第二支架上,第一支架的另一端嵌有一個關節軸承和一根關節軸,第二支架上嵌有關節軸承和關節軸,四根SMA金屬絲一端固定在四塊滑塊上,跨過滑輪組上的尼龍外套后,其中兩根SMA金屬絲的另一端固定在第一連接件上,另外兩根SMA金屬絲的另一端固定在第二連接件上;近指節骨包括關節軸、關節軸承、Ml. 6X4螺絲、第二連接件和第三連接件,第二連接件通過Ml. 6X4螺絲和第三連接件相連,兩個關節軸承通過關節軸與第三連接件相連;所述手掌包括SMA金屬絲、壓縮彈簧、金屬導軌、滑輪組、固定橫杠、第三支架、M2. OXlO螺絲,每兩塊第三支架通過四個滑輪組并排連接,六塊第三支架由并列的兩根固定橫杠通過M2. 0X10螺絲固定,并排的六根金屬導軌安裝在兩根固定橫杠的中間,每根金屬導軌上套有一個壓縮彈簧和一塊滑塊,六根SMA金屬絲一端固定在六塊滑塊上,跨過滑輪組上的尼龍外套后,SMA金屬絲的另一端固定在第三連接件上。所述控制系統包括Windows PC、實時控制器、1\0模塊、驅動電路、SMA金屬絲和角度傳感器;Windows PC和實時控制器通過網絡接口進行通信,1\0模塊位于嵌入式機箱內與實時控制器相連,Windows PC通過網絡接口向實時控制器發送指令,實時控制器控制輸出控制信號經驅動電路直接驅動SMA金屬絲,角度傳感器的反饋信號經驅動電路傳回給實時控制器。 所述的驅動電路包括光耦4N25、非門74LS14、L9110和2K歐姆電阻組成;4N25的第一引腳通過2K歐姆電阻連接到控制器輸出端,第二引腳、第四引腳接地,第三引腳、第六引腳懸空,第五引腳通過2K歐姆上拉電阻輸出到74LS14的第一引腳和L9110的第七引腳,74LS14的第二引腳連接到L9110的第六引腳,74LS14的第七引腳接地,第14引腳接電源,L9110的第二引腳和第三引腳電源,第五引腳和第八引腳接地,第一引腳和第四引腳分別與驅動同一關節正向和反向的兩根SMA金屬絲相連。本發明與背景技術相比,具有的有益效果是
I.本發明將形狀記憶合金金屬絲內置到靈巧手的手指和手掌中直接驅動手指關節,省去了中間的傳動機構,大大減小靈巧手的體積和重量。2.本發明結構簡單緊湊,體積小,重量輕,適合作為輕負載機械手臂的末端執行器實現對不同形狀、尺寸的物體的靈巧抓取和精細操作。


圖I是形狀記憶合金驅動的靈巧手結構示意 圖2是本發明的回旋機構驅動方式示意 圖3(a)是本發明的滑輪和尼龍外套結構示意 圖3(b)是本發明的滑輪轉軸結構示意 圖4是本發明的遠指節骨裝配示意 圖5是本發明的中指節骨裝配示意 圖6是本發明的近指節骨裝配示意 圖7是本發明的手掌裝配示意 圖8是本發明的驅動電路原理 圖9是本發明的控制系統結構示意 圖中,第一根手指I、第二根手指2、第三根手指3、手掌4、遠指節骨5、中指節骨6、近指節骨7、掌指關節8、近端指骨間關節9、遠端指骨間關節10、角度傳感器11、滑塊12、SMA金屬絲13、壓縮彈簧14、金屬導軌15、滑輪16、尼龍外套17、滑輪轉軸18、關節軸19、關節軸承20、指尖21、Ml. 6X4螺絲22、第一連接件23、滑輪組24、第一支架25、第二支架26、上部固定隔板27、下部固定隔板28、第二連接件29、第三連接件30、固定橫杠31、第三支架32、M2. 0X10螺絲33,驅動電路34,Windows PC 35,實時控制器36,1\0模塊37。
具體實施例方式如圖I 7所示,形狀記憶合金驅動的靈巧手包括第一根手指I、第二根手指2、第三根手指3、手掌4、控制系統,第一根手指I、第二根手指2、第三根手指3結構相同,在手掌4上設有第一根手指I、第二根手指2、第三根手指3,所述手指包括順次連接的遠指節骨5、中指節骨6和近指節骨7,每根手指具有3個自由度,遠端指骨間關節10實現遠指節骨的屈伸運動,近端指骨間關節9實現手指的側擺運動,掌指關節8實現整個手指的屈伸運動,遠指節骨5包括指尖21、M1. 6X4螺絲22、第一連接件23,指尖21經Ml. 6X4螺絲22與第一連接件23相連,中指節骨6包括滑塊12、SMA金屬絲13、壓縮彈簧14、金屬導軌15、關節軸19、關節軸承20、Ml. 6X4螺絲22、滑輪組24、第一支架25、第二支架26、上部固定隔板27、 下部固定隔板28,兩塊第一支架25互相平行放置,通過四個滑輪組24相連,上部固定隔板27和下部固定隔板28均通過Ml. 6X4螺絲22固定在兩塊第一支架25上,四根金屬導軌15安裝在上部固定隔板27和下部固定隔板28之間,每根金屬導軌15上套有一個壓縮彈簧14和一塊滑塊12,兩塊第一支架25的一端通過Ml. 6X4螺絲22連接著兩塊平行放置的第二支架26上,第一支架25的另一端嵌有一個關節軸承20和一根關節軸19,第二支架26上嵌有關節軸承20和關節軸19,四根SMA金屬絲13 —端固定在四塊滑塊12上,跨過滑輪組24上的尼龍外套17后,其中兩根SMA金屬絲13的另一端固定在第一連接件23上,另外兩根SMA金屬絲13的另一端固定在第二連接件29上;近指節骨7包括關節軸19、關節軸承20、Ml. 6X4螺絲22、第二連接件29和第三連接件30,第二連接件29通過Ml. 6X4螺絲22和第三連接件30相連,兩個關節軸承20通過關節軸19與第三連接件30相連;所述手掌4包括SMA金屬絲13、壓縮彈簧14、金屬導軌15、滑輪組24、固定橫杠31、第三支架32、M2. 0X10螺絲33,每兩塊第三支架32通過四個滑輪組24并排連接,六塊第三支架32由并列的兩根固定橫杠31通過M2. 0X10螺絲33固定,并排的六根金屬導軌15安裝在兩根固定橫杠31的中間,每根金屬導軌15上套有一個壓縮彈簧14和一塊滑塊12,六根SMA金屬絲13 —端固定在六塊滑塊12上,跨過滑輪組24上的尼龍外套17后,SMA金屬絲13的另一端固定在第三連接件30上。如圖8所示,所述的驅動電路34包括光耦4N25、非門74LS14、L9110和2K歐姆電阻;4N25的第一引腳通過2K歐姆電阻連接到控制器輸出端,第二引腳、第四引腳接地,第三引腳、第六引腳懸空,第五引腳通過2K歐姆上拉電阻輸出到74LS14的第一引腳和L9110的第七引腳,74LS14的第二引腳連接到L9110的第六引腳,74LS14的第七引腳接地,第14引腳接電源,L9110的第二引腳和第三引腳電源,第五引腳和第八引腳接地,第一引腳和第四弓丨腳分別與驅動同一關節正向和反向的兩根SMA金屬絲13相連。如圖9所示,所述控制系統包括Windows PC 35、實時控制器36、1\0模塊37、驅動電路34、SMA金屬絲13和角度傳感器11 ;ffindows PC 35和實時控制器36通過網絡接口進行通信,1\0模塊37位于嵌入式機箱內與實時控制器36相連,Windows PC 35通過網絡接口向實時控制器36發送指令,實時控制器36控制輸出控制信號經驅動電路34直接驅動SMA金屬絲13,角度傳感器11的反饋信號經驅動電路34傳回給實時控制器36。本發明的工作過程如下=Windows PC通過網絡接口向實時控制器發送指令,實時控制器控制DO模塊輸出PWM控制信號給驅動電路,進入驅動電路的PWM控制信號經光耦隔離并通過74LS14邏輯取反后得到兩路互補的PWM信號,該PWM信號作為推挽式功率放大器L9110的輸入信號,L9110的輸出信號與每個關節驅動機構的SMA金屬絲兩端相連,直接驅動SMA金屬絲;每個關節軸的一端削去一部分嵌入角度傳感器的內孔中,角度傳感器的反 饋信號經驅動電路板傳回給Al模塊,SMA金屬絲受熱收縮,致使滑塊受SMA金屬絲的拉力和壓縮彈簧壓縮后產生的彈性力而保持平衡,而相應的關節轉過相應的角度。
權利要求
1.一種形狀記憶合金驅動的靈巧手,其特征在于包括第一根手指(I)、第二根手指(2)、第三根手指(3)、手掌(4)、控制系統,第一根手指(I)、第二根手指(2)、第三根手指(3)結構相同,在手掌(4)上設有第一根手指(I)、第二根手指(2)、第三根手指(3),所述手指包括順次連接的遠指節骨(5 )、中指節骨(6 )和近指節骨(7 ),每根手指具有3個自由度,遠端指骨間關節(10)實現遠指節骨的屈伸運動,近端指骨間關節(9)實現手指的側擺運動,掌指關節(8)實現整個手指的屈伸運動,遠指節骨(5)包括指尖(21)、M1. 6X4螺絲(22)、第一連接件(23),指尖(21)經Ml. 6X4螺絲(22)與第一連接件(23)相連,中指節骨(6)包括滑塊(12)、SMA金屬絲(13)、壓縮彈簧(14)、金屬導軌(15)、關節軸(19)、關節軸承(20)、Ml.6X4螺絲(22)、滑輪組(24)、第一支架(25)、第二支架(26)、上部固定隔板(27)、下部固定隔板(28),兩塊第一支架(25)互相平行放置,通過四個滑輪組(24)相連,上部固定隔板(27)和下部固定隔板(28)均通過Ml. 6X4螺絲(22)固定在兩塊第一支架(25)上,四根金屬導軌(15)安裝在上部固定隔板(27)和下部固定隔板(28)之間,每根金屬導軌(15)上套有一個壓縮彈簧(14)和一塊滑塊(12),兩塊第一支架(25)的一端通過Ml. 6X4螺絲(22)連接著兩塊平行放置的第二支架(26 )上,第一支架(2 ) 5的另一端嵌有一個關節軸承(20 )和一根關節軸(19),第二支架(26)上嵌有關節軸承(20)和關節軸(19),四根SMA金屬絲(13) —端固定在四塊滑塊(12)上,跨過滑輪組(24)上的尼龍外套(17)后,其中兩根SMA金屬絲(13)的另一端固定在第一連接件(23)上,另外兩根SMA金屬絲(13)的另一端固定在第二連接件(29)上;近指節骨(7)包括關節軸(19)、關節軸承(20)、Ml. 6X4螺絲(22)、第二連接件(29 )和第三連接件(30 ),第二連接件(29 )通過Ml. 6X4螺絲(22 )和第三連接件(30 )相連,兩個關節軸承(20)通過關節軸(19)與第三連接件(30)相連;所述手掌(4)包括SMA金屬絲(13)、壓縮彈簧(14)、金屬導軌(15)、滑輪組(24)、固定橫杠(31)、第三支架(32)、M2.0X10螺絲(33),每兩塊第三支架(32)通過四個滑輪組(24)并排連接,六塊第三支架(32)由并列的兩根固定橫杠(31)通過M2. 0X10螺絲(33)固定,并排的六根金屬導軌(15)安裝在兩根固定橫杠(31)的中間,每根金屬導軌(15)上套有一個壓縮彈簧(14 )和一塊滑塊(12 ),六根SMA金屬絲(13 ) —端固定在六塊滑塊(12 )上,跨過滑輪組(24)上的尼龍外套(17 )后,SMA金屬絲(13)的另一端固定在第三連接件(30)上。
2.根據權利要求I所述的一種形狀記憶合金驅動的靈巧手,其特征在于所述控制系統包括Windows PC (35)、實時控制器(36)、1\0模塊(37)、驅動電路(34)、SMA金屬絲(13)和角度傳感器(11) ;WindowS PC (35)和實時控制器(36)通過網絡接口進行通信,1\0模塊(37)位于嵌入式機箱內與實時控制器(36)相連,Windows PC (35)通過網絡接口向實時控制器(36)發送指令,實時控制器(36)控制輸出控制信號經驅動電路(34)直接驅動SM金屬絲(13),角度傳感器(11)的反饋信號經驅動電路(34)傳回給實時控制器(36)。
3.根據權利要求I所述的一種形狀記憶合金驅動的靈巧手,其特征在于所述的驅動電路(34)包括光耦4N25、非門74LS14、L9110和2K歐姆電阻組成;4N25的第一引腳通過2K歐姆電阻連接到控制器輸出端,第二引腳、第四引腳接地,第三引腳、第六引腳懸空,第五引腳通過2K歐姆上拉電阻輸出到74LS14的第一引腳和L9110的第七引腳,74LS14的第二引腳連接到L9110的第六引腳,74LS14的第七引腳接地,第14引腳接電源,L9110的第二引腳和第三引腳電源,第五引腳和第八引腳接地,第一引腳和第四引腳分別與驅動同一關節正向和反向的兩根SMA金屬絲(13)相連。
全文摘要
本發明公開了一種形狀記憶合金驅動的靈巧手。它由三根結構相同的手指、一只手掌和控制系統構成。手指由遠指節骨、中指節骨和近指節骨構成。掌指關節實現整個手指的屈伸運動,近端指骨間關節實現手指的側擺運動,遠端指骨間關節實現遠指節骨的屈伸運動。三指共計9個關節自由度,每個關節均由兩根形狀記憶合金金屬絲構成的回旋機構實現正反雙向驅動。控制系統由WindowsPC、實時控制器、I\O模塊、驅動電路和角度傳感器組成。本發明將形狀記憶合金金屬絲內置到靈巧手的手指和手掌中直接驅動手指關節,省去了中間的傳動機構。此靈巧手結構簡單緊湊,體積小,重量輕,適合作為輕負載機械手臂的末端執行器實現對不同形狀、尺寸的物體的靈巧抓取和精細操作。
文檔編號B25J15/10GK102873690SQ201210369429
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月27日 優先權日2012年9月27日
發明者吳鐵軍, 文雙全, 劉山, 張黎 申請人:浙江大學
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