一種基于ipmc電致動材料簡化結(jié)構(gòu)多自由度機械抓手的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種基于IPMC電致動材料簡化結(jié)構(gòu)多自由度機械抓手，當(dāng)施加電激勵信號，電信號經(jīng)由組合電極傳遞給旋轉(zhuǎn)盤上表面的六條IPMC肌肉條，協(xié)同配合彎曲驅(qū)動，作用力通過驅(qū)動支撐傳遞至驅(qū)動支架，經(jīng)由驅(qū)動支架傳遞至旋轉(zhuǎn)盤上，產(chǎn)生繞旋轉(zhuǎn)盤表層驅(qū)動單向轉(zhuǎn)矩，使得旋轉(zhuǎn)盤繞著軸實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動輸出；在電激勵信號下，驅(qū)動抓取部件處的IPMC肌肉條經(jīng)由組合電極電流供應(yīng)，帶動驅(qū)動支架的關(guān)節(jié)運動，兩個關(guān)節(jié)間可以獨立控制，且三個抓手間實現(xiàn)協(xié)調(diào)、配合，完成整個抓取過程。本發(fā)明設(shè)計符合節(jié)能環(huán)保的綠色設(shè)計理念；各個驅(qū)動關(guān)節(jié)獨立控制，提高了機械抓手抓取的靈活性。
【專利說明】—種基于IPMC電致動材料簡化結(jié)構(gòu)多自由度機械抓手
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種機械人，具體地說是機械手結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，工業(yè)機械手的研究獲得國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注，其能夠高效率、高質(zhì)量完成重復(fù)性作業(yè)任務(wù)，減輕人工勞動以提高工業(yè)產(chǎn)值，而且，在一些特殊工作機器人領(lǐng)域的應(yīng)用等方面的實踐特性，使得工業(yè)機械手在工業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要角色。現(xiàn)階段，無論是工業(yè)機械手或者微型機械手的開發(fā)，都并未脫離電機驅(qū)動及復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)無可避免的造成機械手的重量增加、能耗加大，同時，增大的加工的制造成本，為安裝帶來極大的不便，這些因素使得研究一種簡化架構(gòu)的機械抓手凸顯出重要的研究意義；離子聚合物金屬復(fù)合材料(IPMC)是一種新型的智能材料，在電激勵下能夠提供較大變形，與電機驅(qū)動不同，IPMC可以直接實現(xiàn)力的線性輸出，該特性具有重要的應(yīng)用價值，雖然目前很多研究機構(gòu)針對于智能材料的驅(qū)動抓手研究的較多，然而，大部分研究只是局限于將驅(qū)動材料兩片組合直接應(yīng)用于抓取，這類結(jié)構(gòu)設(shè)計僅可以實現(xiàn)單自由度的驅(qū)動，無法滿足后期應(yīng)用開發(fā)時對機械手的使用要求，對于機械抓手的研究領(lǐng)域也凸顯了極大的缺陷。為了改變智能材料單自由度驅(qū)動的局限性，同時，克服復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的存在的顯著缺陷，因此，設(shè)計一種基于IPMC電致動材料驅(qū)動，簡化結(jié)構(gòu)且能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)、抓取動作的多自由度機械手，顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供可以實現(xiàn)驅(qū)動關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)及抓取動作的一種基于IPMC電致動材料簡化結(jié)構(gòu)多自由度機械抓手。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0005]本發(fā)明一種基于IPMC電致動材料簡化結(jié)構(gòu)多自由度機械抓手，其特征是:包括旋轉(zhuǎn)盤、軸、旋轉(zhuǎn)盤驅(qū)動單元、驅(qū)動抓取單元，旋轉(zhuǎn)盤驅(qū)動單元包括驅(qū)動支撐架、第一 IPMC肌肉條、第一組合電極，第一組合電極包括正電極、負(fù)電極，正電極和負(fù)電極上均安裝第一-第三金屬板，正電極的第二金屬板與負(fù)電極的第一金屬板之間設(shè)置第一絕緣層，正電極的第三金屬板與負(fù)電極的第二金屬板之間設(shè)置第二絕緣層，軸上安裝設(shè)置矩形槽的輪，軸上位于輪的兩端分別為光軸和螺紋，旋轉(zhuǎn)盤的中部安裝滾子軸承，光軸安裝在滾子軸承里，第一組合電極安裝在矩形槽里，驅(qū)動支撐架固定在旋轉(zhuǎn)盤上，第一 IPMC肌肉條的兩端分別連接驅(qū)動支撐架和第一組合電極，驅(qū)動抓取單元包括裝配底板、第一-第二驅(qū)動支架、第二 -第三組合電極、第二 -第三IPMC肌肉條，裝配底板安裝在旋轉(zhuǎn)盤上，第一驅(qū)動支架通過連接軸安裝在裝配底板上，第二驅(qū)動支架安裝在第一驅(qū)動支架上，第一驅(qū)動支架上分別安裝第二組合電極和第一固定夾，第二組合電極和第一固定夾之間安裝第二 IPMC肌肉條，第二驅(qū)動支架上分別安裝第三組合電極和第二固定夾，第三組合電極和第二固定夾之間安裝第三IPMC肌肉條，第二驅(qū)動支架的端部安裝剛性尾爪，旋轉(zhuǎn)盤驅(qū)動單元與驅(qū)動抓取單元位于旋轉(zhuǎn)盤的兩側(cè)。
[0006]本發(fā)明還可以包括:
[0007]1、所述的旋轉(zhuǎn)盤驅(qū)動單元和矩形槽有五組，相對于圓盤的圓周方向均勻布置。
[0008]2、所述的驅(qū)動抓取單元有三組，三組驅(qū)動抓取單元相對于圓盤的圓周方向均勻布置。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)勢在于:相對于傳統(tǒng)機械抓手，顯著簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計，減輕了自身的重量，節(jié)約了傳動過程中的能量耗散，同時減低了制造的成本，方便安裝與維護；提出了一種新型且基于IPMC電致動材料的多自由度機械手，添補了智能材料領(lǐng)域中多自由度機械手研究的空缺，為實踐應(yīng)用提供了一種創(chuàng)新的設(shè)計方法；鑒于IPMC電致動材料是一種綠色的仿生材料，本發(fā)明設(shè)計符合節(jié)能環(huán)保的綠色設(shè)計理念；各個驅(qū)動關(guān)節(jié)獨立控制，提高機械抓手抓取的靈活性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是旋轉(zhuǎn)盤驅(qū)動部件結(jié)構(gòu)圖；
[0011]圖2輪軸部件圖；
[0012]圖3是滾子軸承零件圖；
[0013]圖4a是組合電極結(jié)構(gòu)圖a，圖4b是組合電極結(jié)構(gòu)圖b，圖4c是組合電極結(jié)構(gòu)圖c ；
[0014]圖5是驅(qū)動抓取部件結(jié)構(gòu)圖；
[0015]圖6是本發(fā)明整體視圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述:
[0017]結(jié)合圖1?6，本發(fā)明主要由旋轉(zhuǎn)盤驅(qū)動部件1、驅(qū)動抓取部件II兩部分構(gòu)成，在旋轉(zhuǎn)盤5的中心孔位置安裝有滾子軸承9并與其固定連接，未開有螺紋頭8的軸6端側(cè)安裝于滾子軸承9內(nèi)部，軸6中間位置固定連接矩形輪7，矩形輪7周圍連接有組合電極4，IPMC肌肉條2 —端連接組合電極4，另一端連接固定于驅(qū)動支撐3上，驅(qū)動支撐3置于驅(qū)動支撐架I內(nèi)，驅(qū)動支撐架I與旋轉(zhuǎn)盤5固定，六條IPMC人工肌肉條2均勻分布在旋轉(zhuǎn)盤5上表面；在旋轉(zhuǎn)盤5的下表面，3個裝配底板23均勻分布，在驅(qū)動底板23上，通過連接軸連接有驅(qū)動支架19，驅(qū)動支架19中間通過固定夾22與組合電極20固定IPMC肌肉條21，驅(qū)動架19的另一端連接下級關(guān)節(jié)，通過固定夾16與組合電極18固定IPMC肌肉條17于驅(qū)動架15上，在驅(qū)動架15的端側(cè)安裝有剛性尾爪14。
[0018]當(dāng)施加電激勵信號，電信號經(jīng)由組合電極4傳遞給旋轉(zhuǎn)盤5上表面的六條IPMC肌肉條2，協(xié)同配合彎曲驅(qū)動，作用力通過驅(qū)動支撐3傳遞至驅(qū)動支架1，經(jīng)由驅(qū)動支架I傳遞至旋轉(zhuǎn)盤5的上，產(chǎn)生繞旋轉(zhuǎn)盤5表層驅(qū)動單向轉(zhuǎn)矩，使得旋轉(zhuǎn)盤5繞著軸6實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)盤5的轉(zhuǎn)動輸出；在電激勵信號下，驅(qū)動抓取部件II處的IPMC肌肉條17及21經(jīng)由組合電極組合電極18與20電流供應(yīng)，帶動驅(qū)動支架15及19的關(guān)節(jié)運動，兩個關(guān)節(jié)間可以獨立控制，且3個抓手間實現(xiàn)協(xié)調(diào)、配合，完成整個抓取過程。
[0019]結(jié)合圖1?4，旋轉(zhuǎn)盤驅(qū)動部件I主要由驅(qū)動支撐架1、IPMC肌肉條2、驅(qū)動支撐3、組合電極4、旋轉(zhuǎn)盤5、矩形輪7、軸6、螺紋頭8、滾子軸承9、電線10、電極片11與13、絕緣層12組成。圖4中，組合電極4組合由電線10、電極片11與13、絕緣層12及IPMC肌肉條
2組成，采用E字形的導(dǎo)電板結(jié)構(gòu)，在靠近側(cè)板處焊接小片的電極片11，電極片11上焊接有電線10，采用兩片相同結(jié)構(gòu)的E字形的導(dǎo)電板中間貼有絕緣層12進行交叉連接，IPMC肌肉條2安裝于兩個導(dǎo)電板中間；通過對組合電極4的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以增加IPMC肌肉條2的片數(shù)，進而提高驅(qū)動力的輸出；驅(qū)動支撐架I與旋轉(zhuǎn)盤5固定連接，其作用是實現(xiàn)IPMC肌肉條作用力的傳遞；矩形輪7內(nèi)部裝配組合電極，用于IPMC肌肉條的驅(qū)動與支撐；軸6與矩形輪7固定，在工作是保持靜止；旋轉(zhuǎn)盤5通過滾子軸承9裝配一體，其內(nèi)側(cè)于軸的一端裝配連接；螺紋頭8的作用是為后期裝配時作為連接件。旋轉(zhuǎn)盤驅(qū)動部件I內(nèi)部主要配合關(guān)系為，驅(qū)動支撐3裝配于驅(qū)動支撐架I的槽內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)盤5上，IPMC肌肉條2 —端利用驅(qū)動支撐3夾持固定，一端通過組合電極4固定于矩形輪7上，并基于以上結(jié)構(gòu)，采用6組結(jié)構(gòu)對稱于軸心布置，以矩形輪7為依托，分布于旋轉(zhuǎn)盤5上；軸6的頭部開有螺紋頭8，矩形輪7穿過中心固定，未開有螺紋頭8的一側(cè)裝入滾子軸承9，滾子軸承9與旋轉(zhuǎn)盤5的中心孔處裝配連接。
[0020]具體工作原理:
[0021]當(dāng)外部獲得電壓激勵信號，通過組合電極4將電流信號傳遞給IPMC肌肉條2，使得的六組IPMC肌肉條2同時彎曲，作用力通過夾持固定端的驅(qū)動支撐3傳遞給驅(qū)動支撐1，經(jīng)由力的組合疊加，使得旋轉(zhuǎn)盤5產(chǎn)生單方向的轉(zhuǎn)矩，以軸6作為中心，驅(qū)動滾子軸承9，使得旋轉(zhuǎn)盤5進行旋轉(zhuǎn)，最終實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)盤驅(qū)動部件的軸向運動的目的。
[0022]結(jié)合圖5與6，驅(qū)動抓取部件II主要由剛性尾爪14、驅(qū)動支架15與19、固定夾16和22、IPMC肌肉條17及21、組合電極18與20，裝配底板23組成。其中，裝配底板23上安裝有驅(qū)動支架19，驅(qū)動支架19中間開有方形槽，方形槽前段連接固定夾22，末端連接組合電極20，IPMC肌肉條21的一端連接固定夾22，一端連接組合電極20，兩段驅(qū)動支架間通過銷軸連接，驅(qū)動支架15中間開有方形槽，在槽內(nèi)接近銷軸連接側(cè)的槽內(nèi)連接組合電極18，背離端的方形槽內(nèi)連接支持固定夾16，中間的IPMC肌肉條17的經(jīng)由組合電極18及固定夾16連接，在驅(qū)動支架15的末端，安裝一個剛性尾爪14 ;三個上述裝配結(jié)構(gòu)，以裝配底板23為支撐，對稱分布并固定在旋轉(zhuǎn)盤5的底板處，構(gòu)成整個驅(qū)動抓取部件II。組合電極18及20相互采用并聯(lián)組合形式，方便操作及安裝，同時，兩個關(guān)節(jié)可以實現(xiàn)獨立控制，提高機械手運動的靈活性；剛性尾爪14方便于物體的抓取及固定。
[0023]具體工作原理:
[0024]當(dāng)電壓激勵信號，通過組合電極20將電信號傳遞至IPMC肌肉條21，使得其彎曲變形，帶動驅(qū)動支架19繞著裝配底板23轉(zhuǎn)動，使得上部分關(guān)節(jié)的驅(qū)動支架19彎曲運動，同時，通過組合電極18將電信號傳遞IPMC肌肉條17運動，使得驅(qū)動支架15頭部的剛性尾爪14繞著驅(qū)動支架19運動，最終，通過兩個關(guān)節(jié)相互配合及三個抓手之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，實現(xiàn)驅(qū)動抓取動作。
【權(quán)利要求】
1.一種基于IPMC電致動材料簡化結(jié)構(gòu)多自由度機械抓手，其特征是:包括旋轉(zhuǎn)盤、軸、旋轉(zhuǎn)盤驅(qū)動單元、驅(qū)動抓取單元，旋轉(zhuǎn)盤驅(qū)動單元包括驅(qū)動支撐架、第一 IPMC肌肉條、第一組合電極，第一組合電極包括正電極、負(fù)電極，正電極和負(fù)電極上均安裝第一-第三金屬板，正電極的第二金屬板與負(fù)電極的第一金屬板之間設(shè)置第一絕緣層，正電極的第三金屬板與負(fù)電極的第二金屬板之間設(shè)置第二絕緣層，軸上安裝設(shè)置矩形槽的輪，軸上位于輪的兩端分別為光軸和螺紋，旋轉(zhuǎn)盤的中部安裝滾子軸承，光軸安裝在滾子軸承里，第一組合電極安裝在矩形槽里，驅(qū)動支撐架固定在旋轉(zhuǎn)盤上，第一 IPMC肌肉條的兩端分別連接驅(qū)動支撐架和第一組合電極，驅(qū)動抓取單元包括裝配底板、第一-第二驅(qū)動支架、第二-第三組合電極、第二 -第三IPMC肌肉條，裝配底板安裝在旋轉(zhuǎn)盤上，第一驅(qū)動支架通過連接軸安裝在裝配底板上，第二驅(qū)動支架安裝在第一驅(qū)動支架上，第一驅(qū)動支架上分別安裝第二組合電極和第一固定夾，第二組合電極和第一固定夾之間安裝第二 IPMC肌肉條，第二驅(qū)動支架上分別安裝第三組合電極和第二固定夾，第三組合電極和第二固定夾之間安裝第三IPMC肌肉條，第二驅(qū)動支架的端部安裝剛性尾爪，旋轉(zhuǎn)盤驅(qū)動單元與驅(qū)動抓取單元位于旋轉(zhuǎn)盤的兩側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于IPMC電致動材料簡化結(jié)構(gòu)多自由度機械抓手，其特征是:所述的旋轉(zhuǎn)盤驅(qū)動單元和矩形槽有五組，相對于圓盤的圓周方向均勻布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于IPMC電致動材料簡化結(jié)構(gòu)多自由度機械抓手，其特征是:所述的驅(qū)動抓取單元有三組，三組驅(qū)動抓取單元相對于圓盤的圓周方向均勻布置。
【文檔編號】B25J15/10GK103963066SQ201410174672
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】趙剛, 孫壯志, 饒宇, 喬東潘, 李照遠(yuǎn), 郭華君, 趙華興, 隋智陽, 畢紅時, 王晶晶 申請人:哈爾濱工程大學(xué)