一種帶溫度和觸覺力感知功能的仿人型機械手指的制作方法

本實用新型涉及機械手，尤其是涉及一種帶溫度和觸覺力感知功能的仿人型機械手指。

背景技術：

隨著信息技術與智能化技術的發展，智能裝備已經逐漸深入到人類社會的方方面面，在智能裝備中，常常包括運動執行系統與反饋系統。在提供給智能裝備的反饋信息中，觸覺感知信息是實現智能化的重要環節。通過觸覺可以獲得接觸對象的接觸力、硬度、彈性、粗糙度、溫度等多種物理信息。仿人型機械手作為智能設備的典型代表之一，對觸覺，尤其是溫度以及三維力的感知要求更高。

傳統的仿人機械手只具有類似的結構以及機械操作能力，而缺乏對外界信息的感知能力，極大的限制了機械手的靈敏程度。要達到對仿人機械手操作的靈巧性、穩定性要求，以在各種復雜環境下完成穩定、精細作業，除了需要更為精確地運動和操作控制之外，還要求其本身在識別和感知層面做的更好。目前常見的感知系統包括溫度、濕度傳感器、三維力測量傳感器以及位置測量傳感器，雖然可以一定程度上為機械手提供外界信息，但是都沒有和機械手結合緊密，僅在沒有感知功能的機械手上簡單安裝，反饋信息單一，無法全面的提供機械手實現靈巧抓取所需的環境參數。

為滿足機電一體化的智能機械手對外界環境靈敏“感知”的需求，將與人手功能類似的人工觸覺感知系統引入到機械手系統中，是仿人機械手發展的必然趨勢與要求。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于提供一種帶溫度和觸覺力感知功能的仿人型機械手指，將三維力傳感器與溫度傳感器集成于仿人型機械手指中，是一種具有三維力與溫度感知功能的機械手指。

為實現上述發明目的，本實用新型采用的技術方案是：

本實用新型的仿人機械手指分為彎曲幅度可控的三節手指金屬指骨依次鉸接而成，外表面用膚色硅膠封裝；每節手指中空，在第三節手指金屬指骨內布置微型電機及小型電路，第一節手指金屬指骨和第二節手指金屬指骨的指腹均開有平面凹槽，平面凹槽內分別裝有三維力傳感器，第一節手指金屬指骨頂端半圓面開有缺口，通過卡扣固定弧形的熱導體和溫度傳感器，溫度傳感器緊密貼合于熱導體內表面。

所述三維力傳感器，包括陣列分布的4~64個傳感單元，每個傳感單元從下至上依次為傳力凸起層、敏感材料層和柔性電路層，橫截面尺寸與所應用的機械手指有關，高度為2~5mm。

所述膚色硅膠為聚二甲基硅氧烷、硅凝膠或Ecoflex。

所述熱導體為鋁、鋼或鋼。

所述溫度傳感器為貼片式熱電阻溫度傳感器。

所述三維力傳感器，空間分辨率為1mm~4mm，量程為0.1N~30N；其工作原理是壓阻式、壓電式、電容式或導電溶液式；溫度傳感器體積在5mm的正方體內，測量范圍為-50℃~300℃。

本實用新型具有的有益效果是：

本實用新型的具有溫度及三維力檢測傳感器的仿人機械手指，合理分布了溫度及三維力測量傳感器，因此可以靈敏測量機械手指所接觸物體的溫度和施加在物體上的三維力，并實時傳輸給控制系統，可以通過三維力變化識別滑移、物體變形等，實現將人工觸覺集成于機械手指上，便于閉環控制機械手更加智能靈巧穩定的抓取物體。

附圖說明

圖1是本實用新型的整體外觀示意圖。

圖2(a)是本實用新型的模具外觀示意圖。

圖2(b)是本實用新型的模具內側面示意圖。

圖2(c)是本實用新型的模具另一內側面示意圖。

圖3 是本實用新型的傳感器分布示意圖。

圖中：1、第一節手指金屬指骨，2、第二節手指金屬指骨，3、第三節手指金屬指骨，4、三維力傳感器，5、溫度傳感器，6、膚色硅膠，7、專用模具，8、模具定位孔，9、導線。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。

如圖1、圖3所示，本實用新型的仿人機械手指分為彎曲幅度可控的三節手指金屬指骨依次鉸接而成，外表面用膚色硅膠6封裝；每節手指中空，在第三節手指金屬指骨內布置微型電機及小型電路，第一節手指金屬指骨1和第二節手指金屬指骨2的指腹均開有平面凹槽，平面凹槽內分別裝有三維力傳感器4，第一節手指金屬指骨1頂端半圓面開有缺口，通過卡扣固定弧形的熱導體和溫度傳感器5，溫度傳感器5緊密貼合于熱導體內表面；溫度傳感器5可靈巧測量接觸物體溫度。

所述三維力傳感器4，包括陣列分布的4~64個傳感單元，每個傳感單元從下至上依次為傳力凸起層、敏感材料層和柔性電路層，橫截面尺寸與所應用的機械手指有關，高度為2~5mm。

所述膚色硅膠6為聚二甲基硅氧烷（PDMS）、硅凝膠或Ecoflex等。

所述熱導體為鋁、鋼或鋼。

所述溫度傳感器5為貼片式熱電阻溫度傳感器。

所述三維力傳感器4，空間分辨率為1mm~4mm，量程為0.1N~30N；其工作原理是壓阻式、壓電式、電容式或導電溶液式；溫度傳感器體積在5mm的正方體內，測量范圍為-50℃~300℃。且不會因為溫度超量程而快速損壞。封裝硅膠厚度2~5mm，表面有類似指紋的無規則梁脊，整體柔性且彈性較好，不影響手指彎曲。

如圖2(a) 、圖2(b) 、圖2(c)所示，為模具結構示意圖，將手指金屬指骨整體伸入盛有液體硅膠的專用模具7中，兩個半模具通過定位孔8對齊，緊密壓牢，完全浸入后采用真空加熱固化、加催化劑室溫固化、濕氣固化以及紫外光源照射固化等固化，使用脫模劑脫模。

本實用新型的工作原理：

如圖3所示，導線9在手指金屬指骨內通過粘貼、卡扣等形式固定并連接到溫度與三維力傳感器的驅動電路上，在手指金屬指骨外露出少部分作為屈伸運動余量，包覆硅膠皮膚。手指中的電機通過指根的導線9與控制中樞連接，控制中樞發送命令控制電機旋轉的方向與速度，以一種欠驅動的方式帶動手指前兩個鉸鏈副轉動，實現手指彎曲或者伸直。在執行抓取動作的過程中，溫度傳感器一直在感知周圍溫度變化，轉換成電信號傳輸到控制中樞，判斷工作環境是否合適；手指與物體接觸時，三維力傳感器感受到抓取力并轉換成電信號傳輸給控制中樞，判斷物體是否發生滑動或者被壓潰，從而給出抓緊或者放松的命令。通過這種閉環反饋控制，提高機械手的抓取精度與穩定性。

三維力傳感器4為公知結構，可在市場上選購。

上述具體實施方式用來解釋說明本實用新型，而不是對本實用新型進行限制，在本實用新型的精神和權利要求的保護范圍內，對本實用新型作出的任何修改和改變，都落入本實用新型的保護范圍。