带温度和触觉力感知功能的仿人型机械手指的制作方法

本发明涉及机械手，尤其是涉及一种带温度和触觉力感知功能的仿人型机械手指。

背景技术：

随着信息技术与智能化技术的发展，智能装备已经逐渐深入到人类社会的方方面面，在智能装备中，常常包括运动执行系统与反馈系统。在提供给智能装备的反馈信息中，触觉感知信息是实现智能化的重要环节。通过触觉可以获得接触对象的接触力、硬度、弹性、粗糙度、温度等多种物理信息。仿人型机械手作为智能设备的典型代表之一，对触觉，尤其是温度以及三维力的感知要求更高。

传统的仿人机械手只具有类似的结构以及机械操作能力，而缺乏对外界信息的感知能力，极大的限制了机械手的灵敏程度。要达到对仿人机械手操作的灵巧性、稳定性要求，以在各种复杂环境下完成稳定、精细作业，除了需要更为精确地运动和操作控制之外，还要求其本身在识别和感知层面做的更好。目前常见的感知系统包括温度、湿度传感器、三维力测量传感器以及位置测量传感器，虽然可以一定程度上为机械手提供外界信息，但是都没有和机械手结合紧密，仅在没有感知功能的机械手上简单安装，反馈信息单一，无法全面的提供机械手实现灵巧抓取所需的环境参数。

为满足机电一体化的智能机械手对外界环境灵敏“感知”的需求，将与人手功能类似的人工触觉感知系统引入到机械手系统中，是仿人机械手发展的必然趋势与要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种带温度和触觉力感知功能的仿人型机械手指，将三维力传感器与温度传感器集成于仿人型机械手指中，是一种具有三维力与温度感知功能的机械手指。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

本发明的仿人机械手指分为弯曲幅度可控的三节手指金属指骨依次铰接而成，外表面用肤色硅胶封装；每节手指中空，在第三节手指金属指骨内布置微型电机及小型电路，第一节手指金属指骨和第二节手指金属指骨的指腹均开有平面凹槽，平面凹槽内分别装有三维力传感器，第一节手指金属指骨顶端半圆面开有缺口，通过卡扣固定弧形的热导体和温度传感器，温度传感器紧密贴合于热导体内表面。

所述三维力传感器，包括阵列分布的4~64个传感单元，每个传感单元从下至上依次为传力凸起层、敏感材料层和柔性电路层，横截面尺寸与所应用的机械手指有关，高度为2~5mm。

所述肤色硅胶为聚二甲基硅氧烷、硅凝胶或Ecoflex。

所述热导体为铝、钢或钢。

所述温度传感器为贴片式热电阻温度传感器。

所述三维力传感器，空间分辨率为1mm~4mm，量程为0.1N~30N；其工作原理是压阻式、压电式、电容式或导电溶液式；温度传感器体积在5mm的正方体内，测量范围为-50℃~300℃。

本发明具有的有益效果是：

本发明的具有温度及三维力检测传感器的仿人机械手指，合理分布了温度及三维力测量传感器，因此可以灵敏测量机械手指所接触物体的温度和施加在物体上的三维力，并实时传输给控制系统，可以通过三维力变化识别滑移、物体变形等，实现将人工触觉集成于机械手指上，便于闭环控制机械手更加智能灵巧稳定的抓取物体。

附图说明

图1是本发明的整体外观示意图。

图2(a)是本发明的模具外观示意图。

图2(b)是本发明的模具内侧面示意图。

图2(c)是本发明的模具另一内侧面示意图。

图3 是本发明的传感器分布示意图。

图中：1、第一节手指金属指骨，2、第二节手指金属指骨，3、第三节手指金属指骨，4、三维力传感器，5、温度传感器，6、肤色硅胶，7、专用模具，8、模具定位孔，9、导线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图3所示，本发明的仿人机械手指分为弯曲幅度可控的三节手指金属指骨依次铰接而成，外表面用肤色硅胶6封装；每节手指中空，在第三节手指金属指骨内布置微型电机及小型电路，第一节手指金属指骨1和第二节手指金属指骨2的指腹均开有平面凹槽，平面凹槽内分别装有三维力传感器4，第一节手指金属指骨1顶端半圆面开有缺口，通过卡扣固定弧形的热导体和温度传感器5，温度传感器5紧密贴合于热导体内表面；温度传感器5可灵巧测量接触物体温度。

所述三维力传感器4，包括阵列分布的4~64个传感单元，每个传感单元从下至上依次为传力凸起层、敏感材料层和柔性电路层，横截面尺寸与所应用的机械手指有关，高度为2~5mm。

所述肤色硅胶6为聚二甲基硅氧烷（PDMS）、硅凝胶或Ecoflex等。

所述热导体为铝、钢或钢。

所述温度传感器5为贴片式热电阻温度传感器。

所述三维力传感器4，空间分辨率为1mm~4mm，量程为0.1N~30N；其工作原理是压阻式、压电式、电容式或导电溶液式；温度传感器体积在5mm的正方体内，测量范围为-50℃~300℃。且不会因为温度超量程而快速损坏。封装硅胶厚度2~5mm，表面有类似指纹的无规则梁脊，整体柔性且弹性较好，不影响手指弯曲。

如图2(a) 、图2(b) 、图2(c)所示，为模具结构示意图，将手指金属指骨整体伸入盛有液体硅胶的专用模具7中，两个半模具通过定位孔8对齐，紧密压牢，完全浸入后采用真空加热固化、加催化剂室温固化、湿气固化以及紫外光源照射固化等固化，使用脱模剂脱模。

本发明的工作原理：

如图3所示，导线9在手指金属指骨内通过粘贴、卡扣等形式固定并连接到温度与三维力传感器的驱动电路上，在手指金属指骨外露出少部分作为屈伸运动余量，包覆硅胶皮肤。手指中的电机通过指根的导线9与控制中枢连接，控制中枢发送命令控制电机旋转的方向与速度，以一种欠驱动的方式带动手指前两个铰链副转动，实现手指弯曲或者伸直。在执行抓取动作的过程中，温度传感器一直在感知周围温度变化，转换成电信号传输到控制中枢，判断工作环境是否合适；手指与物体接触时，三维力传感器感受到抓取力并转换成电信号传输给控制中枢，判断物体是否发生滑动或者被压溃，从而给出抓紧或者放松的命令。通过这种闭环反馈控制，提高机械手的抓取精度与稳定性。

三维力传感器4为公知结构，可在市场上选购。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。