申请/专利权人：深圳技术大学

申请日：2021-07-22

公开（公告）日：2024-05-31

公开（公告）号：CN113532726B

主分类号：G01L13/00

分类号：G01L13/00;G01L1/24;G01B11/00;G05B13/04;A61F2/54

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.05.31#授权;2021.11.09#实质审查的生效;2021.10.22#公开

摘要：本发明公开了一种多材料柔性仿生义指系统及其设计方法，属于仿生人体假肢技术领域，其包括柔性气动义指、空气差压传感器、光纤拉力传感器、气泵、控制器辅助单元和微控制器；本发明相较于传统刚性结构材料仿生义指系统，提出采用不同刚度材料的气动波纹管进行义指仿生，并基于简化数学模型进行分析构建，以解决柔性气动义指弯曲角度和夹持力难以测量的问题，使得该系统能够进行实时的精准的反馈，能够有效刺激患肢的肌肉运动，使患者在社会生活中，能适应简单环境，做一些力所能及的生活自理活动。

主权项：1.一种多材料柔性仿生义指系统的设计方法，其特征在于，该柔性仿生义指系统包括柔性气动义指、空气差压传感器、光纤拉力传感器、气泵、控制器辅助单元和微控制器；所述柔性气动义指是基于柔性气动波纹管设计的，用于辅助上肢残疾人进行物体活动；所述空气差压传感器用于采集柔性气动义指在活动时所需压力和测量压力，并对其进行差值计算，得到压力差值结果；所述光纤拉力传感器用于采集柔性气动义在活动时产生的拉力；所述气泵用于提供使义指弯曲的所需气压；所述控制器辅助单元用于根据压力差值结果输出PWM调节电磁阀打开和关闭，以实现对柔性气动义指的实时精准控制操作；所述微控制器用于根据柔性气动义指在活动时产生的拉力进行有力和精确的抓握控制；该设计方法具体如下：步骤一：柔性气动义指设计，采用橡胶波纹管进行柔性气动义指设计，该柔性气动义指由不同刚度材料的气动波纹管、刚性段和半刚性段三部分组成；步骤二：微应变柔性高灵敏度光纤传感器设计，通过光纤布拉格光栅FBG传感器与PDMS集成，形成微应变柔性高灵敏度光纤传感器；步骤三：柔性仿生义指系统的搭建，使用简化数学模型分析多材料气动致动器和机器人手指的运动，并预测设计和制造参数，以此进行柔性仿生义指系统搭建；步骤四：系统优化，通过红外光学3D动作捕捉系统实现对柔性仿生义指系统的优化设计；所述简化数学模型的分析过程如下：SS1：首先，根据波纹管和梁理论，计算波纹管顶部的角偏转θ1，其公式如下： 式中：M为作用于自由端的力矩；EIxa是波纹管和基底横截面的面积惯性矩；E为杨氏模量，L为波纹管的长度；SS2：将多材料义指的压力分别分解为上下波纹管的Fb和Fp，并计算总力，其公式如下：F＝Fb+Fp＝KbKwb+KpKwp2式中：wb和wp分别为挠度；Kb和Kp分别为上波纹管侧和下平侧对应的轴向刚度；SS3：计算波纹管内部的角偏转θ2，其公式如下： SS4：计算多材料气动执行机构在弯曲过程中的总偏转角度φ，其公式如下：φ＝θ1-θ24SS5：确定波纹管膨胀产生的力矩，其公式如下：Mmexp＝∫dFrmsinα5SS6：确定多材料气动执行器因压力而产生的总力矩，其公式如下：M＝F*e*Mexp6。

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