一种多材料机械手制造技术

本发明专利技术提供了一种多材料机械手，多材料机械手包括通过一体成型注塑方式获得的软材料部分及通过3D方式获得的硬材料部分，硬材料部分是空心的，软材料匹配设于硬材料部分的空心内，通过3D方式获得的硬材料部分的步骤如下：拓扑优化问题的初始化：给定硬材料部分的中空长方体的设计域、设计变量以及约束条件；对拓扑优化问题进行敏感度分析；采用最快速下降法求解拓扑优化问题并获得优化结果；将优化结果输出为stl文件；将stl文件导入3D打印机以完成硬材料部分的加工。本发明专利技术的多材料机械手通过一体成型注塑方式获得的软材料部分及通过3D方式获得的硬材料部分，相较于现有技术而言，不仅具备足够的柔性和刚度，满足强度要求，还具有低成本的优点。

A multi material manipulator

The invention provides a multi-material manipulator. The multi-material manipulator includes a soft material part obtained by integral molding and injection molding and a hard material part obtained by 3D. The hard material part is hollow, and the soft material is matched in the hollow of the hard material part. The steps of the hard material part obtained by 3D are as follows: initialization of topology optimization problem: given hard material The design domain, design variables and constraints of the hollow box in the material part; the sensitivity analysis of the topological optimization problem; the fastest descent method is used to solve the topological optimization problem and obtain the optimization result; the optimization result is output as STL file; the STL file is imported into the 3D printer to complete the processing of the hard material part. Compared with the prior art, the multi-material manipulator of the invention has not only enough flexibility and rigidity, but also the advantages of low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种多材料机械手
本专利技术涉及机械手
，尤其涉及一种多材料机械手。
技术介绍
目前，模仿或者复制人类手指运动的人工机械手主要用于康复治疗，义肢或者工业机器人。在过去的十多年，科研人员设计并开发了由硬材料组成的机械手。这些机械手由硬材料组成的机构和运动副组成，并由单自由度的电机驱动。为了模仿人手指的弯曲运动，在硬件上我们需要至少三个转动副，相应的驱动器和传感器；软件上我们需要附在的控制算法以完成运动副之间的配合。但是，由于高昂的加工和控制成本，硬材料组成的机器人的应用很受限。另外，安全性也是一个很重要的限制刚性机械手应用的因素。正在快速发展的软体机器人提供了一个解决上述问题的切实可行的解决方案。在软体机器人中，离散的机构和运动副被连续的结构取代，单自由度的电机被无限自由度的气动/液压元件或者智能材料取代。由于拥有无限多自由度，软体机器人可以在不确定的环境中工作，也可以吸收碰撞产生的能量以提供安全的人机交互。软体机器人目前主要是通过仿生的方法设计，研究人员通过该方法成功设计了可以模仿蠕虫，章鱼和人手的机器人。但是由于组成材料的刚度太低，以上列举的机器人都不能承受大的负载或者自重。从人手的解剖学结构可以看出，刚性的骨头和肉软的肌肉是有机结合在一起的。这个生物学的现象也提供了一个类似的设计软体机器人的思路，也就是多材料机器人。该机器人可以有效提高其在承受负载和自重的性能。因此，研究一种多材料机器人，是的该设计下的机器人同时具备足够的柔性和刚度，并满足强度要求，亟待进一步研究。专利技术内容本专利技术针对现有方式的缺点，提出一种多材料机械手，用以解决现有技术存在的上述问题。根据本专利技术的一个方面，提供了一种多材料机械手，所述多材料机械手包括通过一体成型注塑方式获得的软材料部分及通过3D方式获得的硬材料部分，所述硬材料部分是空心的，所述软材料匹配设于所述硬材料部分的空心内，所述通过3D方式获得的硬材料部分的步骤如下：拓扑优化问题的初始化：给定所述硬材料部分的中空长方体的设计域、设计变量以及约束条件；对所述拓扑优化问题进行敏感度分析；采用最快速下降法求解所述拓扑优化问题并获得优化结果；将所述优化结果输出为stl文件；将所述stl文件导入3D打印机以完成硬材料部分的加工。进一步地，所述拓扑优化问题的初始化，简化为如下模型：0≤ρmin≤ρ≤1；其中，K是离散单元的数目，K(ρ)是整体刚度阵，U是位移场，P0是驱动气压，np是指气压正方向，Ae是单元面积，和是指示输出点沿x和y方向的自由度，ve和ρe代表单元的体积和密度，单元是指域离散个单元中的一个；V*表示体积约束以提供该硬材料部分有足够的刚度且保证优化问题收敛。进一步地，所述对拓扑优化问题进行敏感度分析，是指：通过伴随矩阵法对拓扑优化问题进行敏感度分析以获敏感度，所述敏感度是指目标函数和约束对设计变量的导数：其中，所述λ是伴随位移场，通过以下方程进行求解：进一步地，所述软材料部分是指材质为硅胶的空心长方管。进一步地，所述硬材料部分是指材质为TPE的空心铰链。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术的多材料机械手通过一体成型注塑方式获得的软材料部分及通过3D方式获得的硬材料部分，相较于现有技术而言，不仅具备足够的柔性和刚度，满足强度要求，还具有低成本的优点。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为本专利技术实施例中的多材料机械手的结构示意图；图2为本专利技术实施例中的通过3D方式获得的硬材料部分的流程图；图3为本专利技术实施例中的通过3D方式获得的硬材料部分的拓扑优化示意图；图4为本专利技术实施例中的抓取形状复杂的太阳眼镜的过程示意图；图5为本专利技术实施例中的多材料机械手抓取各种各样的物体的结果图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。在本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号如101、102等，仅仅是用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分例，实施而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本
技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本专利技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。目前多材料机器人的发展使得我们可以以前所未有的保真度直接加工多材料的零件。但是由于其材料的强度很低(断裂应<85％)，其应用场景很受限。而传统的高强度材料多是通过铸模或者单材料熔融沉积成型的方法加工。为了节约开发新的加工技术的成本，我们通过将传统的铸模和熔融沉积成型(3D打印)的相结合的方法加工该多材料机械手。考虑到铸模工艺只能加工形状简单规则的零件，由软材料组成的结构在优化过程中保持不变，只优化刚性材料组成的机构。因此，该多材料机械手是通过铸模加工(现有技术)硅胶组成的软材料部分，和3D打印其柔性TPE(热塑性塑料)组成的硬材料部分。该组合加工办法使得我们低成本加工多材料零件，因此我们推荐该方法应用到加工其他类型的多材料机器人当中。实施例如图1所示，提供了本专利技术一个实施例的一种多材料机械手，多材料机械手A1包括通过一体成型注塑方式(现有技术)获得的软材料部分A11及通过3D方式获得的硬材料部分A12，硬材料部分A12是空心的，软材料匹配A11设于硬材料部分A12的空心内。在另一种实施方式中，软材料部分A11是指材质为硅胶的空心长方管；硬材料部分A12是指材质为TPE的空心铰链。如图2和图3所示，通过3D方式获得的硬材料部分A12的步骤如下：S1：拓扑优化问题的初始化：给定硬材料部分A12的中空长方体的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多材料机械手，所述多材料机械手包括通过一体成型注塑方式获得的软材料部分及通过3D方式获得的硬材料部分，所述硬材料部分是空心的，所述软材料匹配设于所述硬材料部分的空心内，其特征在于，所述通过3D方式获得的硬材料部分的步骤如下：/n拓扑优化问题的初始化：给定所述硬材料部分的中空长方体的设计域、设计变量以及约束条件；/n对所述拓扑优化问题进行敏感度分析；/n采用最快速下降法求解所述拓扑优化问题并获得优化结果；/n将所述优化结果输出为stl文件；/n将所述stl文件导入3D打印机以完成硬材料部分的加工。/n

【技术特征摘要】
1.一种多材料机械手，所述多材料机械手包括通过一体成型注塑方式获得的软材料部分及通过3D方式获得的硬材料部分，所述硬材料部分是空心的，所述软材料匹配设于所述硬材料部分的空心内，其特征在于，所述通过3D方式获得的硬材料部分的步骤如下：
拓扑优化问题的初始化：给定所述硬材料部分的中空长方体的设计域、设计变量以及约束条件；
对所述拓扑优化问题进行敏感度分析；
采用最快速下降法求解所述拓扑优化问题并获得优化结果；
将所述优化结果输出为stl文件；
将所述stl文件导入3D打印机以完成硬材料部分的加工。


2.根据权利要求1所述的多材料机械手，其特征在于，所述拓扑优化问题的初始化，简化为如下模型：









0≤ρmin≤ρ≤1；
其中，K是离散单元的数目，K(ρ)是整体刚度阵，U...

【专利技术属性】
技术研发人员：张红影，
申请(专利权)人：重庆聿远机器人科技有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆;50