[發明專利]一種具有力位傳感的剛柔耦合機械手指及其感知方法

有效

• 申請號: 201711046221.2
• 申請日: 2017-10-31
• 公開（公告）號: CN107696048B
• 公開（公告）日: 2019-12-20
• 發明（設計）人: 郭家杰;馮勛鋰;何小攀;熊蔡華
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B25J15/00
• 分類號: B25J15/00;B25J13/08;B25J17/02
• 代理公司: 42201 華中科技大學專利中心
• 代理人: 張彩錦;曹葆青

1.一種機械手指進行力位感知的方法，其特征在于，

所述機械手指包括指骨、柔性關節和拉繩，所述指骨通過所述拉繩串聯，相鄰的指骨之間通過柔性關節連接，該柔性關節上設置有應變傳感器，拉繩拉動所述指骨運動，從而帶動所述柔性關節運動，然后通過所述應變傳感器測量該柔性關節的應變，以此獲得機械手指的形變；

其中，所述柔性關節包括彈簧片、應變片和保護橡膠，所述彈簧片用于反映所述柔性關節的狀態，所述應變片設置在所述彈簧片上，所述保護橡膠用于隔離所述應變片和彈簧片與外界直接接觸，此外，所述彈簧片的兩端設置有定位孔，用于固定所述柔性關節的位置；

所述力位感知的方法包括下列步驟：

(a)初始狀態設定，初始狀態是指拉繩未施加作用力及機械手指未受外力的狀態

(a1)在彈簧片上建立坐標系，該坐標系中X軸沿彈簧片中心軸方向，中心O是彈簧片的端點,Z軸垂直于彈簧片所在平面，記錄應變片位置和拉繩作用點到彈簧片的距離，同時，將所述初始狀態下應變片的應變值作為應變初始值；

(a2)給機械手指拉繩添加拉力使其變形，并在指尖施加正接觸力作為接觸阻力，選取距離機械手指指尖最近的柔性關節作為處理對象，并將該柔性關節上的每個應變片對應的測量點編號；

(b)求解彈簧片的應變分布

(b1)將彈簧片作為等截面懸臂梁構建動力學方程，利用該彈簧片的邊界條件求解該動力學方程，獲得彈簧片的不同位移模態；

(b2)根據位移模態、曲率和應變之間的關系，利用步驟(b1)中獲得的位移模態計算獲得彈簧片上不同測量點的曲率和應變模態；

(b3)采集每個測量點的應變值，建立彈簧片總應變與每個測量點應變值的關系，然后根據最小二乘法獲得每個測量點應變疊加系數，將該應變疊加系數作為應變模態疊加系數，將步驟(b2)獲得的不同測量點的應變模態分別與其相應的模態疊加系數相乘后求和，由此獲得彈簧片的應變分布；

(c)根據應變和曲率的關系，由步驟(b3)獲得的應變分布計算得到彈簧片的曲率分布，對該曲率分布積分獲得彈簧片的變形形狀，即柔性關節的變形形狀；

(d)在每個測量點處構建力矩平衡方程，分別求解所述平衡方程得到不同測量點的指尖接觸力，將所述不同測量點的指尖接觸力取平均值即為待求解的指尖正接觸力，其中，通過利用步驟(c)獲得的柔性關節變形形狀，由幾何關系獲得每個測量點的力矩，同時，利用步驟(b2)獲得的不同測量點的曲率，然后由曲率和力矩的關系分別獲得不同測量點的力矩。

2.如權利要求1所述的機械手指進行力位感知的方法，其特征在于，在步驟(b1)中，所述動力學方程采用下列表達式，

其中，EI是關節彈簧片的剛度，z(x,t)是彈簧片上橫坐標為x的點在t時刻的縱向位移，ρ是彈簧片的線密度，x是橫坐標，t是時間。

3.如權利要求1或2所述的機械手指進行力位感知的方法，其特征在于，在步驟(b1)中，所述邊界條件是彈簧片起始端固定，末端自由，即：

z(0)＝z'(0)＝z”(l)＝z”'(l)＝0

其中，z(0)是起始端縱向位移，z(l)是末端縱向位移，l是彈簧片的長度。

4.如權利要求1所述的機械手指進行力位感知的方法，其特征在于，在步驟(b2)中，所述應變模態按照下列表達式進行，

其中，ε(x)是關于橫坐標為x的應變模態，κ(x)是橫坐標為x的彎曲曲率，h是柔性關節基底厚度。

5.如權利要求1所述的機械手指進行力位感知的方法，其特征在于，在步驟(c)中，所述彈簧片的變形形狀采用下列表達式，

其中，θ(s)是關節彈簧片的轉角，x(s)是彈簧片上點的橫向坐標，z(s)是彈簧片上點的縱向坐標，θ₀、x₀、z₀分別是彈簧片初始角度、初始橫向坐標、初始縱向坐標，s是彈簧片的長度。

6.如權利要求1所述的機械手指進行力位感知的方法，其特征在于，在步驟(d)中，所述力矩方程采用下列表達式，

其中，i是測量點的編號，F_di是在測量點i處的拉繩作用力，d_2i是在測量點i處的拉繩作用力的力臂長度，F_Ni是在測量點i處的指尖接觸力，d_1i是在測量點i處的手指作用力的力臂長度。