[發(fā)明專利]一種具有力位傳感的剛?cè)狁詈蠙C械手指及其感知方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711046221.2
• 申請日: 2017-10-31
• 公開（公告）號: CN107696048B
• 公開（公告）日: 2019-12-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭家杰;馮勛鋰;何小攀;熊蔡華
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 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(xué)專利中心
• 代理人: 張彩錦;曹葆青

本發(fā)明屬于機器人智能感知領(lǐng)域，并公開了一種具有力位傳感的剛?cè)狁詈蠙C械手指及其感知方法。該機械手指包括指骨、柔性關(guān)節(jié)和拉繩，拉繩將指骨串聯(lián)，柔性關(guān)節(jié)介于指骨之間，柔性關(guān)節(jié)中設(shè)置有應(yīng)變片。本發(fā)明還公開了機械手指力位感知的方法，該方法包括：(a)初始條件的設(shè)定；(b)通過彈簧片的動力學(xué)方程求解彈簧片的應(yīng)變分布；(c)利用應(yīng)變分布求解手指的變形形狀；(d)利用力矩平衡方程獲得機械手指指尖的正接觸力。通過本發(fā)明，機械手指制作簡單，功能集成程度高，可靠性高，成本低，實現(xiàn)形狀傳感、觸覺傳感和力傳感的功能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機器人智能感知領(lǐng)域，更具體地，涉及一種具有力位傳感的剛?cè)狁詈蠙C械手指及其感知方法。

背景技術(shù)

隨著自動化程度和生活質(zhì)量的不斷提高，越來越多的機械手被應(yīng)用于工業(yè)和軍事的生產(chǎn)活動以及人類的生活服務(wù)中。機械手的需求不斷增大，但是傳統(tǒng)的剛性機械手卻有著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制困難、自適應(yīng)差等缺點，往往只能應(yīng)用于特定的工況和環(huán)境。因此，與之相對的，柔性機構(gòu)已經(jīng)在精密制造、仿生機器人和醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，柔性機械手的研究和應(yīng)用正在持續(xù)發(fā)熱。柔性機械手具有重量輕、制作簡單、高自適應(yīng)性的特點，不需要特殊保護就能在惡劣環(huán)境中工作。但是由于柔性材料具有自由度高等特點，以及對柔性結(jié)構(gòu)研究的不足，所以目前柔性機械手具有傳感困難的特點，很難對柔性機械手進行精確的感知和控制。

現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)提出一些通過控制或柔性材料實現(xiàn)抓取柔順性的機械手。CN106903682公開了一種末端軌跡可控的模塊化欠驅(qū)動手指，包括動力驅(qū)動部分和關(guān)節(jié)部分，通過鎖緊機構(gòu)、纜繩和回彈機構(gòu)，提供對關(guān)節(jié)額外的約束，實現(xiàn)指尖的軌跡控制。然而，該機械手指的關(guān)節(jié)仍然是剛性鉸接關(guān)節(jié)，不具備柔性關(guān)節(jié)先天的柔順性的特點，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作相對困難。此外，一些研究團隊設(shè)計的柔性機械手，用一體成型制作，具有較好的柔順性，但是未能準確建立柔性機械手的模型，不能很方便地得到柔性手指的形狀信息和受力信息，因此未能很好地應(yīng)用在仿人機械手上。

綜上所述，由于柔性機械手傳感和建模困難，導(dǎo)致現(xiàn)有柔性機械手的應(yīng)用受到了一定的限制。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種具有力位傳感的剛?cè)狁詈蠙C械手指及其感知方法，通過機械手指結(jié)構(gòu)的設(shè)置，以及對其力位感知方法的設(shè)計，由此解決柔性機械手傳感和建模困難的技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種具有力位傳感的剛?cè)狁詈蠙C械手指，該機械手指包括指骨、柔性關(guān)節(jié)和拉繩，其特征在于，

所述指骨通過所述拉繩串聯(lián)，相鄰的指骨之間通過柔性關(guān)節(jié)連接，該柔性關(guān)節(jié)上設(shè)置有應(yīng)變傳感器，拉繩拉動所述指骨運動，從而帶動所述柔性關(guān)節(jié)運動，然后通過所述應(yīng)變傳感器測量該柔性關(guān)節(jié)的應(yīng)變，以此獲得機械手指的形變；

其中，所述柔性關(guān)節(jié)包括彈簧片、應(yīng)變片和保護橡膠，所述彈簧片用于反映所述柔性關(guān)節(jié)的狀態(tài)，所述應(yīng)變片設(shè)置在所述彈簧片上，所述保護橡膠用于隔離所述應(yīng)變片和彈簧片與外界直接接觸，此外，所述彈簧片的兩端設(shè)置有定位孔，用于固定所述柔性關(guān)節(jié)的位置。

按照本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種利用上述所述的機械手指進行力位感知的方法，其特征在于，該方法包括下列步驟：

(a)初始狀態(tài)設(shè)定，初始狀態(tài)是指拉繩未施加作用力及機械手指未受外力的狀態(tài)

(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(yīng)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(tài)下應(yīng)變片的應(yīng)變值作為應(yīng)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(guān)節(jié)作為處理對象，并將該柔性關(guān)節(jié)上的每個應(yīng)變片對應(yīng)的測量點編號；

(b)求解彈簧片的應(yīng)變分布