[發明專利]一種柔性觸手的形狀檢測系統及方法

有效

• 申請號: 201910342580.5
• 申請日: 2019-04-25
• 公開（公告）號: CN109955234B
• 公開（公告）日: 2021-06-15
• 發明（設計）人: 呂躍勇;鄒雙全;孟飛;齊佳明;郭延寧;馬廣富
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B25J9/10
• 分類號: B25J9/10;B25J13/08;B25J13/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 楊立超

1.一種柔性觸手的形狀檢測系統，所述柔性觸手包括由底端至末端依次連接的第一段柔性觸手、第二段柔性觸手、第三段柔性觸手；

每段柔性觸手包括三根氣動肌肉、底盤、三根氣管；三根氣動肌肉相隔120°放置并固定于底盤，其外側通過彈性護套將三根氣動肌肉束縛在一起；

第一段柔性觸手的三根氣動肌肉的底端與對應的底盤的固定，其末端與第二段柔性觸手的底盤固定，以此類推；

除第一段柔性觸手外其他段柔性觸手的三根氣管貫穿于三根氣動肌肉圍合形成的空間空隙內；

其特征在于，所述檢測系統包括工控上位機、九個拉線式位移傳感器、三個控制器STM32、無線藍牙通訊模塊、12V直流穩壓電源、兩個降壓芯片；三個控制器STM32包括主控制器STM32和兩個從控制器STM32；

12V直流穩壓電源分別為九個拉線式位移傳感器、無線藍牙模塊和主/從控制器供電；每段柔性觸手對應設有三個拉線式位移傳感器；每個拉線式位移傳感器的輸入端鋼絲繩附著于其對應的一根氣動肌肉的表面,并隨著氣動肌肉的長度變化而變化；每個拉線式位移傳感器的A、B兩相脈沖輸出端連接到主/從控制器STM32的通用定時器引腳；

在工控上位機上對三個控制器STM32進行正交解碼程序設計，對脈沖信號進行計數，以實現根據拉線式位移傳感器自身精度將脈沖信號轉換成氣動肌肉的長度；通過SWD接口將上位機程序分別下載到三個控制器STM32，所述上位機程序包括正交解碼程序和串口通信程序；

12V直流穩壓電源通過3.3V降壓芯片降壓至3.3伏為三個控制器STM32供電，12V直流穩壓電源通過5V降壓芯片降壓至5伏為無線藍牙模塊供電；

每段柔性觸手對應設有一個主/從控制器STM32，連接三個拉線式位移傳感器；兩個從控制器STM32同時與主控制器STM32通過串口通信USART接口連接，將其檢測到的氣動肌肉的長度數據發送給主控制器STM32；主控制器STM32的串口通信USART接口連接無線藍牙模塊的發送端，而無線藍牙模塊接收端通過USB轉TTL接口連接到工控上位機，從而實現由主控制器將九根氣動肌肉的長度數據無線傳送到工控上位機。

2.根據權利要求1所述的一種柔性觸手的形狀檢測系統，其特征在于：

所述主、從控制器STM32的型號均為STM32-F103C8，所述的無線藍牙通訊模塊的型號為HC-05，降壓至5伏的降壓芯片型號為LM1117T-5，降壓至3.3伏的降壓芯片型號為LM1117T-3.3；

每個控制器STM32具有48個引腳，內含4個16位的通用定時器，可滿足同時對3個拉線式位移傳感器進行脈沖計數的需求，以及具有3個USART接口，可用來連接無線藍牙模塊；

每個拉線式位移傳感器共有4個輸出引腳，分別是A相脈沖輸出、B相脈沖輸出、Vcc、GND；Vcc連接12V直流穩壓電源，GND接地；第一段柔性觸手中拉線式位移傳感器1的AB兩相輸出分別連接主控制器STM32的通用定時器引腳PA0和PA1，拉線式位移傳感器2的AB兩相輸出分別連接主控制器STM32的通用定時器引腳PA6和PA7，拉線式位移傳感器3的AB兩相輸出分別連接主控制器STM32的通用定時器引腳PB6和PB7；第二、三段柔性觸手中拉線式位移傳感器的連接方法與此相同；

無線藍牙發送端有4個輸出引腳，分別是GND、Vcc、TXD、RXD；Vcc連接5V直流電源，GND接地，RXD與TXD分別連接主控制器STM32的USART引腳：PA2與PA3；主控制器STM32的USART引腳PA10連接從控制器的USART引腳PB10；主控制器STM32的USART引腳PB11連接另一個從控制器的USART引腳PB10；STM32無線藍牙接收端連接到工控上位機的USB接口,即可實現將九根氣動肌肉的長度數據從主控制器STM32無線傳送到上位機的功能。

3.根據權利要求2所述的柔性觸手的形狀檢測系統，其特征在于，

所述拉線式位移傳感器采用WXY15M拉線式位移傳感器，外型為微型硬幣大小，電源電壓為DC12V，拉線式位移傳感器的精度為0.12mm/p，其最大量程600mm，AB兩相脈沖輸出，輸出脈沖數量與繩長位移成比例，進而將機械運動轉換成可以計量、記錄或傳送的脈沖信號；所述拉線式位移傳感器的鋼絲繩可拉長或收縮，具有雙向性。

4.一種利用權利要求1所述系統的柔性觸手的形狀檢測方法，其特征在在于，實現過程如下：

步驟一：對柔性觸手進行充氣，隨著氣動肌肉的彎曲形變，附著于其表面的鋼絲繩的繩長也會發生相應的伸縮，拉線式位移傳感器輸出AB兩相脈沖信號；

步驟二：主、從控制器STM32對脈沖信號進行解碼并計數，依據拉線式位移傳感器自身精度進而將脈沖數量轉換成每根氣動肌肉的長度數據；

步驟三：通過無線藍牙模塊，將九根氣動肌肉的長度數據無線傳送到工控上位機；

步驟四：在工控上位機中使用MATLAB軟件中的GUIDE制作串口助手界面，實時接收并保存長度數據；

步驟五：一段柔性觸手運動學模型的建立：針對每段柔性觸手建立運動學模型，基于分段常曲率方法，通過微分幾何推導，得到每段柔性觸手的幾何參數：曲率κ_i、彎曲平面角φ_i、弧長L_i以及末端坐標

所述一段柔性觸手的運動學模型：

式中l_i1、l_i2、l_i3是每段柔性觸手中三根氣動肌肉的長度，L_i、φ_i、κ_i分別是每段柔性觸手中心線的空間幾何參數，即弧長、彎曲平面角和曲率；是第i段柔性觸手在其局部坐標系下的末端位置坐標；

由上式可知，柔性觸手的三個空間幾何參數只與l_i1、l_i2、l_i3有關；因此，只需要通過三個位移傳感器測量三根氣動肌肉的長度即可求得以上三個參數，進而確定一段柔性觸手的空間形狀；

步驟六：多段柔性觸手運動學模型的建立：對柔性觸手進行整體運動學模型的建立，

以第一段柔性觸手底面的圓心作為原點，建立全局坐標系，以第二、三段柔性觸手底面的圓心作為原點，建立局部坐標系，通過改進的D-H方法，使用D-H矩陣將每段柔性觸手的位置問題轉化為相鄰坐標系間的轉化問題，通過依次的坐標系轉化，最終推導出每段柔性觸手的末端在全局坐標系下的位置坐標；

所述多段柔性觸手的運動學模型：

θ_i＝κ_iL_i

表示從第i段到第i+1段柔性觸手的旋轉矩陣，T_i表示從第1段到第i+1段柔性觸手的旋轉矩陣，P_i表示第i段的末端在全局坐標系下的位置坐標；

步驟七：在MATLAB軟件中自定義M函數，利用“三點確定空間圓弧”的方法，基于上述幾何參數，實時仿真出柔性觸手的三維空間形狀。