[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

一種柔性觸手的形狀檢測系統及方法，涉及形狀檢測技術領域。本發明為了能夠對一段以及多段柔性觸手進行實時形狀檢測。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、無線藍牙通訊模塊、直流穩壓電源、兩個降壓芯片和控制器；對柔性觸手進行充氣；主、從控制器STM32對脈沖信號解碼并計數；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；在工控上位機中使用MATLAB軟件中的GUIDE制作串口助手界面，完成一段柔性觸手運動學模型的建立以及多段柔性觸手運動學模型的建立，仿真出柔性觸手的三維空間形狀。本發明能滿足實時檢測柔性觸手三維形狀的要求。

技術領域

本發明專利涉及形狀檢測技術領域，尤其是涉及了一種基于柔性觸手的形狀檢測系統及方法。

背景技術

隨著自動化技術的飛速發展，柔性觸手已經滲透到人們日常生活的方方面面。傳統的剛性柔性觸手更是在制造中得到了廣泛的應用，并且可以通過特定的程序設計，高效地執行單個任務。然而，由于它們剛性關節的結構特點，致使在狹窄、非結構化的環境中操作起來十分困難。因此，傳統的剛性柔性觸手已經無法滿足人類日益增長的需求。

為了解決剛性柔性觸手的結構弊端，研究者們在大自然中找到了答案。類似于章魚，象鼻等體內存在一種“肌肉性靜水骨骼”的軟體組織，其高度靈活性與柔順性完美得彌補了剛性柔性觸手的不足。基于上述結構特征的啟發，柔性觸手逐漸嶄露頭角。

柔性觸手是一種基于仿生學原理，由柔性材料構成的新型柔性觸手。其無窮自由度的結構特征，大大增加了控制的靈活性與柔順性，在工業生產、醫療手術、救災探測等方面具有廣闊應用前景，受到了國內外的廣泛關注和研究。

然而，由于柔性觸手在原則上具有無限多個自由度，使得其運動學模型的建立變得極其困難，在缺乏精確模型的狀況下，柔性觸手的控制精度與末端定位的效果大打折扣。從自動控制原理的角度來看，系統的控制精度取決于反饋環節的檢測精度。因此，建立一套完善、高精度的形狀檢測系統以保證控制精度是目前亟待解決的重要問題。

目前柔性觸手的形狀檢測系統主要有以下兩種：

第一種是選擇集中式的傳感器如末端攝像頭，僅能反饋局部的視覺信息，通過得到局部的反饋信息無法檢測整條柔性觸手的三維空間形狀。此外，視覺檢測對于環境要求較高，狹窄、光線較暗等環境均無法使用，而且該方法需要進行圖像數據的采集與處理，存在大量的數值計算，這對于實時控制，也是不現實的。

第二種是選擇內部傳感器如光纖布拉格光柵(FBG)傳感器，內部傳感器無法對周圍的環境進行實時靈敏的檢測,導致柔性觸手無法適應周圍環境的動態變化,極大的影響了柔性觸手的建模精度與控制策略，很大程度地降低了柔性觸手自動化和智能化水平。此外，由于光纖的脆弱性，當柔性觸手彎曲時，會發生FBG傳感器的傳播損耗。因此，當曲率上升到臨界曲率時，應變測量無效。

發明內容

針對現有檢測技術存在的不足，本發明專利選擇氣動柔性觸手(三段)作為研究對象，其主要目的在于提出一種基于柔性觸手的形狀檢測系統及方法，以能夠對一段以及多段(三段)柔性觸手進行實時形狀檢測。

本發明在常曲率的假設下，建立了運動學模型及開發形狀檢測算法，并通過MATLAB仿真驗證。本發明專利通過以下技術方案來實現上述目的：

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(柔性觸手為連續型柔性觸手)；

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；