[發明專利]一種具有姿態監測及觸覺反饋功能的遙操作柔性仿生手

在審

• 申請號: 202010574983.5
• 申請日: 2020-06-22
• 公開（公告）號: CN111906763A
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發明（設計）人: 李敏;卓越龑;陳佳洲;何博;徐光華;謝俊
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B25J9/08
• 分類號: B25J9/08;B25J9/16;B25J15/08;B25J15/00;B25J17/02
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 王艾華

本發明公開了一種具有姿態監測及觸覺反饋功能的遙操作柔性仿生手，仿生手利用手部動作捕捉裝置遠程操作柔性仿生手進行復雜的操作任務，不僅能夠滿足手指各關節屈曲和手指外展運動范圍的要求，還能產生足夠的輸出力，滿足操作者在日常任務中所需的力要求。所述的屈曲執行器、外展執行器、觸覺反饋執行器都是利用柔性材料通過3D打印制造，手部框架是利用剛性材料通過3D打印制造，將三維模型圖直接打印制造，節省了時間和制造成本。柔性仿生手作為姿態控制及監測系統的輸出設備，通過手部做出運動來操作柔性仿生手；作為觸覺反饋系統的輸入設備，將觸覺反饋執行器作為觸覺反饋系統的輸出設備，通過柔性仿生手接觸物體，傳遞觸覺。

技術領域

本發明涉及遙操作、仿生、軟體機器人技術領域，具體涉及一種具有姿態監測及觸覺反饋功能的遙操作柔性仿生手。

背景技術

隨著科學技術的進步以及人類活動范圍的擴大，常需要利用機械手代替人手在危險場合中完成復雜的操作任務，這需要機械手具備遙操作系統，使得工作人員可以在安全的場所遠距離執行任務。傳統的剛性機械手雖然有較高的精度，難以滿足復雜的操作任務對機械手的靈巧性、穩定性以及操作性等有較高的要求。柔性仿生手的研究較好地彌補了剛性機械手在人機環境交互性差、復雜環境適應性差、不靈活等方面存在的問題，柔性仿生手能夠適應非結構化工作環境，但在精度方面存在不足。為了提高柔性仿生手執行復雜操作任務的能力，需要對仿生手的姿態進行監測以提高精度并增強工作人員執行任務時的“沉浸感”以提高工作質量，這要求仿生手具備姿態監測系統以及觸覺反饋系統來調整執行操作任務過程中仿生手的動作姿態并傳遞接觸對象的相關信息，然而現有的柔性仿生手與遙操作系統在這些方面存在不足。

發明內容

為了克服現有設備的缺點，本發明的目的在于提供了一種具有姿態監測及觸覺反饋功能的遙操作柔性仿生手，首先，仿生手利用手部動作捕捉裝置遠程操作柔性仿生手進行復雜的操作任務，不僅能夠滿足手指各關節屈曲和手指外展運動范圍的要求，還能產生足夠的輸出力，滿足操作者在日常任務中所需的力要求；其次，仿生手利用手部動作捕捉裝置與柔性彎曲傳感器構建了姿態監測與控制系統來調整執行操作任務過程中仿生手的動作姿態，提高仿生手精度，彌補了柔性仿生手精度方面的不足；然后。仿生手利用壓力傳感器與觸覺反饋執行器構建了觸覺反饋系統，將仿生手指尖受到的壓力傳遞給操作者的指尖，增加操作者“沉浸感”，提高工作質量；最后，仿生手執行器是利用柔性材料通過 3D打印制造的，省略了傳統鑄造過程中的成型階段，將三維模型圖直接打印制造，高效且簡易地制造了復雜的結構，節省了時間和制造成本。

為了達到上述目的，本發明采取的技術方案是：

一種具有姿態監測及觸覺反饋功能的遙操作柔性仿生手，該仿生手具有15個自由度，包括屈曲執行器、外展執行器、傳感器、手部框架、觸覺反饋執行器、手部動作捕捉裝置。屈曲執行器與外展執行器連接，外展執行器固定在手部框架上。傳感器通過硅膠薄膜固定在屈曲執行器上。觸覺反饋執行器與操作者手指指尖通過魔術貼、綁帶或其他方式進行綁定，手部動作捕捉裝置用于采集操作者手部運動信息。屈曲執行器、外展執行器、觸覺反饋執行器通過氣管與控制系統以及高壓氣源連接,傳感器3與控制系統連接。

所述的屈曲執行器包括食指屈曲執行器、中指屈曲執行器、無名指屈曲執行器、小指屈曲執行器、拇指屈曲執行器、拇指掌腕關節屈曲執行器。所述的外展執行器包括拇指與食指間外展執行器、食指與中指間外展執行器、中指與無名指間外展執行器、無名指與小指間外展執行器。拇指屈曲執行器、食指屈曲執行器通過拇指與食指間外展執行器連接，食指屈曲執行器、中指屈曲執行器通過食指與中指間外展執行器連接，中指屈曲執行器、無名指屈曲執行器通過中指與無名指間外展執行器連接，無名指屈曲執行器、小指屈曲執行器通過外展執行器連接，拇指掌腕關節屈曲執行器與拇指屈曲執行器連接。

所述的傳感器包括柔性彎曲傳感器、壓力傳感器。柔性彎曲傳感器通過硅膠薄膜固定在屈曲執行器關節處，壓力傳感器通過硅膠薄膜固定在屈曲執行器指尖。