[發明專利]基于觸覺形狀感知的柔性機械手及觸覺形狀感知裝置

有效

• 申請號: 202111072437.2
• 申請日: 2021-09-14
• 公開（公告）號: CN113733128B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 梁斌;尹向輝;李壽杰;王學謙
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳國際研究生院
• 主分類號: B25J13/08
• 分類號: B25J13/08
• 代理公司: 深圳新創友知識產權代理有限公司 44223
• 代理人: 王震宇

一種基于觸覺形狀感知的柔性機械手及觸覺形狀感知裝置，該柔性機械手包括彈性軟囊和攝像機，彈性軟囊內充有透明流體介質，表面均勻分布有角度感知靶標，角度感知靶標包括微透鏡陣列和位于微透鏡陣列下方的圖案層，微透鏡陣列中的微透鏡和圖案層中的圖案對應地構成多個靶點，當彈性軟囊接觸到物體時，柔性薄膜變形，角度感知靶標中的靶點隨之發生相應的角度變化，由此所帶來的靶點圖案的變化由攝像機拍攝捕捉，其中，根據靶點圖案的變化確定靶點的角度變化，進而確定物體的形狀，柔性機械手根據所確定的物體形狀進行物體抓取。本發明為機械手提供了一種觸覺形狀感知反饋機制，尤其可以幫助機器人在視覺受限情況下建立對環境、被操作物的感知。

技術領域

本發明涉及機器人抓取技術，特別是涉及一種基于觸覺形狀感知的柔性機械手及觸覺形狀感知裝置。

背景技術

視覺受限環境下的感知、抓取與操作一直是機器人領域的難點，卻在特種機器人領域有極大的應用前景。在泥漿、石油等環境下，完全無法使用攝像機、激光雷達等光學設備條件下，觸覺成為唯一的精確環境感知方式。在深水、洞穴、管道等環境下，光學設備視場受限且被渾濁懸浮物、灰塵等干擾，也難以最大限度發揮作用，觸覺是最可靠的環境感知方式。在機械手抓取時，觸覺傳感的反饋為抓取行為的閉環控制提供了必要信息。

傳統觸覺傳感器依靠光纖光柵、陣列柔性壓阻或電容傳感器等，價格昂貴易損壞，較難在各種工況下使用，對于形變較大的形狀傳感效果也不好。

一種觸覺感知方案，平面的硅膠膜上有黑色的陣列點，硅膠膜周邊有三種不同顏色led燈，當沒有接觸物體時，三種燈顏色混合為白色，當接觸物體時，由于薄膜變形，向內突起的薄膜被相應方向led燈照射，因此顏色的改變被后面的相機成像，通過分析顏色能得到受力的變化，另外黑色的斑點位置的變化也被記錄，通過分析斑點位置變化可得到接觸物的形狀。因為需要周邊三種led燈掠射過硅膠膜，當無物體接觸時不能出現光照不均勻，另外上面的標記黑點也要保證無接觸時呈均勻陣列，因此要求硅膠膜必須完全平整，因此硅膠膜較厚硬度較大尺寸也較小，僅能對小物體或紋理進行檢測。

另一種觸覺機械手方案，采用顆粒聚集夾爪，夾爪由軟體的外包覆球和內部的小顆粒組成，當夾持物體時，外包覆球形成物體表面的形狀，這時抽干內部空氣，內部小顆粒聚集后形狀固定。通過外部激光掃描外包覆球的外形可以得到所抓取物體的形狀。由于需要抓取后再取下物體，通過外部激光掃描獲取物體表面信息，實際中并不實用，且檢測周期較長，另外激光掃描成本較高。

需要說明的是，在上述背景技術部分公開的信息僅用于對本申請的背景的理解，因此可以包括不構成對本領域普通技術人員已知的現有技術的信息。

發明內容

本發明的主要目的在于克服上述背景技術的缺陷，提供一種基于觸覺形狀感知的柔性機械手及觸覺形狀感知裝置。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種基于觸覺形狀感知的柔性機械手，包括彈性軟囊和攝像機，所述彈性軟囊包括形成囊體的柔性薄膜，所述彈性軟囊內充有透明流體介質，所述柔性薄膜的表面均勻分布有角度感知靶標，所述角度感知靶標包括微透鏡陣列和位于所述微透鏡陣列下方的圖案層，所述微透鏡陣列中的微透鏡和所述圖案層中的圖案對應地構成多個靶點，當所述彈性軟囊接觸到物體時，所述柔性薄膜變形，所述角度感知靶標中的靶點隨之發生相應的角度變化，由此所帶來的靶點圖案的變化由所述攝像機拍攝捕捉，其中，根據所述靶點圖案的變化確定靶點的角度變化，進而確定所述物體的形狀，所述柔性機械手根據所確定的物體形狀進行物體抓取。

進一步地：

所述微透鏡陣列中的微透鏡對應所述圖案層中的一個像素集，每個像素集包含3-4個像素點，每個角度只有其中一個像素點的光從對應的微透鏡中出射。

所述圖案層包括多個中心圓點，所述中心圓點與周圍背景形成對比色，在角度變化時所述中心圓點的位置發生變化，通過處理拍攝的圖像獲得所述中心圓點的中心位置坐標，從而確定靶點的角度變化。