一种基于柔性压力传感器的机械手驱动系统

摘要

本发明提供一种基于柔性压力传感器的机械手驱动系统，包括：多个柔性压力传感器、固定指、驱动指、凹状掌垫、传动机构、舵机、调节机构和手爪支架。柔性压力传感器分别贴附在凹状掌垫和驱动指内表面，凹状掌垫采用弹性复合材料，表面贴附柔性压力传感器；通过调节机构可以改变固定指与凹状掌面的角度。本发明专利结合机械臂或者刚性杆，可以完成柔顺抓取物体任务：当物体与凹状柔性压力传感器之间的接触力达到预设值后，微型控制器接收抓取信号并发送控制指令使驱动手指执行抓握动作，根据驱动指表面柔性压力传感器阵列实时反馈的接触压力信息，微型控制器控制舵机施加合理的抓取力度。本装置具有抓取稳定、防止物体破损和抓取时机准确的特性。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人手爪技术领域，尤其涉及的是一种基于柔性压力传感器的机械手驱动系统。

背景技术

随着科学技术不断发展，机器人已经成为人们日常生活中必不可少的工具，机器人手爪向着多功能、柔性化、智能化和高性能方向发展，这是扩大机器人应用领域和提高机器人智能化程度的重要方向之一。

目前，使机器人手爪具有触觉感知功能是国内外研究人员所关注的，具体是机械手可以反馈被抓对象的软硬程度、表面温度、空间形状等信息，从而操作人员或者机器人根据这些信息判断并决策下一步将要执行的动作。简单的机械末端夹持器，作业空间较小，灵活性较差只能用于特定场所；用于机器人末端执行器的“灵巧手”功能多、性能强，但制备成本很高，难以普化。文献调研表明，现有机械手仍然存在两个主要缺点：一是用于机器人的机械手难以抓取多种形状不规则的物体，即使公开了很多带有触觉感知模块的柔性机器人手爪，但软体手指的设计具有一定的抓取局限性，对于体积相差较大的物体抓取效果不理想；二是机械手用于抓取易损物体的情况下，难以保障机械手的抓取速率和抓取稳定性，容易破坏抓取对象。

因此，本发明公开了一种基于柔性压力传感器的机械手驱动系统，利用电机驱动方式的优势，机械手可抓取易损物体和多种不同形状的物体，具有结构简单、控制难度小、抓取时机准确和适用性强的优点。结合机械臂或者刚性杆，本发明所提出的机械手可广泛用于果蔬分拣、物品搬运等场所。

发明内容

针对上述机器人手爪的尚存缺点，本发明提出了一种基于柔性压力传感器的机械手及控制方法。机械手能够实时检测手指与抓取对象之间的接触压力，通过专家PID控制算法提高系统稳定性，然后通过舵机和传动机构调节抓取力度，完成柔顺抓取动作。所提出的压力闭环机械手驱动系统，够抓取形状不同、容易损坏的物体，在一定程度上可以保护物体，并扩大机械手的适用范围。

本发明的技术方案如下：

一种基于柔性压力传感器的机械手驱动系统，包括：末端柔性压力传感器、中端柔性压力传感器、驱动指、凹状柔性压力传感器、传动机构、舵机、调节卡、凹状掌垫、固定指、弹簧、转轴、套管、手爪支架和微型控制器，所述末端柔性压力传感器固定于驱动指上部内侧表面，所述中端柔性压力传感器固定于驱动指中部内侧表面，所述驱动指、固定指和传动机构同转轴连接，所述驱动指由传动机构控制转动角度，所述凹状柔性压力传感器固定于凹状掌垫凹面表面，所述舵机与传动机构连接并为传动机构提供动力，所述舵机固定于固定指上，所述调节卡同体连接于套管上，所述固定指穿过调节卡上端方孔，所述凹状掌垫连接于手爪支架顶端，所述弹簧连接于手爪支架和固定指上，所述固定指和手爪支架由转轴连接，所述套管套接在手爪支架上可以上下移动，所述末端柔性压力传感器、中端柔性压力传感器、凹状柔性压力传感器和舵机与微型控制器相连接；

优选地，所述驱动指和固定指采用刚性杆和柔弹性复合材料制备，模仿灵长类生物手指骨骼和肌肉的刚柔结构。

优选地，所述柔性压力传感器、中端柔性压力传感器和凹状柔性压力传感器模仿压觉感应受体。

优选地，所述驱动指末端柔性压力传感器表面呈凹凸不平结构，可以增大机械手与抓取对象之间的摩擦。

优选地，所述的凹状掌垫被多根手指包围住，所述凹状掌垫采用具有柔弹性的复合材料，与抓取对象相接触时可以在一定角度范围内自由摆动和变形。

优选地，所述固定指可以根据抓取对象的形状调整开合角度，以适应体积相差较大的易碎或者易破损的抓取对象。

优选地，套管和手爪支架通过机械结构可以改变调节卡的角度，弹簧提供支撑力，固定指的角度随着调节卡的角度变化而变化，从而可以调节固定指的角度。

优选地，所述驱动指的数目可以根据工况要求改变，数目大于等于3根。

优选地，所述驱动指的每根手指都是一个控制系统，微控制器根据三根驱动指各自尖端的柔性压力传感器反馈信息分别控制不同驱动指的抓取力度，直至力度达到期望值，使每根手指都与被抓对象高度贴合。

优选地，所述微型控制器选用专家PID控制算法，根据不同时刻的误差e和误差变化Δe之间的关系，利用专家控制规则对PID的参数进行在线调整，以适应机械手驱动系统参数和跟踪控制需求。

优选地，所述微型控制器通过移动端APP和机械手装置设定和切换工作模式，具体可以根据不同的抓取对象，设置抓取动作适合的预设值和期望值。

本发明的有益效果：机械手的驱动指表面贴附着柔性压力传感器阵列能够实时检测手指与抓取对象之间的接触压力，通过专家PID控制算法提高系统稳定性，然后通过舵机和传动机构调节抓取力度，提高抓取动作的柔顺性。所提出的压力闭环机械手驱动系统，可以抓取形状不同、容易损坏的物体，在一定程度上可以保护物体，并扩大机械手的适用范围。本装置具有结构简单、控制难度小、适用性强、抓取稳定、防止物体破损和抓取时机准确的特性。结合机械臂或者刚性杆，本发明所提出的机械手可广泛用于果蔬分拣、物品搬运等场所。

附图说明：

图1.本发明的机械手实物图；

图2.本发明的机械手的俯视图；

图3.本发明的机械手功能流程；

图4.本发明的机械手抓取状态示意图；

图5.固定指角度调节局部结构示意图；

图6.机械手驱动系统控制策略图；

图7.机械手驱动系统的单驱动指原理结构图；

图中：1.末端柔性压力传感器，2.中端柔性压力传感器，3.驱动指、4.凹状柔性压力传感器，5.传动机构，6.舵机，7.调节卡，8.凹状掌垫，9.固定指，10.弹簧，11.转轴，12.套管，13.手爪支架

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作出详细的说明，使得发明目的、技术方案、特征等更加易于理解，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，实施例仅用于解释本发明，而不是对本发明的限定。

请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：

如图1所示，本发明提供的一种基于柔性压力传感器的机械手驱动系统，包括末端柔性压力传感器1、中端柔性压力传感器2、驱动指3、凹状柔性压力传感器4、传动机构5、舵机6、调节卡7、凹状掌垫8、固定指9、弹簧10、转轴11、套管12和手爪支架13，调节卡7、弹簧10、转轴11和套管12统称为调节机构，所述末端柔性压力传感器1固定于驱动指3上部内侧表面，所述中端柔性压力传感器2固定于驱动指3中部内侧表面，所述驱动指3、固定指9和传动机构5同转轴连接，所述驱动指3由传动机构5控制转动角度，所述凹状柔性压力传感器4固定于凹状掌垫8凹面表面，所述舵机6与传动机构5连接并为传动机构5提供动力，所述舵机6固定于固定指9上，所述调节卡7同体连接于套管12上，所述固定指9穿过调节卡7上端方孔，所述凹状掌垫8连接于手爪支架13顶端，所述弹簧10连接于手爪支架13和固定指9上，所述固定指9和手爪支架13由转轴11连接，所述套管12套接在手爪支架13上可以上下移动，所述末端柔性压力传感器1、中端柔性压力传感器2、凹状柔性压力传感器4和舵机6与微型控制器相连接；

具体地，如图2所示，驱动指3和固定指9采用刚性杆和柔弹性复合材料制备，本实施例选用模仿灵长类生物的手指骨骼和肌肉的刚柔结构，位于驱动指3内表面的柔性压力传感器阵列模仿压觉感应受体，驱动指末端传感器表面呈凹凸不平结构，可以增大机械手与抓取对象之间的摩擦，本实施例选用模仿人类指纹的纹路结构。凹状掌垫8被多根手指包围住，表面贴附一个凹状柔性压力传感器4，本实施例选用PDMS封装的“三明治”结构柔性压力传感器。凹状掌垫采用具有柔弹性的复合材料如硅橡胶，与所抓取物体相接触时可以在一定角度范围内自由摆动和变形。

如图3所示，基于柔性压力传感器的机械手驱动系统工作过程是：首先操作者进行操控方式选择，分为移动端APP或者机械手键盘装置控制。机械臂或者刚性杆将机械手移动到抓取对象附近，直至抓取对象与凹状掌垫8相接触，当物体与凹状柔性压力传感器4的接触力达到预设值后此预设值对应的接触力满足抓取对象不被损坏，微型控制器接收凹状柔性压力传感器4的抓取信号并发送控制指令使三个驱动指3执行抓握动作，如图4所示。然后微型控制器根据三个驱动指3内表面柔的性压力传感器阵列1和2实时反馈的接触力信息，控制传动机构5和舵机6施加合理的抓取力度。当接触力达到期望值后此期望值对应的接触力满足抓取对象可以被抓取且被损坏，机械手可以配合机械臂或者刚性杆完成柔顺抓取任务。

具体地，基于柔性压力传感器的机械手驱动系统，通过移动端APP和机械手装置设定和切换工作模式，根据不同的抓取对象，设置抓取动作适合的预设值和期望值。

固定指9可以根据抓取对象的形状调整开合角度，以适应体积相差较大的易碎或者易破损的抓取对象。套管12和手爪支架13通过机械结构可以改变调节卡7的角度，弹簧10提供支撑力，固定指9的角度随着调节卡7的角度变化而变化，从而实现固定指9的角度调节。如图5所示，以固定指A为例分析并说明角度调节原理：弹簧10-A正常处于压缩状态，调节卡7-A为固定指9-A提供支持力，从而固定指9-A压缩弹簧10-A处于弹力状态。当套管12向下移动时，上方衔接的调节卡7-A与固定指9-A分离，弹簧10-A恢复自由状态，固定指9-A开合角度增大，直至固定指9-A与调节卡7-A再次接触和产生约束力。相反地，当套管12向上移动时，调节卡7-A压迫固定指9-A及弹簧10-A，使得弹簧10-A压缩，固定指9-A开合角度减小。因此，通过改变套管12与手爪支架13的相对高度就可以调节固定指9-A的角度。

如图6所示，机械手在抓取易损物体的特殊情况下，要求控制精度高、响应速度快和稳定性好。为了获得理想的控制效果，机械手控制策略选用基于专家PID控制算法，根据不同时刻的误差e和误差变化Δe之间的关系，利用专家控制规则对PID的参数进行在线调整，目的是适应机械手驱动系统参数和跟踪控制需求。

本实施例以三根手指的机械手为例进行说明，每根驱动指的组成都是完全一样的，构成独立的控制系统，包括舵机、传动机构、柔性压力传感器阵列和信号处理模块。如图7所示，对单驱动指A进行分析，机械手驱动系统工作时，微型控制器的接收移动端APP或者机械手键盘装置的指令同时处理驱动指表面的柔性压力传感器阵列反馈信号，通过软件实现专家PID控制算法，并以PWM波形式输出到舵机，再通过传动机构放大力矩后驱动手指弯曲，产生抓握物体的控制力，并随着机械臂或者刚性杆调整抓取力度完成柔顺抓取动作。整个控制过程中，驱动指与抓取物体接触产生压力带动柔性压力传感器构成闭环反馈回路，经过信号处理模块向微型控制器返回机械手驱动系统相关状态信息，信号处理模块包括信号放大模块和AD转换模块。

以上所述是结合具体实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施仅局限于此。对于本发明专利所属及相关技术领域的技术人员来说，在基于本发明专利技术方案思路前提下，所作的拓展以及操作方法、结构的替换，都应当落在本发明专利保护范围之内。