一种利用深度视觉进行触觉感知的机械爪

摘要

本发明公开了一种利用深度视觉进行触觉感知的机械爪，该机械爪包括：柔性手指、支撑体、第一气管、弹性薄膜、深度相机；柔性手指呈齿状，安装于所述支撑体一侧，柔性手指底部连接有所述第一气管，柔性手指内部形成柔性手指气室；支撑体整体呈柱状，侧面设置有安装所述柔性手指的安装接口；顶部安装有所述弹性薄膜，呈半球形；底部安装有所述深度相机，与弹性薄膜相对应。本发明通过深度相机采集弹性薄膜形变，实现机械爪在不用外部视觉下通过触觉感知物体，解决昏暗环境中目标物体形状、纹理感知及激光雷达、红外相机等不易检测透明物体的感知问题；同时通过光纤感知柔性手指状态，利用电机或气压驱动控制其抓取力度，能抓取易碎物体。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种利用深度视觉进行触觉感知的机械爪。

背景技术

随着科学技术的迅速发展，机器人已经不仅仅应用于工业领域，它开始走进人们的生产生活，机器人成为人的协作者，这对机器人的感知能力和柔顺性提出了极大挑战。无论是家庭还是餐饮业，都对机器人执行结构有很大的要求。

机械爪的设计主要包括结构、材料和传感器，其中结构决定了机械爪的工作方式，材料决定了机械爪的性能和用途，传感器决定了机械爪的操作精度和感知能力。从使用的结构来看，当前机械爪可分为齿轮齿条、平行连杆、仿生等结构。从使用的材料来看，可分为刚性机械爪、柔性机械爪以及刚柔复合型机械爪。刚性机械爪稳定性高、负载能力强，但其自由度低、灵活性差；柔性机械爪具有较高的可伸展性，可以更好地进行人机交互，但其受力能力差，可控性不好；刚柔复合型机械爪虽然弥补了以上两者的不足，但其制作工艺复杂、成本较高，难以推广应用。从使用的传感器来看，柔性结构的机械爪采用的传感器主要有压阻、光纤等；压阻传感器成本低但集成度差，传感密度低；光纤传感器灵敏，可以确定光纤上发生形变的位置，适宜做线传感器，但在机器人交互时需要获取机器人接触所产生的压力、摩擦力、滑动趋势等信息。

现有触觉类传感器研究有广义和狭义之分。广义的触觉包括触觉、压觉、力觉、滑觉、冷热觉等；狭义的触觉包括机械手与对象接触面上的力感觉。从功能的角度分类，触觉传感器大致可分为接触觉传感器、力－力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器等。当前的机械爪传感技术主要有：(1)电容式触觉阵列传感器；其原理是外力使极板间的相对位移发生变化，从而使电容发生变化，通过检测电容变化量来测量触觉力；优点是测量量程大、线性好、制造成本低，缺点是物理尺寸大、不易集成化、易受噪声影响、稳定性差；(2)电感式触觉传感器；它是利用电磁感应原理把压力作用转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出；优点是制造成本低、测量量程范围大，缺点是磁场分布难以控制、分辨率低、不同接触点的一致性差；(3)光电式触觉传感器；它是基于全内反射原理进行研制的，通常由光源和光电探测器构成。当施加在界面上的压力发生变化时，传感器敏感元件的反射强度和光源频率也会相应发生变化；优点是灵敏度高、响应快、较高的空间分辨率、电磁干扰影响较小，缺点是多力共同作用时线性较差、数据实时性差、标定困难；(4)压阻式触觉传感器；它是根据半导体材料的压阻效应而制成的器件，其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式；当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出；优点是较高的灵敏度、过载承受能力强，缺点是压敏电阻漏电流稳定性差、体积大、不易实现微型化、功耗高、易受噪声影响、接触表面易碎；(5)压电式触觉传感器；在压力作用下压电材料两端面间出现电位差；反之，施加电压则产生机械应力；优点是动态范围宽、有较好的耐用性，缺点是易受热响应效应影响。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

为了弥补上述现有技术的抓取性能低、环境感知反馈弱等不足，本发明提出一种利用深度视觉进行触觉感知的机械爪。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

本发明提出一种利用深度视觉进行触觉感知的机械爪，包括：柔性手指、支撑体、第一气管、弹性薄膜、深度相机；柔性手指呈齿状，安装于所述支撑体一侧，锯齿背离朝向于支撑体纵向轴线，柔性手指底部连接有所述第一气管，柔性手指内部形成柔性手指气室；支撑体整体呈柱状，侧面设置有安装所述柔性手指的安装接口；顶部安装有所述弹性薄膜，呈半球形；底部安装有所述深度相机，与弹性薄膜相对应。

在一些实施例中，所述柔性手指包括多个锯齿分块。

在一些实施例中，还包括透明玻璃、微型气泵、第二气管、气压传感器，所述弹性薄膜与深度相机中间区域安装有所述透明玻璃，所述弹性薄膜和透明玻璃组成弹性薄膜气室，所述弹性薄膜气室与微型气泵通过所述第二气管连接；所述气压传感器安装于所述第二气管内。

在一些实施例中，柔性手指随着微型气泵的加压而向支撑体一侧弯曲。

在一些实施例中，通过微型气泵、第二气管给弹性薄膜气室充气，通过气压传感器检测并稳定弹性薄膜气室内气压；当物体与弹性薄膜接触时，弹性薄膜发生形变，深度相机检测弹性薄膜的形变图像，处理形变图像获得物体与弹性薄膜接触产生的压力或滑动摩擦力。

在一些实施例中，深度相机检测弹性薄膜的形变图像，包括滑觉检测，通过帧差法检测两帧之间的位置偏移，根据位置偏移做梯度分析，计算产生滑动的位置和速度。

在一些实施例中，还包括电机，所述电机安装于所述支撑体的安装接口，电机轴线与支撑体轴线相垂直，所述电机与所述柔性手指相接。

在一些实施例中，还包括电机、控制箱，所述柔性手指外部与所述电机、控制箱连接。

在一些实施例中，柔性手指初始化角度的大小随着电机转动而变化。

在一些实施例中，还包括栅格光纤；栅格光纤安装于柔性手指内部；栅格光纤检测柔性手指的弯曲程度，确定柔性手指状态及抓力大小。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：机械爪支撑体上设置深度相机与弹性薄膜，相当于带有“掌心传感器”的新型机械爪结构，通过深度相机检测被抓物体的压力、滑动摩擦力等信息，可以在不利用外部视觉的情况下触觉感知外界物体，解决昏暗环境下的目标物体形状、纹理感知以及激光雷达、红外相机等不容易检测透明物体的感知问题；同时通过光纤检测装置感知机械爪柔性手指状态，利用电机或气压驱动控制机械爪柔性手指的抓取力度，能抓取易碎物体。

附图说明

图1是本发明实施例的一种利用深度视觉进行触觉感知的机械爪的整体组成图。

图2是本发明实施例的一种利用深度视觉进行触觉感知的机械爪的内部结构图。

图3是本发明实施例的一种利用深度视觉进行触觉感知的机械爪柔性手指的气泵加压变化图。

图4是本发明实施例的一种利用深度视觉进行触觉感知的机械爪柔性手指的电机转动变化图。

图5是本发明实施例的一种利用深度视觉进行触觉感知的机械爪柔性手指结构图。

图6是本发明实施例的一种利用深度视觉进行触觉感知的机械爪柔性手指内部结构图。

图7是本发明实施例的一种利用深度视觉进行触觉感知的机械爪的应用图。

图8是本发明实施例的一种利用深度视觉进行触觉感知的机械爪的结构模块功能图。

图9是本发明实施例的一种利用深度视觉进行触觉感知的机械爪的工作流程图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

现有机械爪的结构设计中，传感器多安装在机械爪的指端，通过指端的力反应对物体的抓力；将传感器放置在机械爪的指端对于平行型的机械爪来说可以更好的感受夹力的大小，但对于仿生手指而言，容易忽略掌心的受力，从而大大降低机械爪的抓取性能。

本发明的机械爪采用柔性复合结构，主要面向家庭、餐厅等人机交互场景；提出了一种基于视觉的触觉感知技术，通过深度相机来获取机械爪的受力信息，利用光纤传感器来检测机械爪柔性手指的弯曲程度；根据人手掌的结构，设计了具有指端传感和掌心传感的新型机械爪结构，其中手指传感负责获取手指的形状，并由手指的形状来获取受力的大小，掌心传感器负责获取机械爪抓取物体时的摩擦力、斜向力、滑动力等信息。

机械爪结构部分主要包括手掌和手指两部分，整体组成如图1所示；机械爪包括：柔性手指、支撑体、第一气管、弹性薄膜、柔性手指气室、微型气泵、第二气管、气压传感器、电机、控制箱。

其中手掌包括形变传感模块和气压控制模块，手指包括手指控制模块和光纤检测模块。支撑体相当于“手掌”。形变传感模块包括深度相机和弹性薄膜，当物体与弹性薄膜接触时，弹性薄膜会发生形变，对物体施加的力越大，物体在弹性薄膜表面发生的形变越严重，通过深度相机检测弹性薄膜的形变，根据这些信息就可以确定物体的变化趋势，从而确定接触力的大小。支撑体上安装弹性薄膜和深度相机，共同组成“掌心传感器”结构。

气压控制模块包括微型气泵、弹性薄膜气室、气压传感器和控制器，通过微型气泵来给弹性薄膜气室充气，通过气压传感器来保证弹性薄膜气室中的气压保持稳定。

手指控制模块包括微型气泵、柔性手指、电机和控制器，通过微型气泵来实现改变机械爪柔性手指的弯曲程度，实现对物体的抓取，利用电机来改变手指的初始角度，提高手指的灵活性和抓取的力量。

光纤检测模块包括栅格光纤、调制器和解调器，栅格光纤安装在柔性手指的内部，根据手指的弯曲程度，来确定手指的状态。

机械爪内部结构如图2所示，机械爪包括：柔性手指、支撑体、第一气管、弹性薄膜、深度相机；柔性手指呈齿状，包括多个锯齿分块，安装于所述支撑体一侧，锯齿背离朝向于支撑体纵向轴线，柔性手指底部连接有所述第一气管，柔性手指内部形成柔性手指气室；支撑体整体呈柱状，侧面设置有安装所述柔性手指的安装接口；顶部安装有所述弹性薄膜，呈半球形；底部安装有所述深度相机，与弹性薄膜相对应。

机械爪还包括透明玻璃、微型气泵、第二气管、气压传感器，所述弹性薄膜与深度相机中间区域安装有所述透明玻璃，所述弹性薄膜和透明玻璃组成弹性薄膜气室，所述弹性薄膜气室与微型气泵通过所述第二气管连接；所述气压传感器安装于所述第二气管内。

机械爪还包括电机，所述电机安装于所述支撑体的安装接口，电机轴线与支撑体轴线相垂直，所述电机与所述柔性手指相接。

机械爪还包括电机、控制箱，所述柔性手指外部与所述电机、控制箱连接。

机械爪还包括栅格光纤；栅格光纤安装于柔性手指内部；栅格光纤检测柔性手指的弯曲程度，确定柔性手指状态及抓力大小。

通过微型气泵、第二气管给弹性薄膜气室充气，通过气压传感器检测并稳定弹性薄膜气室内气压；当物体与弹性薄膜接触时，弹性薄膜发生形变，深度相机检测弹性薄膜的形变图像，处理形变图像获得物体与弹性薄膜接触产生的压力或滑动摩擦力。

深度相机检测弹性薄膜的形变图像，包括滑觉检测，通过帧差法检测两帧之间的位置偏移，根据位置偏移做梯度分析，计算产生滑动的位置和速度。

机械爪柔性手指随着微型气泵的加压而向支撑体一侧弯曲，如图3所示。

机械爪柔性手指初始化角度的大小随着电机转动而变化，如图4所示。

机械爪柔性手指外部与电机、气管连接，如图5所示。

机械爪柔性手指呈锯齿状，包括多个锯齿分块，包括弹性外壳、柔性手指气室、栅格光纤，其内部结构如图6所示。

机械爪应用如图7所示。

各个模块的功能如图8所示。气压控制模块的作用是通过压力传感器检测气室内的气压，并控制气室内的压力达到一定的水平，保证气室中气压的稳定；形变传感模块主要包括触觉和滑觉检测，触觉检测是根据弹性薄膜表面的物体形变来感知是否与目标发生了接触，根据物体在嵌入弹性薄膜的深度来感知压力的大小，滑觉检测则是通过帧差法检测两帧之间的位置偏移，根据位置偏移，做梯度分析，来计算产生滑动的位置和速度；用于检测机械爪是否与物体发生接触，以及接触产生的压力和滑动摩擦力；光纤检测模块检测手指的弯曲程度，来确定手指抓力的大小。手指控制模块则是利用光纤的位置反馈和气腔的触觉、滑觉反馈实现物体的稳定抓取，根据检测到的触觉信息调整各个柔性指抓取的力的大小。

机械爪工作流程如图9所示，启动开始，然后首先通过气压控制装置来实现气室内气压的稳定，利用微型气泵通过气管给弹性薄膜气室充气，进行气室压力检测，直至判断达到指定压力；之后通过深度相机采集弹性薄膜的形变情况图像，对图像数据进行处理，根据弹性薄膜的形变情况来获取抓取时物体对弹性薄膜产生的压力、滑动摩擦力等信息；之后通过气压或电机驱动控制柔性手指完成抓取，并利用光纤来获取手指的状态信息，控制柔性手指的抓取力度，实现闭环控制，从而完成指定任务。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。