一種用于五指靈巧手自適應抓取的觸滑覺傳感網的制作方法

本發明屬于機器人技術領域，提出了一種新型的觸滑覺傳感網，具體涉及觸滑覺傳感網在仿人五指靈巧手抓取階段的應用，優化了靈巧手的抓取與后抓取兩階段作業。

背景技術：

目前，仿人靈巧手的研究開發已經成為機器人尖端領域的重要課題。自20世紀80年代起，各國學者研制了各種類型的仿人靈巧手，希望在結構和功能上模仿人手，擴展工業機械手的功能。仿人靈巧手和傳統機械手相比確實具有更多的優勢，可以解決一些復雜的問題。但同時，仿人手的抓取規劃和控制相當復雜，大多數仿人手的抓取規劃都停留在抓取單一的物體上面，如何更好的適應抓取不同的物體成為研究仿人手的熱點問題。目前，大多數抓取規劃都僅考慮手指指尖與目標物體接觸的情況，沒有充分利用仿人手的結構特點，造成了抓取成功率低等問題。通過使用六維力/力矩傳感器和局部滑覺傳感器，對待抓取物體進行柔順抓取控制，不過由于使用上述傳感器會出現計算量大等問題，對處理器性能要求較高。因此，如何在抓取及后抓取階段實現更持續、穩定的抓握，成為一大亟待解決的問題。

技術實現要素：

本發明內容設計了一種用于五指靈巧手自適應抓取的觸滑覺傳感網，充分利用了仿人靈巧手結構上的包絡特點，通過在靈巧手各指節內側表面安置壓力傳感器以及各關節安置角度傳感器組成了傳感網絡。該傳感網主要為靈巧手的抓取任務提供了兩個新型功能，一方面能夠用做指節事件驅動控制中的事件檢測器，基于指節事件驅動和柔順控制對靈巧手的所有指節進行聯合控制，以實現對目標物體更穩定、準確的抓握。另一方面，觸滑覺傳感網能夠同時檢測靈巧手對目標物體的三維作用力以及靈巧手與物體之間的滑移信號，基于連桿機構學、通過實時標定外界合力和比較靈巧手對物體的作用合力計算得到手掌中物體的滑移方向，從而及時作出反應動作，防止后抓取階段的物體脫落，保證該階段穩定、持續的抓握。

技術實現

為了實現上述發明目的，我們基于仿人五指靈巧手的運動特性與結構特點，設計了用于五指靈巧手自適應抓取的觸滑覺傳感網，為靈巧手的抓取和后抓取階段提供了兩種新型功能和方法。

觸滑覺傳感網主要由靈巧手各指節內側表面上的壓力傳感器和各關節處的角度傳感器組成，壓力傳感器用于測量指節對物體的作用力，角度傳感器用于測量關節當前相對于初始狀態的角度。

在基于指節事件驅動和柔順控制的抓取規劃中，在各手指指尖進行基于位置的阻抗控制的同時，觸滑覺傳感網作為指節事件驅動控制中的事件檢測器，當一指節處壓力達到期望值時，該指節及其下指節均停止運動，其上指節降為低自由度連桿繼續進行柔順控制。通過觸滑覺傳感網對所有指節進行聯合控制，增加了靈巧手與抓取目標的接觸面積，解決了傳統抓取方法只考慮指尖與物體接觸造成的抓取成功率低等問題，實現對目標物體更穩定、準確的抓握。

在五指靈巧手抓取和后抓取階段，在腕部正交關節處設置原點并建立空間坐標系，通過觸滑覺傳感網檢測各指節對抓握物體的作用力，基于連桿機構學、根據各關節之間的長度及各關節的角度確定各指節在空間坐標系中的位姿，計算穩定狀態下靈巧手對物體的作用合力從而得到其他外界作用合力。當物體發生滑落時，靈巧手對物體的作用合力發生變化，將其與穩定狀態時得到的其他外界作用合力相比較，計算出物體的滑落方向即觸滑覺傳感網的滑移信號，從而在相關方向及時作出反應動作，防止物體從靈巧手中脫落，保證靈巧手對物體穩定、持續的抓握。

本發明優點在于：

(1)充分利用了靈巧手結構上的包絡特點設計了觸滑覺傳感網；

(2)對所有指節聯合控制，增加了靈巧手與抓取目標的接觸面積，使抓握更穩定準確；

(3)通過直接比較靈巧手對物體的作用合力與其他外界作用合力來確定物體相對于靈巧手的滑移信號。

附圖說明

附圖1為單手指的觸滑覺傳感網局部示意圖；

附圖2為大拇指的觸滑覺傳感網局部示意圖；

附圖3為觸滑覺傳感網整體布局示意圖；

附圖4為指節事件驅動控制過程示意圖；

附圖5為傳感網整體布局簡化示意圖及標定外界合力的過程示意圖；

附圖6為傳感網整體布局簡化示意圖及計算滑移信號的過程示意圖。

具體實施方式

附圖1為單手指的觸滑覺傳感網局部示意圖。觸滑覺傳感網的壓力傳感器(1)分別位于靈巧手分手指指尖(2)、指節(3)、指基(4)的內側表面上。

附圖2為大拇指的觸滑覺傳感網局部示意圖。觸滑覺傳感網的壓力傳感器(1)分別位于靈巧手大拇指指尖(5)、指節(6)的內側表面上，(7)、(8)分別為大拇指指基和手掌。

附圖3為觸滑覺傳感網整體布局示意圖。靈巧手各指節內側表面安置壓力傳感器(1)組成了觸滑覺傳感網。

附圖4為指節事件驅動控制過程示意圖。在指尖進行基于位置的阻抗控制的同時，當指基壓力達到期望值時，指基停止運動，手指降為二自由度連桿繼續運動。同樣，當指節壓力達到期望值時，指節、指基均停止運動，手指降為一自由度連桿即只有指尖繼續運動。

附圖5為傳感網整體布局簡化示意圖及標定外界合力的過程示意圖。通過觸滑覺傳感網(圖中黑色三角形為壓力傳感器)檢測到與目標物體接觸的各指節上的作用力f1-14，基于連桿機構學、根據各關節之間的長度及各關節的角度確定各指節在空間坐標系中的位姿，計算靈巧手對物體的作用合力fa。在抓握穩定狀態下，標定得到其他外界作用合力fb＝fa。

附圖6為傳感網整體布局簡化示意圖及計算滑移信號的過程示意圖。通過觸滑覺傳感網(圖中黑色三角形為壓力傳感器)檢測到與目標物體接觸的各指節上的作用力f1-14，基于連桿機構學、根據各關節之間的長度及各關節的角度確定各指節在空間坐標系中的位姿，計算靈巧手對物體的作用合力fa。當抓取物體發生滑動時，靈巧手對物體的作用合力fa發生變化，通過比較fa與抓握穩定時標定得到的其他外界作用合力fb，得到fa與fb的合力fc，從而得到物體的滑移方向，使靈巧手在相關方向做出反應動作，實現對物體持續穩定的抓握。

技術特征：

技術總結
本發明內容設計了一種用于五指靈巧手自適應抓取的觸滑覺傳感網，充分利用了仿人靈巧手結構上的包絡特點，通過在靈巧手各指節內側表面安置壓力傳感器以及各關節安置角度傳感器組成了傳感網絡。該傳感網為靈巧手的抓取任務提供了兩個新型功能，一方面能夠用做指節控制中的事件檢測器，基于事件驅動和柔順控制對所有指節進行聯合控制，以實現對目標物體穩定、準確的抓握。另一方面，觸滑覺傳感網能夠同時檢測靈巧手對目標物體的三維作用力以及靈巧手與物體之間的滑移信號，基于連桿機構學、通過實時標定外界合力和比較靈巧手對物體的作用合力計算物體的滑移方向，從而及時作出反應動作，防止后抓取階段的物體脫落，保證該階段穩定、持續的抓握。

技術研發人員：羅慶生;盧奕昂;韓連強;孫堯;張道統;王鑫;王宇飛
受保護的技術使用者：北京理工大學
技術研發日：2017.06.16
技術公布日：2017.09.08