一种气动软体手指、软体手指控制系统及控制方法与流程

本发明涉及软体机器人领域，尤其涉及一种气动软体手指、软体手指控制系统及控制方法。

背景技术：

目前机械手通常为刚性结构，采用电机、液压缸等刚性驱动器进行驱动，具有结构复杂，成本高，安全性、柔顺性差，不易安装维护等缺点。近年来，气动软体手的出现很好地弥补了传统刚性机械手的缺点，由于其主体常选用硅橡胶等柔性材料，通过形状沉积制造、3d打印等方式制造，并由压缩空气进行驱动，故其具备很好地安全性及柔顺性，同时兼具结构简单、制造成本低、功率密度比高等特点，能够较好地顺从环境的变化，故其受到众多国内外高校及科研院所的关注，并在工业分拣领域崭露头角。

目前大多数气动软体手指仍通过安装弯曲传感器或接触力传感器来对手指的弯曲曲率和夹持力进行检测，然而由于气动软体手本身柔韧性较大，故在传感器选择及安装等方面受到了很大的限制，且这种测试方式成本较高，感知系统较为复杂，所以使得目前大多数气动软体手在闭环控制方面尚还处于实验室研究阶段，制约了其在众多域中的商品化及实用化。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种气动软体手指以解决现有气动软体手指在传感器选择及安装等方面受到限制的问题；提供一种软体手指控制系统及控制方法，可对手指接触力及弯曲曲率进行检测，实现对手指接触力的闭环控制，应用领域广泛。

本发明提供一种气动软体手指，包括：设置于上层的驱动部分和设置于下层的感知部分，所述驱动部分设有驱动气腔，所述感知部分设有感知气腔，所述感知部分的底面粘有尼龙粘扣。

在本发明的气动软体手指中，所述驱动部分和所述感知部分采用形状沉积技术一体化制造。

本发明还提供一种气动软体手指控制系统，除了包括上述的气动软体手指，还包括：

驱动气压传感器，与所述驱动气腔相连接用于实时检测驱动气腔的驱动气压；

感知气压传感器，与所述感知气腔相连接用于实时检测感知气腔的感知气压；

控制器，与所述驱动气压传感器和感知气压传感器相连接，将检测的驱动气压和感知气压上传到上位机；

上位机，将感知气压转化为曲率信号，并依据曲率信号和驱动气压确定手指是否接触物体；将感知气压转化为接触力信号，根据接触力信号和预设值生成控制指令；

还包括与所述驱动气腔相连接的气泵和电磁阀，控制器接收控制指令通过功率放大电路对气泵和电磁阀进行控制，进而调节手指的驱动气腔的气压，完成对手指接触力的控制。

在本发明的气动软体手指控制系统中，所述上位机包括：

用于将所述感知气压转化成手指的实测曲率的实测曲率转化模块；

用于根据实时检测的驱动气压计算预测曲率的预测曲率计算模块；

根据预测曲率和实测曲率判断手指是否接触到物品的曲率判定模块；

用于将所述感知气压转化成接触力的接触力转化模块；

用于判断所述接触力是否达到预设值的接触力判定模块；

根据接触力和预设值生成控制指令的pid控制模块。

在本发明的气动软体手指控制系统中，所述实测曲率转化模块根据下式计算软体手指的弯曲夹角，并根据弯曲夹角计算软体手指的实测曲率：

式中，p1、v1分别为感知气腔初始气压和体积，p2为按压后感知气腔气压，θ为手指弯曲夹角，b'、d'以及e'分别为变形后感知气腔的高度、壁厚以及宽度，l为感知气腔长度，其中d'可表示为：

式中，d0为感知气腔初始高度，r2为弯曲后感知气腔底边的曲率半径。

在本发明的气动软体手指控制系统中，所述预测曲率计算模块根据空载条件下驱动气压与手指弯曲曲率的关系表达式计算预测曲率，所述关系表达式如下：

p＝a0+a1b+a2b²+a3b³

式中，p为实时检测的驱动气压，b为预测曲率，a0、a1、a2、a3均为拟合参数值。

在本发明的气动软体手指控制系统中，接触力转化模块根据下式计算接触力：

式中，p1、v1分别为感知气腔初始气压和体积，p2为按压后感知气腔气压，e为手指主体材料的弹性模量，i为感知气腔上层截面的转动惯量，e'为变形后气腔宽度，l为感知气腔长度。

本发明还提供一种气动软体手指控制方法，包括如下步骤：

检测驱动气腔的驱动气压和感知气腔的感知气压；

将驱动气压和感知气压上传到上位机进行处理；

将感知气压转化为曲率信号，并依据曲率信号和驱动气压确定手指是否接触物体；将感知气压转化为接触力信号，根据接触力信号和预设值生成控制指令；

控制器接收控制指令后通过功率放大电路对气泵和电磁阀进行控制，进而调节手指的驱动气腔的气压，完成对手指接触力的控制。

在本发明的气动软体手指控制方法中，将感知气压转化为曲率信号，并依据曲率信号和驱动气压确定手指是否接触物体，具体为：

将所述感知气压转化成手指的实测曲率；

根据实时检测的驱动气压计算预测曲率；

根据预测曲率和实测曲率判断手指是否接触到物品，若接触到物品转到下一步，否则通过气泵和电磁阀调整驱动气腔的气压后，重新检测驱动气压和感知气压。

在本发明的气动软体手指控制方法中，将感知气压转化为接触力信号，根据接触力信号和预设值生成控制指令，具体为：

将所述感知气压转化成接触力；

判断所述接触力是否达到预设值；

根据接触力和预设值生成控制指令。

本发明的气动软体手指、软体手指控制系统及控制方法至少具有以下有益效果：本发明设计的软体手指实现了驱动与感知的高度集成，本发明的控制装置仅通过检测感知气腔的气压便可实现对手指弯曲曲率及接触力的测量，相较传统通过弯曲传感器及接触力传感器的测量装置，具有结构简单、成本低、手指柔顺性好等特点。本发明的控制方法通过检测感知气腔气压，从而对手指弯曲曲率及接触力进行测量，实现对手指接触力的闭环控制，为完成多手指配合抓取奠定基础。

附图说明

图1为本发明气动软体手指结构示意图；

图2为本发明气动软体手指控制系统的示意图；

图3为本发明气动软体手指感知气腔弯曲变形示意图；

图4为本发明气动软体手指感知气腔底层受力示意图；

图5为本发明气动软体手指控制方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种气动软体手指，包括：设置于上层的驱动部分1和设置于下层的感知部分2，在感知部分2的底面粘有尼龙粘扣5，从而起到抑制底面变形，增加手指接触摩擦力的作用。驱动部分1设有驱动气腔3，感知部分2设有感知气腔4。本发明的软体手指的驱动部分1和感知部分2采用形状沉积技术一体化制造。手指具有结构简单、集成化程度高、成本低、柔顺性好等特点，避免了传统感知方案中，在传感器布置安装、以及其对手指运动影响等方面的制约。

如图2所示，本发明提供了一种气动软体手指控制系统，包括：软体手指10、驱动气压传感器20、感知气压传感器30、控制器40、上位机50、功率放大电路60、气泵70以及电磁阀80。

驱动气压传感器20、气泵70以及电磁阀80分别与驱动气腔3相连接，驱动气压传感器20用于实时检测驱动气腔3的驱动气压。感知气压传感器30与感知气腔4相连接，用于实时检测感知气腔4的感知气压。控制器40，与驱动气压传感器20和感知气压传感器30相连接，将检测的驱动气压和感知气压上传到上位机50。上位机50用于将感知气压转化为曲率信号，并依据曲率信号和驱动气压确定软体手指10是否接触到待抓取物体；再将感知气压转化为接触力信号，根据接触力信号和预设值生成控制指令，并将控制指令输出给控制器40。控制器10接收控制指令后通过功率放大电路60对气泵70和电磁阀80进行控制，进而调节软件手指10的驱动气腔的气压，完成对软件手指接触力的控制。

上位机50进一步包括：实测曲率转化模块、预测曲率计算模块、曲率判定模块、接触力转化模块、接触力判定模块以及pid控制模块。实测曲率转化模块用于将所述感知气压转化成手指的实测曲率，预测曲率计算模块用于根据实时检测的驱动气压计算预测曲率，曲率判定模块根据预测曲率和实测曲率判断手指是否接触到物品，接触力转化模块用于将感知气压转化成接触力，接触力判定模块用于判断接触力是否达到预设值，pid控制模块根据接触力和预设值生成控制指令。下面具体说明一下上位机50中各个模块的工作情况。

设感知气腔4的初始内部气压为p1，初始体积为v1，发生按压后通过感知气压传感器30可测得感知气腔4内部气压变为p2，则通过理想气体方程可知其变形后的体积v2为：

实测曲率转化模块用于将感知气压转换成手指的实测曲率。测量手指的实测曲率时需得到手指的弯曲形变与感知气腔4的内部压强变化的关系。设手指为等曲率弯曲，其弯曲变形后的状态如图3所示。其中，r1为感知气腔4上层的曲率半径，r2为感知气腔4下层的曲率半径，b'为感知气腔4的壁厚，则变形后感知气腔4的体积为：

式中e'、d'分别为弯曲变形后感知气腔的宽度和高度，θ为手指弯曲角度。将(1)式代入(2)式则有：

由于手指的感知部分2的下层粘有尼龙搭扣5，所以弯曲时感知气腔4的长度l不变，此时有：

l＝θ(r2-b′)(4)

根据式(3)和式(4)得出：

由式(5)得出软体手指的弯曲角度为：

由于手指弯曲时，感知气腔4的轴向长度会变长，从而使其在厚度方向会放生收缩。如图3所示，沿厚度方向上轴向伸长量△l为：

δl＝l′-l＝θ(r2+x)-l(7)

式中x为感知气腔高度方向变化量。

由式(7)可知软体手指的轴向应变εl为：

则厚度方向的应变εd为：

εd＝-vεl(9)

其中v为软性手指材质的泊松比(查表可知硅橡胶泊松比为0.499)。将厚度方向分为d'等分，则每段弯曲变形后的厚度变为：

根据式(10)，对其进行积分则得出：

故可知弯曲变形后软性手指的感知气腔4的厚度为：

根据式(6)和式(12)可得到弯曲角度θ。将上述计算得到的弯曲角度θ代入下面公式(13)可知软体手指的曲率半径为：

进而，通过式(13)可计算出软体手指的实测曲率。

预测曲率计算模块根据空载条件下驱动气压与手指弯曲曲率的关系表达式计算预测曲率，该关系表达式通过matlab软件拟合得到，其拟合形式如下：

p＝a0+a1b+a2b²+a3b³(14)

其中，b为预测曲率，p为实时检测到的驱动气压值，a0、a1、a2以及a3均为拟合参数值。驱动气压传感器20将检测的驱动气压通过控制器40上传给上位机50，预测曲率计算模根据式(14)计算出预测曲率b。

曲率判定模块将上述式(13)和式(14)计算出的实测曲率和预测曲率进行对比，判断手指是否接触到物品。如果预测曲率大于实测曲率，则表示软性手指碰触到物体，此时记录当前的实测曲率，再进一步判断接触力。否则表示手指没碰触到物体，控制器40通过气泵70和电磁阀80调整驱动气腔3的气压后，重新检测驱动气压和感知气压。通过实测曲率转化模块、预测曲率计算模块以及曲率判定模块确定软体手指接触到物体后，通过接触力转化模块计算接触力。

设l、e0'、d0'分别为感知气腔4在初始条件下的长度、宽度以及高度。e'、d'分别为按压变形后的感知气腔的宽度和高度。由于相对高度变形量，宽度变形较小，故可以近似认为按压前后感知气腔4的宽度不发生改变，即e'≈e0'。感知气腔4底层受压时其长度和宽度不发生改变，仅高度放生变化，故需要求出感知气腔4底层受压后所产生的挠度变化。将感知气腔4底层简化为简支梁，则对其受力进行分析如图4所示。图中fa、fb分别为感知气腔4两端固定支点所产生的支撑力，f为接触力，ql为感知气腔内相对压强所产生的均布力，q代表均布力密度，a、b分别为作用点c相距支点a和b的距离。对b点取矩，则有：

式中x为感知气腔长度方向变化量。

根据式(15)，利用材料力学知识可得ac段及bc段的挠度分别为：

其中wac和wbc分别代表ac段及bc段的挠度，e为软性手指材料的弹性模量，i为感知气腔底层截面转动惯量。由于所选材料的邵氏硬度为2a，则可知其弹性模量e为：

其中ha为材料邵氏硬度。可知转动惯量i为：

其中e、d为手指初始条件下的宽度和高度。根据式(15)可知变形后的感知气腔的体积为：

设受压后感知气腔长度和宽度不变，则有：

q＝(p2-p1)e′(20)

设a＝0.5l，则可得接触力为：

将式(1)代入式(21)得到：

将感知气压代入式(22)中可计算出软体手指的接触力。

接触力判定模块用于判断接触力是否达到预设值。如果到达预设值则停止向驱动气腔充气；如果接触力没到达预设值，通过pid控制模块对接触力和预设值进行运算进而生成控制指令。并将控制指令输出给控制器40。控制器40接收控制指令后生成pwm信号，通过功率放大电路60对气泵70和电磁阀80进行控制，进而调节软件手指10的驱动气腔的气压，完成对软件手指接触力的控制。

上述为本发明的软体手指控制系统，基于该控制系统本发明还提供了一种软体手指控制方法，包括如下步骤：

首先，检测驱动气腔的驱动气压和感知气腔的感知气压；将驱动气压和感知气压上传到上位机进行处理；

然后，通过上位机将感知气压转化为曲率信号，并依据曲率信号和驱动气压确定手指是否接触物体；将感知气压转化为接触力信号，根据接触力信号和预设值生成控制指令；

最后，控制器接收控制指令后通过功率放大电路对气泵和电磁阀进行控制，进而调节手指的驱动气腔的气压，完成对手指接触力的控制。

图5为软体手指控制方法的流程图。如图所示，在检测气腔气压前先排空驱动气腔3中的气体，并关闭气泵70和电磁阀80。然后给驱动气腔和感知气腔充气，通过驱动气压传感器20和感知气压传感器30检测驱动气腔3和感知气腔4的气压。如果驱动气压达到最大充气气压值，则需排空驱动气腔3内的气体重新充气。如果驱动气压小于最大充气气压值，则进行曲率转换。

如图5所示，将感知气压转化为曲率信号，并依据曲率信号和驱动气压确定手指是否接触物体具体为：

将感知气压转化成手指的实测曲率，即根据式(1)至式(13)计算实测曲率，计算过程这里不再赘述；

根据实时检测的驱动气压计算预测曲率，即根据式(14)计算预测曲率；

根据预测曲率和实测曲率判断手指是否接触到物品，若接触到物品转到下一步，否则通过气泵和电磁阀调整驱动气腔的气压后，重新检测驱动气压和感知气压。

如图5所示，当软体手指接触到物品时，记录当前的实测曲率。再进一步判定接触力大小。在判定接触力大小前，重新检测各气腔的气压，如果驱动气压达到最大充气气压值，则说明软体手指的接触力已经到达最大值，结束进程。如果驱动气压小于到最大充气气压值，则进行接触力转换。将感知气压转化为接触力信号，根据接触力信号和预设值生成控制指令体具体为：

将感知气压转化成接触力，即根据式(15)至式(22)计算接触力，具体计算过程不再赘述；

判断接触力是否达到预设值；如果接触力达到预设值，则结束控制过程，如果接触力小于预设值，则pid控制模块对接触力和预设值进行运算进而生成控制指令。

pid控制模块将控制指令输出给控制器40。控制器40接收控制指令后生成pwm信号，通过功率放大电路60对气泵70和电磁阀80进行控制，进而调节软件手指10的驱动气腔的气压，完成对软件手指接触力的闭环控制。

本发明设计的软体手指实现了驱动与感知的高度集成，本发明的控制装置仅通过检测感知气腔的气压便可实现对手指弯曲曲率及接触力的测量，相较传统通过弯曲传感器及接触力传感器的测量方法，具有结构简单、成本低、手指柔顺性好等特点。本发明的控制方法通过检测感知气腔气压，从而对手指弯曲曲率及接触力进行测量，实现对手指接触力的闭环控制，为完成多手指配合抓取奠定基础。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。