一种用于五指灵巧手自适应抓取的触滑觉传感网的制作方法

本发明属于机器人技术领域，提出了一种新型的触滑觉传感网，具体涉及触滑觉传感网在仿人五指灵巧手抓取阶段的应用，优化了灵巧手的抓取与后抓取两阶段作业。

背景技术：

目前，仿人灵巧手的研究开发已经成为机器人尖端领域的重要课题。自20世纪80年代起，各国学者研制了各种类型的仿人灵巧手，希望在结构和功能上模仿人手，扩展工业机械手的功能。仿人灵巧手和传统机械手相比确实具有更多的优势，可以解决一些复杂的问题。但同时，仿人手的抓取规划和控制相当复杂，大多数仿人手的抓取规划都停留在抓取单一的物体上面，如何更好的适应抓取不同的物体成为研究仿人手的热点问题。目前，大多数抓取规划都仅考虑手指指尖与目标物体接触的情况，没有充分利用仿人手的结构特点，造成了抓取成功率低等问题。通过使用六维力/力矩传感器和局部滑觉传感器，对待抓取物体进行柔顺抓取控制，不过由于使用上述传感器会出现计算量大等问题，对处理器性能要求较高。因此，如何在抓取及后抓取阶段实现更持续、稳定的抓握，成为一大亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明内容设计了一种用于五指灵巧手自适应抓取的触滑觉传感网，充分利用了仿人灵巧手结构上的包络特点，通过在灵巧手各指节内侧表面安置压力传感器以及各关节安置角度传感器组成了传感网络。该传感网主要为灵巧手的抓取任务提供了两个新型功能，一方面能够用做指节事件驱动控制中的事件检测器，基于指节事件驱动和柔顺控制对灵巧手的所有指节进行联合控制，以实现对目标物体更稳定、准确的抓握。另一方面，触滑觉传感网能够同时检测灵巧手对目标物体的三维作用力以及灵巧手与物体之间的滑移信号，基于连杆机构学、通过实时标定外界合力和比较灵巧手对物体的作用合力计算得到手掌中物体的滑移方向，从而及时作出反应动作，防止后抓取阶段的物体脱落，保证该阶段稳定、持续的抓握。

技术实现

为了实现上述发明目的，我们基于仿人五指灵巧手的运动特性与结构特点，设计了用于五指灵巧手自适应抓取的触滑觉传感网，为灵巧手的抓取和后抓取阶段提供了两种新型功能和方法。

触滑觉传感网主要由灵巧手各指节内侧表面上的压力传感器和各关节处的角度传感器组成，压力传感器用于测量指节对物体的作用力，角度传感器用于测量关节当前相对于初始状态的角度。

在基于指节事件驱动和柔顺控制的抓取规划中，在各手指指尖进行基于位置的阻抗控制的同时，触滑觉传感网作为指节事件驱动控制中的事件检测器，当一指节处压力达到期望值时，该指节及其下指节均停止运动，其上指节降为低自由度连杆继续进行柔顺控制。通过触滑觉传感网对所有指节进行联合控制，增加了灵巧手与抓取目标的接触面积，解决了传统抓取方法只考虑指尖与物体接触造成的抓取成功率低等问题，实现对目标物体更稳定、准确的抓握。

在五指灵巧手抓取和后抓取阶段，在腕部正交关节处设置原点并建立空间坐标系，通过触滑觉传感网检测各指节对抓握物体的作用力，基于连杆机构学、根据各关节之间的长度及各关节的角度确定各指节在空间坐标系中的位姿，计算稳定状态下灵巧手对物体的作用合力从而得到其他外界作用合力。当物体发生滑落时，灵巧手对物体的作用合力发生变化，将其与稳定状态时得到的其他外界作用合力相比较，计算出物体的滑落方向即触滑觉传感网的滑移信号，从而在相关方向及时作出反应动作，防止物体从灵巧手中脱落，保证灵巧手对物体稳定、持续的抓握。

本发明优点在于：

(1)充分利用了灵巧手结构上的包络特点设计了触滑觉传感网；

(2)对所有指节联合控制，增加了灵巧手与抓取目标的接触面积，使抓握更稳定准确；

(3)通过直接比较灵巧手对物体的作用合力与其他外界作用合力来确定物体相对于灵巧手的滑移信号。

附图说明

附图1为单手指的触滑觉传感网局部示意图；

附图2为大拇指的触滑觉传感网局部示意图；

附图3为触滑觉传感网整体布局示意图；

附图4为指节事件驱动控制过程示意图；

附图5为传感网整体布局简化示意图及标定外界合力的过程示意图；

附图6为传感网整体布局简化示意图及计算滑移信号的过程示意图。

具体实施方式

附图1为单手指的触滑觉传感网局部示意图。触滑觉传感网的压力传感器(1)分别位于灵巧手分手指指尖(2)、指节(3)、指基(4)的内侧表面上。

附图2为大拇指的触滑觉传感网局部示意图。触滑觉传感网的压力传感器(1)分别位于灵巧手大拇指指尖(5)、指节(6)的内侧表面上，(7)、(8)分别为大拇指指基和手掌。

附图3为触滑觉传感网整体布局示意图。灵巧手各指节内侧表面安置压力传感器(1)组成了触滑觉传感网。

附图4为指节事件驱动控制过程示意图。在指尖进行基于位置的阻抗控制的同时，当指基压力达到期望值时，指基停止运动，手指降为二自由度连杆继续运动。同样，当指节压力达到期望值时，指节、指基均停止运动，手指降为一自由度连杆即只有指尖继续运动。

附图5为传感网整体布局简化示意图及标定外界合力的过程示意图。通过触滑觉传感网(图中黑色三角形为压力传感器)检测到与目标物体接触的各指节上的作用力f1-14，基于连杆机构学、根据各关节之间的长度及各关节的角度确定各指节在空间坐标系中的位姿，计算灵巧手对物体的作用合力fa。在抓握稳定状态下，标定得到其他外界作用合力fb＝fa。

附图6为传感网整体布局简化示意图及计算滑移信号的过程示意图。通过触滑觉传感网(图中黑色三角形为压力传感器)检测到与目标物体接触的各指节上的作用力f1-14，基于连杆机构学、根据各关节之间的长度及各关节的角度确定各指节在空间坐标系中的位姿，计算灵巧手对物体的作用合力fa。当抓取物体发生滑动时，灵巧手对物体的作用合力fa发生变化，通过比较fa与抓握稳定时标定得到的其他外界作用合力fb，得到fa与fb的合力fc，从而得到物体的滑移方向，使灵巧手在相关方向做出反应动作，实现对物体持续稳定的抓握。

技术特征：

技术总结
本发明内容设计了一种用于五指灵巧手自适应抓取的触滑觉传感网，充分利用了仿人灵巧手结构上的包络特点，通过在灵巧手各指节内侧表面安置压力传感器以及各关节安置角度传感器组成了传感网络。该传感网为灵巧手的抓取任务提供了两个新型功能，一方面能够用做指节控制中的事件检测器，基于事件驱动和柔顺控制对所有指节进行联合控制，以实现对目标物体稳定、准确的抓握。另一方面，触滑觉传感网能够同时检测灵巧手对目标物体的三维作用力以及灵巧手与物体之间的滑移信号，基于连杆机构学、通过实时标定外界合力和比较灵巧手对物体的作用合力计算物体的滑移方向，从而及时作出反应动作，防止后抓取阶段的物体脱落，保证该阶段稳定、持续的抓握。

技术研发人员：罗庆生;卢奕昂;韩连强;孙尧;张道统;王鑫;王宇飞
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2017.06.16
技术公布日：2017.09.08