一种柔性驱动机械手以及基于三维建模的物体识别方法与流程

本发明涉及机械手改进，特别是一种柔性驱动机械手以及基于三维建模的物体识别方法。

背景技术

目前，用于机器人手臂上的末端执行器功能单一，远没有达到人手的灵活与通用功能。实现机器人手臂末端执行器冗余自由度及变阻抗驱动的功能，能够满足工业及日常生活中绝大多数的需要，例如，拧螺丝，拧瓶盖，打磨零部件棱角等。然而更高级的功能，特别是在某些人机交互或特殊环境中，通过柔性手的接触感知识别物体的质地和形状意义重大。比如，服务机器人无法用视觉识别来判断物体的形状和质地时，有人手一样的触觉传感和柔性抓取的功能就特别重要。在不断成长的可穿戴机器人、康复机器人、行走机器人和假肢领域，变阻抗驱动部件正在大量设计和利用起来是由于能够将冲击力最小化、与用户安全互动以及它们能够从动弹性元素中储存和释放能量。更高级先进的应用，比如通过柔性驱动手指的伸缩及位置变化，结合柔性力传感器来感知识别物体形状和质地，目前，国内外还鲜有这方面的文献资料，更没有系统研究和成果。

传统的机器人应用领域，驱动部件被设计成尽可能的刚性，这是因为这样从能得到精确的位置控制或者说轨迹跟踪控制更容易。对应的生物学部分就是说，肌肉有优于机械控制系统更高级的适应性和功能表现。肌肉作为驱动单元，比如优良的功率重量比、力重量比、柔性，相对于传统的机器人驱动更能满足运动安全性，能量有效性要求。这些系统中其中之一关键不同点就是生物系统中的柔性或者说弹性行为。虽然这样的柔性驱动部件可能不适合经典的位置控制，但在某些新颖的应用领域，比如人机交互，需要安全柔顺的与环境进行交互，并且进一步的，通过机械接触，比如抓取的过程中就能识别物体的形状和质地。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种柔性驱动机械手以及基于三维建模的物体识别方法。

实现上述目的本发明的技术方案为，一种柔性驱动机械手，包括臂部外壳和手部外壳，手部外壳的上、下两端分别为开放端，所述臂部外壳与手部外壳相对接，还包括手指活动式识别单元，所述手指活动式识别单元包括拇指活动部件和四指活动部件，所述拇指活动部件包括拇指第一拇指指节套、第二拇指指节套、第一拇指滑轮、第二拇指滑轮、第一拇指转轴、第二拇指转轴和第一压力传感器，其中，

所述第一拇指转轴设置在手部外壳的上端，所述第一拇指转轴上套装第一拇指滑轮；

所述第一拇指滑轮与第一拇指指节套固定连接；

所述第一拇指指节套的上端设有所述第二拇指转轴；第二拇指转轴上套装所述第二拇指滑轮；

所述第二拇指滑轮与所述第二拇指指节套固定连接；

所述第二拇指指节套的指腹区设有第一压力传感器；

所述臂部外壳的内部设有一个以上驱动部件，所述驱动部件包括刚性皮带，其中一个所述驱动部件通过刚性皮带从上到下依次与第一拇指滑轮、第二拇指滑轮交叉缠绕，其余多个所述驱动部件通过刚性皮带分别与四指活动部件的各指相连接。

作为优选，所述第一拇指指节套的上端边缘处设有第一弧形豁口。

作为优选，所述四指活动部件包括基部指节套、中部指节套、端部指节套、基部滑轮、中部滑轮、端部滑轮、基部转轴、中部转轴、端部转轴、第二压力传感器和角度传感器，其中，

所述基部转轴设置在手部外壳的上端，所述基部转轴上套装基部滑轮；

所述基部滑轮与基部指节套固定连接；

所述基部指节套的上端设有所述中部转轴；所述中部转轴上套装所述中部滑轮；

所述中部滑轮与所述端部指节套固定连接；

所述端部指节套的指腹区设有第二压力传感器；

所述基部滑轮上设有角度传感器。

所述基部指节套的下端缘处设有第二弧形豁口。

作为优选，所述中部指节套的下表面边缘处设有第三弧形豁口；所述中部指节套的上端边缘处设有第四弧形豁口。

作为优选，所述端部指节套的下端设有第五弧形豁口。

作为优选，所述驱动部件通过刚性皮带从基部到端部依次与基部滑轮、中部滑轮、端部滑轮交叉缠绕，所述刚性皮带牵引基部滑轮15、中部滑轮16、端部滑轮17转动一定角度。

作为优选，所述驱动部件为两相流变刚度驱动器。

作为优选，所述四指活动部件有四个，分别是食指活动部件、中指活动部件、无名指活动部件、小指活动部件。

一种基于三维建模的物体识别方法，该方法应用于上述所述的一种柔性驱动机械手，该方法包括以下步骤：

(1)对柔性手系统与物体接触受力进行分析并建模，将：

在t时刻，连杆1的末端位置为：

x1(t)＝l1cosθ1(t)(1)

y1(t)＝l1sinθ1(t)(2)

在t时刻，连杆2的末端位置为：

x2(t)＝x1(t)+l2cosθ2(t)(3)

y2(t)＝y1(t)+l2sinθ2(t)(4)

在t时刻，连杆3的末端位置为：

x3(t)＝x2(t)+l3cosθ3(t)(5)

y3(t)＝y2(t)+l3sinθ3(t)(6)

在不打滑的情况下，各连杆转动角度满足传动关系：

x0(t)＝r1θ1(t)＝r2(θ2(t)-θ1(t))＝r3(θ3(t)-θ2(t))(7)

其中，x为刚性皮带移动位移，r1，r2和r3为连杆开始端的滑轮半径，l1，l2和l3为连杆长度，也即是手指关节两端滑轮的中心距离，θ1，θ2和θ3分别为连杆的绝对转动角度。

(2)识别物体的轮廓形状

xt(t)＝x3(t)r3sinα(t)(8)

yt(t)＝y3(t)+r3cosα(t)(9)

为了获得物体轮廓形状，将手指末端在物体表面轻轻划过计算手指末端坐标，就能获得物体表面轮廓坐标，如公式(8)和(9)所示，(xt，yt)为手指末端与物体轮廓接触点的坐标；

(3)感知物体的质地：

假定手指末端在物体表面划过为匀速运动，忽略实际系统中可能产生的微小加速度，在手指末端与物体接触表面，可以建立如下力和力矩平衡方程：

f＝μf(10)

t3＝(fcos(θ3(t)-α)+fsin(θ3(t)-α))l3+m3gl3cos(θ3(t))/2(11)

其中α为轮廓表面与手指末端接触切线与坐标轴x之间的夹角，该夹角可由上节所求得的连续两个物体轮廓上的坐标点近似计算求得，f为手指末端与物体表面接触的正压力，可由手指末端的力传感器获得。

忽略手指关节内部的转动摩擦系数，在手指连接内部亦可得到如下力矩平衡方程：

t2-t3＝m2gl2cosθ2(t)/2(12)

t1-t2＝m1gl1cosθ1(t)/2(13)

其中，m1，m2和m3分别为手指各指节的质量，g为重力加速度。

输出力矩t1由驱动部件获得

其中，pa，pb分别是a，b两侧容器内的压力，s为中间隔膜的面积，μ0为与两相流液体和气体有关的阻尼系数。

(4)感知物体表面的硬度：

将感知物体表面的硬度转化为计算在柔性手指抓取或碰触物体时，手指速度由v减为零的过程中，手指末端所受物体反作用力平均值的大小；平均值越大，则表明物体硬度越大。

将手指运动视为定轴转动的过程，驱动部件施加给手指整体系统的冲量矩为：

其中，t为驱动部件开始驱动手指运动到手指末端接触物体的时间，δt为当手指末端接触物体并与之发生轻微碰撞，直到手指各关节速度降为零的时间。物体作用于手指的冲量矩为：

重力所产生的冲量矩为：

根据动量定理：

0-0＝md-mf-mm(18)

其中，m1，m2和m3分别为手指各指节的质量，g为重力加速度。

有益效果

利用本发明的技术方案制作的一种柔性驱动机械手以及基于三维建模的物体识别方法，此柔性驱动机械手特征在于集成了变刚度、变阻抗驱动部件和角度传感器以及压力传感器，使得指尖跟物体接触后由于手指的感知，可以通过一系列数据采集分析能对环境特征进行识别，如轮廓形状、质地以及软硬等，特别适合于人工假肢、人机交互如服务机器人的末端执行器以及工业上应用，还有特种机器人，如特殊环境下需要感知陌生环境中无法通过视觉识别辨识的物体形状、质地以及软硬等，具体提下在以下几方面：

第一，柔性驱动机械手的手指关节上嵌入角度传感器，每个手指关节通过刚形皮带驱动，刚形皮带与柔性驱动部件连接；

第二，柔性驱动机械手的手指尖表面贴合有微型薄片压力传感器，此压力传感器能检测手指尖表面的微小压力变化；

第三，所述柔性驱动部件采用变刚度或变阻抗驱动原理，即输出的单位力或单位力矩的变化与单位距离或单位角度变化之比非恒定值，也即δf/δx≠c，δt/δθ≠c；

第四，所述柔性驱动部件主要技术特点就是利用非线性弹性机械部件张力的调整来满足变阻抗驱动的要求，或者一种两相流(液体和气体)并联变阻抗驱动部件通过不可压缩的液体和可压缩的气体的变化转化为输出连杆的阻抗变化；

第五，所述柔性驱动部件通过调节输出刚度，并且施加瞬时力矩在末端指关节，通过手指尖表面的微型薄片压力传感器与手指关节处角度传感器比值测算物体质地的硬度；

第六，所述柔性驱动部件通过调节输出刚度，驱动手指关节使手指尖与物体表面贴合，手腕保持固定姿态或平动，手指尖划过物体表面时手指关节的转动通过角度传感器记录所有位置信息数据；

第七，所述手指尖划过物体表面时手指关节的转动通过角度传感器记录所有位置信息数据通过3维空间的建模推导出物体表面轮廓。

附图说明

图1是本发明所述一种柔性驱动机械手的结构示意图；

图2是本发明所述一种柔性驱动机械手a-a面的剖视图；

图3是本发明所述一种基于三维建模的物体识别方法的手指末端与物体接触受力分析图；

图4是本发明所述一种基于三维建模的物体识别方法的手指感知物体轮廓的流程图；

图5是本发明所述两相流变刚度驱动器的技术原理图；

图中，1、臂部外壳；2、手部外壳；3、第一拇指指节套；4、第二拇指指节套；5、第一拇指滑轮；6、第二拇指滑轮；7、第一拇指转轴；8、第二拇指转轴；9、第一压力传感器；10、刚性皮带；11、第一弧形豁口；12、基部指节套；13、中部指节套；14、端部指节套；15、基部滑轮；16、中部滑轮；17、端部滑轮；18、基部转轴；19、中部转轴；20、端部转轴；21、第二压力传感器；22、角度传感器；23、第二弧形豁口；24、第三弧形豁口；25、第四弧形豁口；26、第五弧形豁口；27、驱动部件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1-2所示，一种柔性驱动机械手，包括臂部外壳1和手部外壳2，手部外壳2的上、下两端分别为开放端，臂部外壳1与手部外壳2相对接，还包括手指活动式识别单元。

在本技术方案中，该柔性驱动机械手通过控制单元进行控制，该控制单元中的控制器采用型号为at80c51rd2_08的控制器，第一压力传感器9和第二压力传感器21均采用型号为ht201-l的力传感器，其压力范围为0-133n；角度传感器22采用型号为米朗wda-d22-a精密导电塑料电位计式角度传感器，最大值不超过300°的角度位移测量，控制器的多个输入端分别与第一压力传感器9和多个第二压力传感器21，以及多个角度传感器22的输出端电性连接，控制器的多个输出端分别与多个驱动部件27的输入端一一对应连接，通过控制驱动部件27，即两相流驱动部件27中刚性皮带10的移动，从而带动第一拇指滑轮5、第二拇指滑轮6、基部滑轮15、中部滑轮16，端部滑轮17转动，并传递到手指末端，手指末端因受到物体表面轮廓的约束，而只能沿着物体表面轮廓滑动，物体对手指末端的约束力反过来传递到驱动部件27中，改变驱动部件27的阻抗，进而影响驱动位移以适应物体轮廓的约束。

直接由拇指活动部件末端的第一压力传感器9以及四指活动部件末端的第二压力传感器21，压力随着时间的变化，进而求得平均值，但是该平均值不仅与物体硬度有关，还与驱动部件27作用于手指的时间有关，也与手指初始位置离物体的距离有关，因此，为了区分不同物体的硬度，在具体抓取比较时，需要控制驱动部件27的输出，作用时间以及物体与手指之间的相对位置，使其尽量一致，这样才能比较准确的分辩物体硬度大小。

在本技术方案中，手指活动式识别单元包括拇指活动部件和四指活动部件，拇指活动部件包括拇指第一拇指指节套3、第二拇指指节套4、第一拇指滑轮5、第二拇指滑轮6、第一拇指转轴7、第二拇指转轴8和第一压力传感器9，其中，第一拇指转轴7设置在手部外壳2的上端，第一拇指转轴7上套装第一拇指滑轮5；

第一拇指滑轮5与第一拇指指节套3固定连接；

第一拇指指节套3的上端设有第二拇指转轴8；第二拇指转轴8上套装第二拇指滑轮6；

第二拇指滑轮6与第二拇指指节套4固定连接；

第二拇指指节套4的指腹区设有第一压力传感器9，第一压力传感器9采用型号为ht201-l的力传感器；

臂部外壳1的内部设有一个以上驱动部件27，驱动部件27包括刚性皮带10，其中一个驱动部件27通过刚性皮带10从上到下依次与第一拇指滑轮5、第二拇指滑轮6交叉缠绕，其余多个驱动部件27通过刚性皮带10分别与四指活动部件的各指相连接。

在本技术方案中，第一拇指指节套3的上端边缘处设有第一弧形豁口11。

在本技术方案中，四指活动部件包括基部指节套12、中部指节套13、端部指节套14、基部滑轮15、中部滑轮16、端部滑轮17、基部转轴18、中部转轴19、端部转轴20、第二压力传感器21和角度传感器22，其中，

基部转轴18设置在手部外壳2的上端，基部转轴18上套装基部滑轮15；

基部滑轮15与基部指节套12固定连接；

基部指节套12的上端设有中部转轴19；中部转轴19上套装中部滑轮16；

中部滑轮16与端部指节套14固定连接；

端部指节套14的指腹区设有第二压力传感器21，第二压力传感器21采用型号为ht201-l的力传感器；

基部滑轮15上设有角度传感器22，角度传感器22采用型号为米朗wda-d22-a精密导电塑料电位计式角度传感器，最大值不超过300°的角度位移测量；米朗电位计式导电塑料角度传感器，是根据角度变化来定位物体位置的电子元件，适合测量、控制和仪器仪表的应用。具有抗腐蚀、抗冲击、使用灵活、维护简便等多种的优点，被广泛的应用于多个行业中。传感器用时一般按分压器原理以电压输出或转换电流输出(4-20ma)，与轴旋转角度或直线位移成高精度的线性关系。其特点是高精度、高寿命、高平滑性、高分辨率。可用作位置反馈、位置检测、电平调节等。通常用于工业自化、精密仪器仪表、电动执行器、纺织、注塑、数控的机床设备、医疗器械、汽车、火车、飞机等领域中的自控制系统、伺服系统、信息反馈系统。。

在本技术方案中，基部指节套12的下端缘处设有第二弧形豁口23。

在本技术方案中，中部指节套13的下表面边缘处设有第三弧形豁口24；中部指节套13的上端边缘处设有第四弧形豁口25。

在本技术方案中，端部指节套14的下端设有第五弧形豁口26。

在本技术方案中，驱动部件27通过刚性皮带10从基部到端部依次与基部滑轮15、中部滑轮16、端部滑轮17交叉缠绕，所述刚性皮带牵引基部滑轮15、中部滑轮16、端部滑轮17转动一定角度。

在本技术方案中，驱动部件27为两相流变刚度驱动器。

在本技术方案中，四指活动部件有四个，分别是食指活动部件、中指活动部件、无名指活动部件、小指活动部件。

实施例二：

一种基于三维建模的物体识别方法，该方法应用于实施例一中的一种柔性驱动机械手，该方法包括以下步骤：

(1)对柔性手系统与物体接触受力进行分析并建模，将：

在t时刻，连杆1的末端位置为：

x1(t)＝l1cosθ1(t)(1)

y1(t)＝l1sinθ1(t)(2)

在t时刻，连杆2的末端位置为：

x2(t)＝x1(t)+l2cosθ2(t)(3)

y2(t)＝y1(t)+l2sinθ2(t)(4)

在t时刻，连杆3的末端位置为：

x3(t)＝x2(t)+l3cosθ3(t)(5)

y3(t)＝y2(t)+l3sinθ3(t)(6)

在不打滑的情况下，各连杆转动角度满足传动关系：

xo(t)＝r1θ1(t)＝r2(θ2(t)-θ1(t))＝r3(θ3(t)-θ2(t))(7)

其中，x为刚性皮带移动位移，r1，r2和r3为连杆开始端的滑轮半径，l1，l2和l3为连杆长度，也即是手指关节两端滑轮的中心距离，θ1，θ2和θ3分别为连杆的绝对转动角度。

手指末端位置主要受连杆转动角度的影响，而连杆转动的角度又受到驱动部件中刚性皮带对滑轮的移动位移影响。联合以上公式，即可求得物体轮廓位置坐标与刚性皮带移动位移之间的关系，而刚性皮带的移动位移由控制输入决定，其控制流程如图4所示。

(2)识别物体的轮廓形状

xt(t)＝x3(t)-r3sinα(t)(8)

yt(t)＝y3(t)+r3cosα(t)(9)

为了获得物体轮廓形状，将手指末端在物体表面轻轻划过计算手指末端坐标，就能获得物体表面轮廓坐标，如公式(8)和(9)所示，(xt，yt)为手指末端与物体轮廓接触点的坐标；

由以上分析可知，手指活动式识别单元的手指末端位置主要受连杆转动角度的影响，而连杆转动的角度又受到驱动部件中刚性皮带对滑轮的移动位移影响。联合以上公式，即可求得物体轮廓位置坐标与刚性皮带移动位移之间的关系，而刚性皮带的移动位移由控制输入决定。

(3)感知物体的质地：

假定手指末端在物体表面划过为匀速运动，忽略实际系统中可能产生的微小加速度，在手指末端与物体接触表面，可以建立如下力和力矩平衡方程：

f＝μf(10)

t3＝(fcos(θ3(t)-α)+fsin(θ3(t)-α))l3+m3gl3cos(θ3(t))/2(11)

其中α为轮廓表面与手指末端接触切线与坐标轴x之间的夹角，如图3所示，该夹角可由上节所求得的连续两个物体轮廓上的坐标点近似计算求得，f为手指末端与物体表面接触的正压力，可由手指末端的力传感器获得。

忽略手指关节内部的转动摩擦系数，在手指连接内部亦可得到如下力矩平衡方程：

t2-t3＝m2gl2cosθ2(t)/2(12)

t1-t2＝m1gl1cosθ1(t)/2(13)

其中，m1，m2和m3分别为手指各指节的质量，g为重力加速度。

输出力矩t1由驱动部件获得

其中，pa，pb分别是a，b两侧容器内的压力，如图5所示，s为中间隔膜的面积，μ0为与两相流液体和气体有关的阻尼系数。

理想气体和理想液体的压力和体积满足反比关系，即ca＝pava，cb＝pbvb，其中ca，cb为与该液体或气体相关的固定常数。通过控制注入或释放容器a，b两端的气体或液体，来实现容器a，b两端的压力差控制，从而实现刚性皮带移动位移的控制。联合以上方程，即能求得物体表面的摩擦系数，实现感受物体质地的功能。

(4)感知物体表面的硬度：

将感知物体表面的硬度转化为计算在柔性手指抓取或碰触物体时，手指速度由v减为零的过程中，手指末端所受物体反作用力平均值的大小；平均值越大，则表明物体硬度越大。

将手指运动视为定轴转动的过程，驱动部件施加给手指整体系统的冲量矩为：

其中，t为驱动部件开始驱动手指运动到手指末端接触物体的时间，δt为当手指末端接触物体并与之发生轻微碰撞，直到手指各关节速度降为零的时间。物体作用于手指的冲量矩为：

重力所产生的冲量矩为：

根据动量定理：

0-0＝md-mf-mm(18)

其中，m1，m2和m3分别为手指各指节的质量，g为重力加速度。

直接由手指末端压力传感器获得末端压力随着时间的变化，进而求得平均值，但是该平均值不仅与物体硬度有关，还与驱动组件27驱动刚性皮带10作用于手指的时间有关，也与手指初始位置离物体的距离有关，因此，为了区分不同物体的硬度，在具体抓取比较时，需要控制驱动部件的输出，作用时间以及物体与手指之间的相对位置，使其尽量一致，这样才能比较准确的分辩物体硬度大小。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。