基于多传感器信息融合的软抓取机械手控制方法与流程

本发明涉及一种软抓取机械手控制方法，特别涉及一种基于多传感器信息融合的软抓取机械手控制方法。

背景技术：

目前，对于机械手的研究方法主要有adms与matlab联合仿真研究，这种方法的核心是输入变量与输出变量数据的实时交换，该联合仿真方法大大提高了设计效率，降低了成本，但是这种方法仅限于理论仿真，实际系统会收到诸多外界干扰因素，且这种方法无法区分出机械手感知的触觉、滑觉和热觉。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有软抓取机械手所存在的诸多不足而提供的一种基于多传感器信息融合的软抓取机械手控制方法。

本发明提供的基于多传感器信息融合的软抓取机械手控制方法，其方法如下所述：

步骤一、利用pvdf传感器感受动态应力，当粘贴在机械手指上的多个pvdf传感器碰到物体时，压电薄膜上的电荷分布发生改变，传感器输出相应的电荷信号，经信号调理电路转化为电压信号，机械手感知触滑热觉信号时的电荷信号有不同的特征。首先进行热觉判断机械手是否处于合适的抓物环境；

步骤二、控制器将各个舵机角度值以及各个pvdf传感器采集到的压电信号值传给上位机，上位机对舵机角度值进行拟合，由软件算法将舵机角度值转化为机械手指在三维空间的坐标值，利用matlab建立物体三维模型进行实时显示，同时上位机实时显示各个手指的压电信号值；

步骤三、环境温度若在机械手工作温度范围内，机械手慢慢靠近被抓取物体，检测机械手的触滑觉状态，通过机械手各个手指在空间的状态及其手指信号状态，大致反映出所抓取物体的形状；

步骤四、位于不同位置的舵机在接到中央处理器的控制信号后，带动由硬质铝合金材质机械件组装而成的机械手弯曲或伸展，实现机械手自调整软抓取的功能。

本发明的工作原理：

首先通过多个pvdf传感器得到五个手指的压电信号，各个手指压电信号在上位机上实时显示在同一幅图中，通过图像的显示，可以明确判断出各个手指的抓取力度以及分辨各个手指采集到的信号是触觉、滑觉还是热觉；然后，上位机实时显示机械手各个手指的空间位置状态，与实际机械手抓取物体状态相比较，当机械手指抓取到物体时，将上位机显示的手指空间坐标顺序相连，能大致反应抓取的物体形状；下位机将得到的物体空间位置信息与各个手指上感受到的触滑觉信号进行数据融合，得到下一步动作指令，实现机械手最优软抓取。

本发明中所述的pvdf传感器、控制器均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格不再进一步赘述，舵机为专用定制的小巧舵机，能安置在机械手掌。上位机和下位机主要为软件编程实现。

本发明的有益效果：

本发明基于多传感器数据融合方法，使机械手能够精准分析被抓物体的状态，采取合适的抓取方式，达到自调整软抓取物体的目的，最终实现机械手仿生的功能。本发明型在对抓取质量不均匀、形状不规则且易碎的物体应用中，作用尤为突出。能区分出触觉、滑觉和热觉的功能，且能克服现有的机械手对易碎物体难以控制抓取力度的不足，抓取易碎物体；它能感知机械手当前的抓取环境——将机械手指实时位置信息三维建模，和每个手指上采集到的压电信号值进行融合分析，可大致获得所抓取物体的实际形状，进而采取合适的方式抓取，达到自调整软抓取物体的目的。

附图说明

图1为本发明所述系统框图。

图2为本发明所述数据融合过程框图。

图3为本发明所述中央处理器数据流程图。

图4为本发明所述上位机实时显示流程图。

具体实施方式

请参阅图1至图4所示：

本发明提供的基于多传感器信息融合的软抓取机械手控制方法，其方法如下所述：

步骤一、利用pvdf传感器采集到电荷信号后经过信号调理电路转换为电压信号，在控制器中，对信号进行分析：突起波峰的形状，这是触觉信号，滑动可以看成是多次碰触的结果，则滑觉经信号调理电路后输出的信号形状为多个连续的波峰，而热觉信号则是一个相对于触觉信号上升比较缓慢下降时间也相对较长的波峰形状，就是热觉信号；首先进行热觉判断，如果高于设置的热觉阈值，则证明物体温度过高，控制机械手放弃抓取，若否，则进行抓取；

步骤二、利用matlab建立物体三维模型，以机械手腕左侧为原点，手指方向为x轴，垂直掌心向外为y轴，小拇指指向二拇指方向为z轴，建立三维坐标系，控制器将各个舵机当前的角度值通过串口传送给上位机，对大量舵机角度值与位置值x、y、z分别进行数据拟合，得到当0°<θ<108°时:

x＝-0.1048×θ+17.4

y＝l-0.008×θ²+0.921×θ+2.8095

当θ>108°时,机械手指达到最大弯曲程度，故位置不会再变动，在机械手整个抓取过程中，z轴坐标一直不变，上位机不断读取控制器传来的五个舵机的角度状态，matlab读取数据，实时更新图像，使得该三维坐标达到实时显示当前五个机械手指状态的目的，实时显示机械手在抓取物体时的信号，控制器将机械手抓取物体时的各个手指上的信号传给上位机，上位机接收到下位机传来的数据，同时在一幅图里实时显示当前机械手各个手指的信号状态，通过机械手各个手指在空间的状态及其手指信号状态，可大致反映出所抓取物体的形状；

步骤三、由步骤一判断的环境温度若在机械手工作温度范围内，接下来机械手慢慢靠近被抓取物体，如果检测到触觉则证明两者发生接触，由采集到的多路触觉信号经数据融合后判断当前物体在机械手中的相对位置，得到空间信息，控制器综合物体空间信号和手指触滑觉信号，分析获得物体的大致形状与实际的触滑觉状态；

步骤四、得到触滑觉状态后，若滑动正在发生，位于不同位置的舵机在接到中央处理器的控制信号后，控制机械手动作，机械手尝试抓起物体，通过对各个传感器信号分离得到的五路滑觉信号数据进行融合判断，得到当前物体整体的滑动状况，通过调整各个机械手指的驱动力，使得整个物体相对于机械手趋于静止，此时各个机械手对物体的力度相对均匀，机械手在未完成抓取物体时，根据工作指令调整抓取方式，最终成功抓取物体，实现最优软抓取的目的。

本发明的工作原理：

首先通过多个pvdf传感器得到五个手指的压电信号以及各个手指舵机转动的角度信息；各个手指压电信号在上位机上实时显示在同一幅图中，通过图像的显示，可以明确判断出各个手指的抓取力度以及分辨各个手指采集到的信号是触觉、滑觉还是热觉；同时，上位机实时显示机械手各个手指的空间位置状态，与实际机械手抓取物体状态相比较，当机械手指抓取到物体时，将上位机显示的手指空间坐标顺序相连，能大致反应抓取的物体形状；下位机将得到的物体空间位置信息与各个手指上感受到的触滑觉信号进行信息融合，得到下一步动作指令，实现机械手对易碎物体或不规则物体实现最优软抓取。

本发明中所述的pvdf传感器、控制器均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格不再进一步赘述，舵机为专用定制的小巧舵机，能安置在机械手掌。上位机和下位机主要为软件编程实现。