一种内嵌视觉的气驱软体手指的制作方法

本发明涉及一种内嵌视觉的气驱软体手指，属于软体机器人技术领域。

背景技术：

在一些特殊使用环境中，要求操作设备具有更高的柔顺性，绝对的安全性，更好的人机交互性等，传统的刚性机械手已经不能满足这些要求。而相比于刚性的机械手，软体机械手由于具有柔软适应的特性，在易碎脆弱物品的操作以及与人进行协同工作等方面有着极为显著的优势。

为了更好的提升软体手指的性能，在手中的传感器显得尤为重要。然而，由于软体手变形大，传统的传感装置难以与手指紧密配合或容易损坏。因此，需要一种能够适应软体手弯曲和拉伸特性的柔性传感器。为了控制软体手的姿态，传感器需要实时测量手指的弯曲度。目前，软体手指上最常用的传感器是电阻传感器。电阻传感器由电阻随自身弯曲变化的材料制成。电阻传感器附着或被嵌入软体手指中。当软体手指发生弯曲时，电阻传感器的电阻值随之发生改变，从而可以近似得到手指的弯曲程度。其优点在于具有较好的稳定性和可重复性，不会因为多次的使用而影响传感器的性能。另一种常用的传感器是光纤传感器。光纤嵌入软体手，当柔性光纤传感器发生弯曲时，其内部光的耗散程度会增加，传感器另一端收到的光信号的强度则会减弱。通过该传感器根据光信号强度减弱的程度，则可以得到光纤弯曲的程度。其优势在于，光信号传播速度快且十分的灵敏，可以实时准确的感知软体机器人手指的弯曲程度。同时由于光纤的体积小，光纤传感器容易与各类软体手指结合，而不影响软体手指原本的功能属性。

但是上述传感器都有同样的局限性，即其传感信号均在一个维度上，每一时刻所输出的信号只有一个数值。因此，上述传感器只能够测量其所在的软体机器人手指的绝对弯曲程度，而不能获得手指的其他状态信息。

为了克服上述传感器的缺陷，视觉传感器应运而生。视觉传感器具有更广阔的空间视觉和分辨率，可以获得更准确的多维信息。现有的视觉传感器由透明弹性体、亚克力板、led灯及相机构成；其中，弹性体上有标记点阵列，通过识别标记点的变化和纹理的映射，可以测量接触力及接触物体的硬度和识别物体的纹理。但是，这种视觉传感器只能固定在机械手的指尖，感知区域仅限于指尖。此外，由于目前软体手指的刚度无法承载该类视觉传感器，因此，该类视觉传感器多用于刚性手指上，而无法安装在软体手指上。

技术实现要素：

本发明的目的是解决无法从软体手指上获取多维度弯曲度信息的问题，提出一种内嵌视觉的气驱软体手指。在不改变软体手柔性和气动功能下，该软体手可以获取弯曲方向和弯曲程度等多维信息，以实现软体手姿态的识别。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

一种内嵌视觉的气驱软体手指，其特征在于，包括嵌固在密封装置上的手指本体；所述手指本体由外壳和容纳于所述外壳内部的弹性腔体组成，所述外壳的内表面与弹性腔体的外表面完全贴合，所述外壳上侧壁的表面处间隔设有多组凹槽阵列；所述手指本体处于伸直状态下，所述弹性腔体上侧壁沿手指长度方向的内表面为一向上侧凸起的圆弧面，沿手指长度方向将所述弹性腔体分为三个区域，相邻两区域的rgb值不同；所述密封装置的一端内部设有牙型气密结构，通过将手指本体的指根端穿过该牙型气密结构使得手指本体嵌固在密封装置上，所述密封装置的另一端内部设有与弹性腔体共轴的摄像头，在手指本体的指根端与摄像头之间形成一与所述弹性腔体连通的空腔，在所述空腔上方的密封装置内固定有气动阀，通过该气动阀与位于密封装置外部的气管和气泵相连。

进一步地，所述弹性腔体上侧壁沿手指长度方向内表面形状的确定方法如下：

令所述弹性腔体上侧壁沿手指长度方向的内表面在手指中垂面上的投影线由线段ab、bc、cd组成，点a、b、c、d分别对应弹性腔体中各区域的端点，其中a点靠近手指根部；令点d在摄像头光轴的投影点为e；

设定点a和点b的位置，并设定如下已知参数：线段ab、bc、cd在手指中垂面的投影长度分别为a、b、c；点a至摄像头光屏的水平距离等于摄像头的物距ν；点a至摄像头聚焦面的水平距离等于摄像头的焦距f；点a与摄像头光轴线的垂直距离为δla，取为摄像头的镜头尺寸的一半；点a与点b之间的垂直距离为δlb，不超过摄像头的镜头尺寸的一半；线段bc与摄像头光轴之间的夹角为θbc，取1°～2°；

根据几何及光学投影关系，得到以下公式：

δlc＝δlb-btanθbc

δld＝btanθcd-δlc

式中，

δlc、δld分别为点a与点c、d之间的垂直距离；

θcd为线段cd与摄像头光轴之间的夹角；

δdb、δdc、δdd分别为线段bc、cd、de在摄像头光屏上的投影长度，且满足δdc＝ηδdb，η为δdc与δdb的比例系数，η∈(0,1]；

联立求解上述各式，求得θcd、δld、η，以此得到弹性腔体上侧壁端点c、d的位置，最后对端点a～d进行拟合得到平滑的弹性腔体上侧壁圆弧面。

本发明的特点及有益效果：

本发明提出的内嵌视觉的气驱软体手指，结构简单，成本低。将视觉传感器应用于软体手指，弹性内腔既是气腔也与摄像头一起构成了视觉传感器，其既能满足柔性传感器和软体手相结合和软体手的柔性属性，也能满足软体手的气动驱动。弹性内腔采用半椭圆形，腔体的弧度不仅改变了软体手的延展性，还扩大了内腔视野和优化了成像比例。弹性内腔划分为不同的颜色区域，软体手弯曲时，不同颜色区域的变化明显，利于摄像头捕获，且通过对采集的图像进行后续处理可以获取丰富的弯曲特征信息(包括弯曲方向和弯曲程度)，克服了现有技术仅能采集软体手指单一维度信息的缺陷。密封装置内设牙形气密结构，可防止软体手指充气时弹出，保证了本软体手指的结构稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例的气驱软体手指沿其中垂面的剖视图；

图2是图1所示实施例的俯视图；

图3是图1所示实施例中密封装置的正视图；

图4是图1所示实施例的摄像头对弹性内腔进行图像采集时的成像原理示意图；

图5是图1所示实施例中弹性内腔发生弯曲时采集的图像，图(a)至(d)依次是手指从伸直到完全弯曲的图像变化；

图6是图5所示各图经过图像处理的效果图；

图1至图3中：

1—外壳，2—弹性腔体，21—圆弧面，3—凹槽阵列，4—牙形气密结构，5—气动阀，6—摄像头，7—密封装置，8—空腔。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构、工作原理内容。为便于描述，将面向手背侧称为上侧，将面向掌心侧称为下侧。

本发明提出的一种内嵌视觉的气驱软体手指的一种实施例如图1、图2和图3所示，包括嵌固在密封装置7上的手指本体；所述手指本体由外壳1和容纳于外壳1内部的弹性腔体2组成，外壳1的内表面与弹性腔体2的外表面完全贴合，外壳1上侧壁的表面处间隔设有多组凹槽阵列3；手指本体处于伸直状态下，弹性腔体2上侧壁沿手指长度方向的内表面为一向上侧凸起的圆弧面21，沿手指长度方向将弹性腔体2分为三个区域，相邻两区域的rgb值不同；密封装置7的一端内部设有牙型气密结构4，通过将手指本体的指根端穿过该牙型气密结构4使得手指本体嵌固在密封装置7上，密封装置7的另一端内部设有与弹性腔体2共轴的摄像头6，在手指本体的指根端与摄像头6之间形成一空腔8(摄像头6的镜头可以伸入该空腔内)，且该空腔8与弹性腔体2连通，在空腔8上方的密封装置7内固定有气动阀5，通过该气动阀与位于密封装置7外部的气管和气泵(所述气管和气泵在图中未示意出)相连，通过外壳1表面的凹槽阵列3并控制气泵的气压来调节手指本体的弯曲与伸直。

本实施例各组成部件的具体实现方式及功能说明如下：

密封装置7，作为本软体手指的支撑结构，由树脂材料经3d打印而成一体成型结构，本实施例的密封装置的长、宽、高分别为30mm、25mm、30mm。位于密封装置7一端内部的牙型气密结构4为连续设置或多组间隔设置的条状结构(本实施例采用3组间隔设置的条状结构)，条状结构上设有供手指本体穿过的通孔，通过牙型气密结构4使得手指本体一端嵌固于密封装置7内，并在充气过程中阻止手指本体从密封装置7中弹出。

摄像头6采用常规的针孔式内窥镜摄像头，该摄像头尺寸小不影响软体手指的整体结构和性能，同时有满足200w像素的成像要求。摄像头6嵌入密封装置7中，必要时，可将摄像头6的镜头伸入密封装置7的空腔8内。摄像头6与弹性体内腔2共光轴设置，可以采集全视野的内腔图像。选取摄像头6的焦距时应结合成像质量和手指本体中弹性腔体2的尺寸，本实施例摄像头6的焦距是4cm，而4-10cm成像质量最高。

手指本体中，外壳1和弹性腔体2均采用常规的硅橡胶材料制成，但是根据二者的不同功能，其配制比例和辅助配料皆不同。外壳1既能弯曲又对弹性腔体2具有一定的支撑作用，其硅橡胶材料相比弹性体内腔2的材料硬度稍高；外壳1的形状与手指相似，在外壳1上侧壁的表面上间隔设有多组(本实施例设有3组，可根据实际需要选择其他组数)凹槽阵列3，每组凹槽阵列3均分别由多个垂直于手指长度方向布设的凹槽组成，由于外壳1的内表面与弹性腔体2的外表面紧密接触，且弹性腔体2上侧壁沿手指长度方向的内表面为一圆弧面，故弹性腔体2上侧壁沿手指长度方向的厚度是均匀变化的，对手指本体进行充气后通过凹槽阵列3的辅助在手指本体厚度最薄处首先发生弯曲，即通过凹槽阵列3改变了手指本体的延展性。本实施例的外壳1采用硅胶溶液：固化剂按照质量比1.7:1的比例混合制成(需要说明的是，除本实施例所限定的材料外，采用其他比例的硅橡胶材料同样适用，该硅胶材料的具体配比不属于本发明保护范畴)。弹性腔体2易于弯曲，其硅橡胶材料需要具有低硬度、高重复性、一定的透光性和附着性，弹性腔体2内表面的横截面呈半椭圆状，且手指本体处于伸直状态下，弹性腔体2上侧壁沿手指长度方向的内表面为一向上侧凸起的圆弧面21；除此之外，通过添加不同颜色的粉末，依次制备弹性体内腔2的不同颜色区域。本实施例弹性腔体2采用硅胶溶液：固化剂按照质量比9:1的比例混合制成(需要说明的是，除本实施例所限定的材料外，采用其他比例的硅橡胶材料同样适用，该硅胶材料的具体配比不属于本发明保护范畴)，将弹性腔体2由指根至指尖方向划分为3个区域，依次为红色区域、蓝色区域、黄色区域。弹性内腔2的长度为10～15cm(本实施例采用10cm，满足摄像头的成像质量要求)，相对于红色区域而言，蓝色和黄色区域对成像更为重要，故设定红色区域长度为4cm，蓝色和黄色区域长度分别为3cm。通过弹性内腔2中圆弧面的设计，增加了摄像头6的拍摄视野，同时，可通过弹性内腔不同颜色区域的相对位置变化来反应手指本体发生的姿态变化；相较于传统的软体手机仅能采集手指的绝对弯曲信息这一缺陷，本实施例的软体手指可以获取软体手指的弯曲方向和弯曲程度等多维信息，能够更加全面地识别软体手指的姿态。

参见图4，为本发明实施例的摄像头6对弹性内腔2进行图像采集时的成像原理(需要说明的是，为便于画图，图4中，将弹性内腔2圆弧面的凸起方向改为向下凸起，与实际相反)，本实施例弹性腔体2上侧壁沿手指长度方向内表面形状的确定方法如下：

令弹性腔体2上侧壁沿手指长度方向的内表面在手指中垂面上的投影线由线段ab、bc、cd组成，点a、b、c、d分别对应弹性腔体2中各颜色区域的端点，其中a点靠近手指根部；令点d在摄像头6光轴的投影点为e；

设定点a和点b的位置，并设定如下已知参数：线段ab、bc、cd在手指中垂面的投影长度分别为a、b、c；点a至摄像头6光屏的水平距离等于摄像头6的物距ν；点a至摄像头6聚焦面的水平距离等于摄像头6的焦距f；点a与摄像头6光轴线的垂直距离为δla，取为摄像头的镜头尺寸的一半，本实施例为4.1mm；点a与点b之间的垂直距离为δlb，不超过摄像头6的镜头尺寸的一半，一般取1～2mm；线段bc与摄像头6光轴之间的夹角为θbc，一般取1°～2°；

根据几何及光学投影关系，得到以下公式：

δlc＝δlb-btanθbc

δld＝btanθcd-δlc

式中，

δlc、δld分别为点a与点c、d之间的垂直距离；

θcd为线段cd与摄像头6光轴之间的夹角；

δdb、δdc、δdd分别为线段bc、cd、de在摄像头6光屏上的投影长度，且满足δdc＝ηδdb，η为δdc与δdb的比例系数，η∈(0,1]，η越大，成像质量越好，本实施例η＝0.6；

联立求解上述各式，求得θcd、δld、η，以此得到弹性腔体2上侧壁端点c、d的位置，最后对端点a～d进行拟合得到平滑的弹性腔体2上侧壁圆弧面。

如图5所示是通过摄像头6采集到的弹性内腔2弯曲变化图像，从初始状态开始弯曲至完全弯曲，参见图(a)～(d)，蓝色和黄色区域的相对位置发生变化，二者的轮廓大小也发生改变。如图6所示，图像经过二值化处理、形态学处理、边缘检测等，其边缘信息被提取。通过将采集的图像集的边缘信息输入卷积神经网络中训练，可以实现对手指弯曲状况的识别和弯曲程度的标定。本实施例所采用的卷积神经网络结构如表1所示。其中，网络输出5个值：4个是上下左右四个弯曲方向的分类得分，1个是弯曲程度的预测值。弯曲度通过l2回归损失函数求得回归损失l回，分类得分通过分类算法softmax求得分类损失ls。总损失l总＝l回+λls，其中λ是损失比例系数，表示两种损失的重要程度。图像中，弯曲方向的特征更为明显，更容易在网络中准确识别。因此，网络采用λ小于1。

表1

本发明内嵌视觉的气驱软体手指的工作过程如下：

由图1至图3所示，当气动阀5通过气管与气泵相接，打开气动阀5，弹性腔体2内的气压上升，软体手指开始膨胀，牙形气密结构4可防止软体手指弹出。弹性内腔2和凹槽阵列3改变了软体手指的延展性，使得软体手指膨胀后开始弯曲。弹性内腔2的图像被摄像头6实时采集，图像经过后续处理提取到边缘信息，输入搭建好的卷积神经网络模型，实现弯曲状况的识别。

本发明提出的内嵌视觉的气驱软体手指，结构简单，成本低。将视觉传感器应用于软体手指：弹性内腔既是气腔也与摄像头一起构成了视觉传感器，其既能满足柔性传感器和软体手相结合和软体手的柔性属性，也能满足软体手的气动驱动。弹性内腔采用半椭圆形，腔体的弧度不仅改变了软体手的延展性，还扩大了内腔视野和优化了成像比例(由于采用圆弧面使得视野深度增大，从而优化了成像比例)。弹性内腔采用红黄蓝三种颜色，软体手弯曲时，三种颜色区域的变化明显，可以提供丰富的弯曲特征信息，利于摄像头捕获。密封装置采用了三组牙形气密结构，防止软体手指充气时弹出。视觉传感器与软体手指结合了各自的优势，研究和应用前景广泛。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。