一种具有自感知功能的仿生磁控柔性抓手装置的制作方法

本发明属于机器人设备技术领域，具体涉及一种具有自感知功能的仿生磁控柔性抓手。

背景技术：

随着机器人技术和自动化技术的不断更新迭代，交互设备的智能化和自动化越来越重要，而传统刚性结构的夹具和抓手存在更换成本高、控制算法复杂等问题，使其在一些领域中的应用受到了极大地限制，因此柔性抓取技术成为了当下的热门研究。基于智能材料的柔性抓手，因其高度的抓取适应性和简易的控制方式，已被大量的研究，并在机器人、医疗、工业制造等领域具有重大的应用前景。

现阶段的柔性抓取装置，按调控方式，分为气动、电场驱动、磁场驱动。气动柔性抓手虽然抓取力较强，但是制作工艺复杂，工作时噪音较大，也无法小型化。电场驱动的需要千伏级别的电压，才能产生足够的抓取力，对于生产过程而言较不安全。而磁场驱动式柔性抓取装置，属于非接触式的外场调控，具有快速响应、可以远程操控等优点。《一种柔性磁吸机器人辅助抓手》[cn110434883a]中虽然提及了一种柔性磁吸抓手，但其仍局限于电机驱动的传统模式，在对小型的操作对象进行精密操作时，电机输出力矩的控制会十分困难。

人类通过对自身以及各种灵长类动物手部的研究，发现了手指弯曲贴合被抓取物以保护被抓取物品的现象，在抓取过程中，人类手掌的皮肤表面能够感知物品的材质、外形等，并且人类的关节能够弯曲，实现一定程度的贴附，适应被抓取物体的表面。通过对物品滑动的感知情况，能够调节抓握力，实现更好的抓握；通过对动物界中主动调控自身与接触面的摩擦力的动物的研究，如蛇：在运动过程中主动调控自身的鳞片角度，以改变自身的摩擦力，实现更好的运动。发明设计出一种具有自感知功能的仿生磁控柔性抓手。

磁流变弹性体是一种受磁场控制的具有良好综合性能的复合材料，在磁场的作用下具有快速的响应性，并且可以根据基体配比调节柔韧性，在加入了特殊敏感材料后，能在保证快速响应性的前提下，完成感知任务，如同人手同时实现抓握与感知物体形状，并且智能调节抓握力大小。本发明采用具有磁控形变、磁致摩擦、应变与压阻感应特性的磁敏橡胶聚合物构成的柔性手指，使得柔性抓手装置采用磁控的方式完成抓取任务，并且不同于以往的开环控制磁场，通过一体化成型的技术，在柔性手指的指端加入压阻感应材料，在末端加入应变感应材料达到可以闭环反馈调控磁场大小，精准控制智能柔性抓手，以特定的形变和力度抓取物品，又因为仿生柔性抓手接触面能在磁场作用调控表面粗糙度增强抓取效果，且橡胶制的抓手因为其柔软的特性，所以可保护被抓取对象形貌和内部结构。

技术实现要素：

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种具有自感知功能的仿生磁控柔性抓手装置。本发明的技术方案如下：

一种具有自感知功能的仿生磁控柔性抓手装置，其包括：感知动作组件、磁场产生组件及电路装置；所述感知动作组件由柔性手指与固定部件构成，所述的柔性手指，包括感知组件与抓取组件两部分，其中感知部分由压敏与应变敏感材料共同构成，动作部分由硬磁颗粒构成，通过分层、嵌入等方式共同添加进基体中，采用一体成型技术构成感知动作组件；固定部件包括固定螺栓与夹具，用于固定柔性手指；所述磁场产生装置由铁芯、线圈和导磁外壳构成，磁场产生装置用于产生磁场驱动动作组件，磁场产生装置与感知动作组件相连接，所述电路装置提供传感采集、数据处理、磁场控制以及电源供应。

进一步的，所述感知动作组件包括夹具(5)、柔性手指(6)以及固定螺栓(7)，柔性手指(6)包括柔性手指压阻感应部分(601)、柔性手指应变感应部分(602)、柔性手指外层(603)，固定螺栓(7)包括螺栓ⅰ(701)-螺栓ⅴ(705)，螺栓ⅰ(701)用于固定导磁外壳的顶盖和套筒，螺栓ⅱ(702)用于固定铁芯，螺栓ⅲ(703)用于固定铝制骨架；夹具(5)通过螺栓ⅳ(704)固定在磁场产生组件内的导磁外壳(3)下方，并利用螺栓ⅴ(705)调节松紧程度以固定柔性手指(6)，(柔性手指(6)通过螺栓ⅴ(705)与夹具(5)固定于)，柔性手指压阻感应部分(601)固定于导磁外壳(3)下方，柔性手指压阻感应部分(601)设置在柔性手指应变感应部分(602)上方。

进一步的，所述柔性手指(6)由具有压阻与应变感应、磁控形变和摩擦的聚合物材料构成，柔细手指外层(603)设置于柔性手指压阻感应部分(601)及柔性手指应变感应部分(602)的外表面，柔细手指外层(603)通过加入硬磁颗粒，在磁场作用下受力，发生形变，实现物体抓握，柔性手指应变感应部分(602)通过加入压力敏感材料感应柔性手指与被抓取物体的之间的接触力，柔性手指应变感应部分(601)通过在制备柔性手指的过程中贴合一层弯曲应变敏感材料，在抓取物体发生形变的过程中，感知柔性手指的形变过程。

进一步的，所述磁场产生组件包括导电线圈(1)、铝制骨架(2)、铁磁材料构成的导磁外壳(3)及小型铁芯(4)，导磁外壳(3)包括顶盖(301)和套筒(302)，导电线圈(1)缠绕在铝制骨架(2)上，小型铁芯(4)呈圆柱状，固定在铝制骨架(2)中心处，再将其一起放置于导磁套筒(302)内安装顶盖(301)。

进一步的，所述感知动作组件中的柔性手指(6)在磁场产生装置的作用下，柔性手指(6)表面的硬磁颗粒可以直接受到磁场的作用，形成一定的突起，其表面粗糙度发生改变，实现摩擦力调控，辅助抓取物品，同时磁场会改变智能柔性抓手的模量与弯曲应变程度，结合感知数据，即可实现精准调控。

进一步的，所述电路装置包括控制模块(8)及电源装置(9)，控制模块(8)单片机及其周围电路、驱动电路、通信电路组成，单片机选用stm32f103c8t6，采集模块选用ad7606数据采集模块。单片机及其周围电路用于处理采集数据，运算处理以及输出驱动信号，驱动电路用于驱动磁场产生装置，通信电路用于与上位机之间通信，协调处理抓握时间，控制模块(8)对智能柔性抓手指端的接触力大小采集、末端的弯曲应变的情况采集以及对磁场产生组件的调控，通过对指端接触力数据与末端弯曲应变数据进行采集与处理，经过滤波、补偿、拟合后将数据传输到主控芯片，再运用模糊pid控制算法，精确调控驱动模块的驱动电流，进一步控制磁场产生组件，驱动智能柔性抓手。控制模块(8)还可以根据需求处理其他数据，如与机械臂等移动装置通过串口、usb等通信方式通信，获取自定义的命令字进行执行启动、停止、控制到特定抓取角度等操作。采集模块与柔性手指中的感应部分电连接，控制模块与磁场产生装置的驱动电连接，电源装置供应各部分电路装置的电源。进一步的，所述电源装置(9)由电池、稳压电路、电压转换模块采用ams1117输入6-12v，输出3.3-5v，用于为采集控制模块、驱动电路、磁场产生装置提供电源，电源装置(9)留有接口可以根据实际情况更换不同容量的电源，电压转换电路用于根据各组件对电压的不同需求进行转换。

进一步的，所述感知部分的压力感应材料与弯曲应变感应材料均可以采用聚二甲基硅氧烷作为基体制成传感器，磁敏橡胶也是由聚二甲基硅氧烷作为基体，即可以将实现不同功能的材料通过分层的方式，集合在一个聚二甲基硅氧烷基体中，做到压力、弯曲、磁控弯曲响应与磁控摩擦一体化成型。

进一步的，动作组件的连接固定部件上的固定夹具(5)围绕整个转置的中心点以圆形、方形、三角形、椭圆形和多边形中的一种形状均匀等距分布于连接固定部件上。

进一步的，磁场产生组件产生的磁感应强度为5mt-40mt，单根柔性手指(6)厚度为0.1mm-5mm，所述柔性手指的长宽比值为1:1-1:20，数量至少为2个，固定夹具数量至少为2个，所述的柔性手指的关节可以有0-5个。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明基于传统的磁驱动式柔性抓取装置加以改进，采用具有磁控形变、摩擦增强的磁敏橡胶材料构成柔性手指，同时，本发明的仿生柔性抓手通过将敏感材料与磁敏橡胶相结合，采用一体化成型技术。在柔性手指指端部位加入了压力感应材料，能够实现在抓握对象时，通过采集模块将数据采集传输到单片机中运算后，输出驱动信号调控磁场产生组件，在柔性手指的末端部位加入了应变感应材料，能够在柔性手指弯曲应变的过程中，感知弯曲应变的大小，结合反馈控制，可以更精准的感知并控制柔性抓手抓取对象，相比于扩展已有的传感模块，本发明在感知与抓取方面，感知精确，可控程度高，一体化高度集成等方面具有明显优势。本发明采用的智能柔性抓手，能智能调控表面粗糙度，改变摩擦力，很好的适应并贴合被抓取物的表面，防止物体表面被损伤，通过自主研发的控制算法，在整个抓取控制过程中，保证了智能柔性抓手的稳定性、安全性、快速性、准确性与适应性。总体而言，本发明结构简单，可附加功能多，适应的环境广泛，可用于各种异形体的抓取对象上。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例为本发明的结构示意图；

图2为本发明的磁场产生组件装配示意图；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明的柔性手指层次示意图。

图5为本发明的抓取示意图。

图6为本发明的抬升控制流程示意图。

附图标记：导电线圈1、铝制骨架2、铁磁材料构成的导磁外壳3、导磁外壳顶盖301、导磁外壳套筒302、小型铁芯4、固定夹具5、柔性手指6、柔性手指内层固定端弯曲应变感应部分601、柔性手指内层指端压阻感应部分602、柔性手指外层603、固定螺栓701-705、采集控制模块8、电源装置9。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供一种具有自感知功能的仿生磁控柔性抓手，包括感知动作组件、磁场产生组件和电路装置。

所述磁场产生组件包括铁芯、线圈和导磁外壳，所述铁芯在线圈的中心部分，所述线圈在导磁外壳的中空部分，所述线圈和铁芯通过螺丝固定在导磁外壳上，所述导磁外壳的上下面仅有一侧封盖。针对下端无封盖的励磁装置的特点，提出了不同于电磁铁的适合磁控仿生柔性抓手的结构优化方案。确定平均磁通量模为优化目标，并给定约束条件，然后在多物理场有限元仿真软件comsol中对励磁装置进行建模、磁路分析和优化。从仿真结果得知，钢壳、线圈和铁芯都会对磁场产生影响。线圈和铁芯的总尺寸会影响磁场的大小，总尺寸越大，产生的磁场越大。同时铁芯和线圈的尺寸比为1:5时能有最大的磁场。钢壳则会影响磁场的形状。在有钢壳的方向磁场更多的聚集在励磁装置上，工作环境中仅有少部分磁场泄露，可以有效地减小对其他元器件的影响。同时，上端和侧面的钢壳会使下端无钢壳的面产生的磁场会传播的更远，可以有效地增加柔性手指的工作范围。

所述感知作动组件包括具有压阻、应变感应、磁控形变和摩擦的磁敏聚合物材料构成的柔性手指和连接固定部件，所述的柔性手指的指端加入特定的压敏材料，所述的柔性手指固定端加入了特定的应变感应材料，可以感知抓取物品过程中的应变情况，所述柔性手指的一端被连接固定部件的固定夹具所固定，并将连接固定部件机械连接于导磁外壳的非封盖侧

优选的，所述压敏材料为碳纳米管材料，所述应变敏感材料为铁纳米线材料。

进一步，所述的柔性手指由两层材料构成，其中外层的材料由硬磁颗粒构成，内层柔性手指指端由压敏材料构成，内层手指固定端由应变材料构成，两层材料均使用聚二甲基硅氧烷(pdms)为基体，在制备的过程中可以一体化成型，实现更好的贴附。

进一步，所述的柔性手指，在磁场的作用下，位于柔性手指表面的硬磁颗粒可以直接受到磁场的作用，形成一定的突起，改变了表面摩擦力，进一步增强了柔性抓手的抓握力。

进一步，所述柔性手指的感知信号通过埋于基体内部的电极通过电连接传导至采集模块。

所述电路装置置于导磁外壳外，所述电路装置中的采集模块与智能柔性手指压力与应变感应材料电连接，所述电路装置中的控制模块与磁场产生组件电连接，所述电路装置中的电源装置分别于控制模块和磁场产生组件电连接。

进一步，所述柔性手指呈现阵列分布方式，分布于磁场产生组件中空的外侧与导磁外壳的内侧，方向为导磁外壳不封盖一侧。

进一步，所述柔性手指呈现多种长条形，三角形，扇形等多种形状。

进一步，所述全部柔性手指在磁场产生装置的作用下可以一致向中心弯曲形变或者向外弯曲形变，并稳定的保持形变状态。

进一步，所述磁场产生装置呈现圆形，正方形，长方形等多种形状。

实施例一

如图1～5所示的一种基于磁敏橡胶的智能柔性抓手装置，包括感知与抓取一体组件、磁场产生组件、采集模块、控制模块和电源装置。

优选的，感知作动组件包括夹具5、柔性手指6、柔性手指压阻感应部分601、柔性手指应变感应部分602以及固定螺栓7，夹具5通过螺栓704固定在磁场产生组件内的导磁外壳3下方，并利用螺栓705调节松紧程度以固定柔性手指6，柔性手指为具有压阻与应变感应、磁控形变和摩擦的聚合物材料构成，柔细手指外层603通过加入硬磁颗粒，在磁场作用下受力，发生形变，实现物体抓握，柔性手指内层指端602通过加入压力敏感材料感应柔性手指与被抓取物体的之间的接触力，柔性手指压阻感应部分601可以通过在制备柔性手指的过程中贴合一层弯曲应变敏感材料，在抓取物体发生形变的过程中，感知柔性手指的形变过程。

磁场产生组件包括导电线圈1、铝制骨架2、铁磁材料构成的导磁外壳3、小型铁芯4以及固定螺栓7，导磁外壳包括301顶盖和302套筒，导电线圈1缠绕在铝制骨架2上，小型铁芯4呈圆柱状，固定在铝制骨架2中心处，再将其一起放置于导磁套筒302内安装顶盖301，同时利用螺栓7来固定各部件，螺栓701用来固定导磁外壳的顶盖和套筒，螺栓702用来固定铁芯，螺栓703用来固定铝制骨架。

采集控制模块8由单片机及其周围电路、驱动电路、通信电路组成，主要实现智能柔性抓手指端的接触力大小采集、末端的弯曲应变的情况采集以及对磁场产生组件的调控。具体的，通过对指端接触力数据与末端弯曲应变数据进行采集与处理，经过滤波、补偿、拟合后将数据传输到主控芯片，再运用模糊pid控制算法，精确调控驱动模块的驱动电流，进一步控制磁场产生组件，通过磁场驱动智能柔性抓手。控制模块(8)还可以根据需求处理其他数据，如与机械臂等移动装置进行数据通信，以接受上位机数据获取特定指令进行控制等。

优选的，所述单根柔性手指分为多个指节，其中指端通过加入特定的敏感材料，并且将金属导线埋于橡胶中，实现抓取过程中感应与被抓取物之间的接触力大小，所述单根柔性手指的后端部分，通过不同的制备方案实现弯曲应变感应。在抓取过程中可以通过各手指，各关节数据，构建3维形状数据，通过不断的在线反馈，智能调节抓握力的大小，实现精准抓握。

电源装置9由电池、稳压电路、电压转换电路组成，起到为系统运行提供电力保证的作用，电源装置9留有接口可以根据实际情况更换不同容量的电源。电压转换电路是为了实现各组件对电压的不同需求。

本发明工作原理：本发明充分运用磁敏橡胶在磁场的调控下可弯曲形变并改变表面摩擦力的特性，结合一体化成型技术，创新的加入弯曲应变与压阻感应材料，实现感应与驱动一体，利用采集控制系统实现了精准控制。即在外部磁场的环境下，柔性抓取手指的抓取过程如下：初始时，通过机械臂等移动装置将智能柔性抓手移动到被抓取对象上方，此时，产生外部磁场，柔性手指开始受到磁场作用发生形变并且表面摩擦力增大，当柔性手指指端开始接触到被抓取物体时，压力感应材料的阻值参数开始发生变化，此时，继续加大磁场强度，直到柔性手指末端的弯曲应变参数不再发生变化，即柔性手指已经尽可能的贴合了被抓取对象，此时机械臂开始尝试抓取提升物体，当指端压力数据发生震荡变化时，说明物体与抓手存在了相对滑动，应继续加大磁场，再执行提升操作。相反的，放置操作即将物体移动到指定位置后，减小磁场强度即可。

本发明开创性地采用了感知作动一体化的结构。由于压力感应材料与弯曲应变感应材料均可以采用聚二甲基硅氧烷(pdms)作为基体制成传感器，磁敏橡胶也是由聚二甲基硅氧烷(pdms)作为基体，即可以将实现不同功能的材料通过分层的方式，集合在一个聚二甲基硅氧烷(pdms)基体中，做到压力、弯曲、磁控弯曲响应与磁控摩擦一体化成型，提高了执行控制组件的稳定性，使得传感控制进一步微型化，相比于扩展传感模块而言，整体集成度高，可控效果好，并且整体具有可观的柔性，能够精确实现抓握，同时达到保护被抓取物体的内部结构和外形特征的目的。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitorymedia)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。