一种面向软体机械手的触感体及触感系统

1.本发明涉及软体机械手触感技术领域，具体为一种面向软体机械手的触感体及触感系统。


背景技术：

2.全球机器人需求不断扩大，在生产、生活等各个领域都得到应用。机械手作为机器人与工作对象交互的末端执行器，也是机器人产业发展的重点。早期的机械手类型多为刚性机械夹爪。经过多年发展后，刚性机械夹爪也从单一的分布式刚性机械夹爪发展到各类仿生灵巧手，并集成了各类触觉、视觉传感器，满足了各类工业化、自动化的任务要求。
3.但随着机械手越来越被应用于抓取易碎物体、人机协作环境等复杂任务，刚性机械手很难满足要求，而软体机械手的应用越来越普遍。软体机械手具有轻量化的特点，其材料通常使用橡胶、聚合物、多功能材料等，其非线性、粘弹性和迟滞性等特性带来了软体机械手的高适应性、安全性等性能优势。
4.目前面向软体机械手的触觉感知的实现，大多是依靠两类方法实现：(1)基于导电材料在应变作用下电阻或者电容变化的原理。这些传感单元本身具有一定的柔性，但弹性模量一般都比硅胶材料大，对于软体机械手的运动有一定的影响。(2)依靠嵌入式的光纤传感器(阵列)，可以感受软体机械手对于触觉、位置、形状以及物体成分、温度、振动等的智能识别，基于以上方法的软体机械手对于物体表面触感的信息感知，还较为困难，其实现方案还较为粗糙，大多数的触觉感知是利用压力传感来获得机械手所受的压力，但对物体表面的粗糙程度、局部形状无法感知，因此急需一种一种面向软体机械手的触感体及触感系统来解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种能获得触觉大小以及位置，从而获取压力触感的技术路径的面向软体机械手的触感体及触感系统，来解决上述现有技术中存在的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种面向软体机械手的触感体，该触感体主要由多根液态金属感应体编制而成，其中，每根所述液态金属感应体均包括弹性管、填充在弹性管内的液态金属、以及柔性金属线、压力管道和液压测量传感器，所述柔性金属线与液态金属串联，行成串联电阻，通过所述串联电阻变化获得触感与电阻之间的映射关系，压力管道一端插入弹性管内与液态金属接触，另一端与所述液压测量传感器相连，用于向液压测量传感器传导液态金属压力的变化。
7.优选的，所述弹性管两端均设有防止液态金属泄露的密封头。
8.优选的，所述触感体通过n根纵向液态金属感应体和m根横向液态金属感应体进行经纬法编织而成。
9.优选的，n根纵向液态金属感应体和m根横向液态金属感应体至少部分交叉点处进行缠绕式编织。
10.优选的，每根所述液态金属感应体均包括若干个缠绕段，其中，非缠绕段的电阻为常数，液态金属感应体的缠绕段的电阻ρ为液态金属电阻率，l为每一个液态金属段长度，s为液态金属横截面积；
11.单根液态金属感应体受到接触挤压后的缠绕段电阻r
′
与接触挤压之前r的关系为r
′
＝r*t，其中，δs为液态金属横截面积变化值。
12.优选的，n*m维度的缠绕段电阻矩阵r
′
与n*m维度的变形矩阵t的关系为：
13.r
′1＝r1*t；
14.r
′2＝r2*t；
15.其中，变形矩阵t为：
[0016][0017]
通过电路测量所述r1、r2和r
′1、r
′2的值，并求得截面积变形比率与t之间的关系，获取触觉大小以及位置。
[0018]
一种面向软体机械手的触感体的触感系统，包括触感体、信号采集模块和数据处理模块，所述触感体装入所述软体机械手的执行端，所述信号采集模块采集执行端处触感体产生的信号，数据处理模块对信号进行处理，获取频率特征，并将众多特征作为神经网络的输入样本，在网络充分训练之后，得到多种触感指标，压缩各个触感指标获得触感结果。
[0019]
优选的，所述软体机械手的执行端包括软体机械手的手指、手掌和手背，触感体的尺寸基于执行端尺寸进行编织。
[0020]
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明中，通过多根液态金属感应体编制构成触感体，增强感应体对于触感的灵敏度，大大强于单根非缠绕的感应体，并通过对多根液态金属感应体触感与电阻之间的映射关系，可以获得触觉大小以及位置，解决压力触感的技术路径问题；
[0021]
本发明中，将触感系统与软体机械手相结合，使得软体机械手具有感知触觉的能力，并利用号采集模块和数据处理模块的作用，采取或对信号进行处理，获取频率特征，将众多特征作为神经网络的输入样本，在网络充分训练之后，得到多种触感指标，其中，可借助粗糙表面接触力学理论，获得软体机械手与物体表面相对运动带来的振动，分析液压传感器信号的频谱，解决粗糙度触感的技术路径问题。
附图说明
[0022]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
[0023]
在附图中：
[0024]
图1是本发明触感体网格的结构示意图；
[0025]
图2是本发明单根液态金属感应体的结构示意图；
[0026]
图3是本发明单根液态金属感应体电阻分布的结构示意图；
[0027]
图4是本发明单根液态金属感应体编织的结构示意图；
[0028]
图5是本发明垂直交叉的液态金属感应体编织的结构示意图；
[0029]
图6是本发明n*n维度的电阻矩阵的结构示意图；
[0030]
图7是本发明触感体与软体机械手一体式的结构示意图；
[0031]
图8是本发明软体机械手指上的粗糙度触感的结构示意图；
[0032]
图9是本发明触感信号的综合获得与分析的结构示意图；
[0033]
图10是本发明触感系统在航空器蒙皮检查中的应用示意图；
[0034]
图中标号：1、弹性管；2、液态金属；3、柔性金属线；4、压力管道；5、液压测量传感器。
具体实施方式
[0035]
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0036]
实施例：如图1所示，一种面向软体机械手的触感体，该触感体主要由多根液态金属感应体编制而成；
[0037]
其中参考图2所示，每根液态金属感应体均包括弹性管1、填充在弹性管内的液态金属2、以及柔性金属线3、压力管道4和液压测量传感器5，柔性金属线3与液态金属2串联，行成串联电阻，当外部有物体接触到液态金属感应体时，弹性管1发生形变，导致串联电阻发生改变，通过测量电阻变化即可获得触感与电阻之间的映射关系，压力管道4一端插入弹性管内与液态金属接触，另一端与液压测量传感器5相连，用于向液压测量传感器传导液态金属压力的变化，液压测量传感器用来测量液态金属的液压值。
[0038]
其中，液态金属包括类镓铝合金、镓铋合金、镓锡合金、镓铟合金、铋锡合金、锡铋合金、水银等，弹性管可以采用入中空聚苯乙烯(sebs)弹性软管、合成橡胶(tpe)弹性管等；弹性管两端均设有防止液态金属泄露的密封头；柔性金属线，可采用au，ag，cu和al等有色金属编织线进行传导。
[0039]
本发明中，参考图1，触感体通过n根纵向液态金属感应体和m根横向液态金属感应体进行经纬法编织而成，其中，n根纵向液态金属感应体和m根横向液态金属感应体至少部分交叉点处进行缠绕式编织；其中，对于互相交叉缠绕的两个液态金属感应体，由于其交叉缠绕部分构成互相约束的作用，当它收到外力挤压之后，其受压力作用的有效面积大于单根液态金属感应体受力面积，故其压力敏感度也大于单根液态金属感应体，其灵敏度较大且可以进行压力定位；通过试验测量，编织感应体的灵敏度是不编织感应体的十倍以上。
[0040]
其中，单根液态金属感应体中触感与电阻之间的关系，如下：
[0041]
参考图3所示，单个感应体在局部被编织之后，产生多个局部缠绕，将其总电阻r可以看作是n个交叉点串联而成的电路(参考图3，包括5个电阻)，可以简化为：r
单根
＝r1+r2+r3+r4+r5；
[0042]
参考图3左图，通过试验测量，可以近似地把图3左图中非缠绕段r2、r4和r5电阻看
为常数，在常规受压过程中其电阻值变化不大，r2＝r4＝r5＝r
常数
；
[0043]
缠绕段的电阻计算公式：其中，ρ为液态金属电阻率，l为每一个液态金属段长度，s为液态金属横截面积；
[0044]
当外力接触到r1段液态金属段时，其接触变形点处的横截面积和整体长度均发生改变，引起其电阻发生变化，(假设r1段发生外力基础，引起r1段电阻发生变化，其他段原理相同)，其变形之后的电阻可以表示为：
[0045]
由于在感应体中，接触的面积往往很小，接触长度为l
接触
，由于接触引起的液态金属转移给r1段其他部分，所以δl实际上约为：
[0046]
所以，在每一个液态金属段中，把l、s和ρ看做是常数，r的主要影响因素有l
接触
和其中，明显的影响更大：
[0047][0048]
令：
[0049]
受到接触挤压后的缠绕段电阻r
′1与接触挤压之前r1的关系为：r
′1＝r1*t；
[0050]
因此，从单个缠绕段电阻值的变化，可以感应是否有触感及感应体变形的程度，且截面积的变化程度是电阻r
′1发生变化的主要影响因素。
[0051]
过n根纵向液态金属感应体和m根横向液态金属感应体进行经纬法编织，质或者工程塑料等轻质材料。其编织方法如下：
[0052]
第一步，参考图4所示，使用编织辅助杆，对单根液态金属感应体围绕编织辅助杆，进行编织，编织后用夹具进行固定；
[0053]
第二步，依次进行剩余平行的感应体的编织，编织时，每两根感应体之间预留足够的空间，以供垂直维度的感应体安装；
[0054]
第三步，参考图5所示，进行垂直交叉的液态金属感应体的编织，首先要对上一步的编织体进行冰冻降温，降至液态金属凝固温度以下并保持一定的时间；然后取出，抽除一根编织辅助杆后，进行垂直交叉的液态金属感应体编织；
[0055]
第四步，依次进行剩余垂直交叉的液态金属感应体的编织；每次编织之前，都要将已编织好的编织体进行降温固形，取出后方便编织，最终获得触感体网格，参考图1所示。
[0056]
其中，n*m维度的缠绕段电阻矩阵r
′
与n*m维度的变形矩阵t的关系为：
[0057]r′1＝r1*t；
[0058]r′2＝r2*t；
[0059]
其中，计算符号*表示哈达马积(hadamard product)；变形矩阵t为：
[0060][0061]
参考图6所示，其中，圆圈表示为两根感应体交叉缠绕段，其余部分为非缠绕段，采用n*n维度的电阻矩阵r1和r2，在多根垂直交叉的液态金属感应体的编织完成之后，可以通过测量得到，其中：
[0062][0063][0064]
其中，其中非缠绕段的电阻为常数r
常数
，缠绕段电阻的初始值为r
缠绕
，均可以通过试验测量得到。
[0065][0066][0067]
得到：
[0068]
[0069][0070]
带入上述n*m维度的缠绕段电阻矩阵r
′
与n*m维度的变形矩阵t的关系中获得变形矩阵t为：
[0071][0072]
本实施例中，通过电路，测量r1、r2和r
′1、r
′2的值，通过t＝r-1r′
求得稀疏矩阵t中的部分数值；其中，仅有t
12
、t
14
、t
21
、t
23
、t
32
、t
34
、t
43
、t
45
、t
52
、t
54
不为0，其余均为零；
[0073]
当获得以上触感变形矩阵之后，可以通过公式求得截面积变形比率与t之间的关系，获取触觉大小以及位置。
[0074]
一种面向软体机械手的触感体的触感系统，包括触感体、信号采集模块和数据处理模块，触感体装入软体机械手的执行端，信号采集模块采集执行端处触感体产生的信号，数据处理模块对信号进行处理，获取频率特征，并将众多特征作为神经网络的输入样本，在网络充分训练之后，得到多种触感指标，压缩各个触感指标获得触感结果。
[0075]
其中，软体机械手的执行端包括软体机械手的手指、手掌和手背，其网络大小也可以根据需要扩大或者缩小维度，如最小维度为2*2感应体编织网络，也可以为n*m或者n*n规格的网络，但其设计需要再满足t＝r-1r′
公式可解的前提之下。
[0076]
本实施例中，参考图7所示，触感体可与软体机械手的手指为一体式设计和制造，在软体机械手的手指或者手掌中，要保持缠绕段凸起高于手指接触面或者缠绕段凸起埋在很薄的硅胶层中，以保证较高的灵敏度；
[0077]
通过上述软体机械手进行来感知被测物体表面的粗糙度：
[0078]
通过上述带有触感体的软体机械手与被测物体之间接触并滑动摩擦。该场景可以看做是高弹性体与刚性粗糙面之间的摩擦，参考图8所示，其中，在高弹性体摩擦中，高弹性体的表面粗糙度仅仅起到很小的作用，摩擦力主要取决于刚性表面的粗糙度；
[0079]
当带有触感体的软体机械手与被测物体产生运动摩擦时，摩擦以及带来的振动主要取决于被测物体表面的状态，其中，软体手指以速度v划过被测物体表面微观特征尺寸为r的距离所用的时间为：
[0080]
[0081]
在滑动过程中，特征频率的数量级为：
[0082][0083]
根据以上可知，在恒定速度v的速度下，感应体发生振动带来感应体内部液态金属压力发生变化，通过分析液态金属压力数值的频谱，可以得到触摸物体表面的粗糙度触感；
[0084]
其中，参考图9所示，可利用两类感知，利用信号采集软硬件，进行信号预处理，获取频率特征，将众多特征作为神经网络的输入样本，在网络充分训练之后，得到多种触感指标，可以作为被测物体表面状态的有效判据。
[0085]
另外，触感体可用在工业产品表面状态评估、医疗机器人的智能感知、智慧农业的柔性抓取等等方面。例如尺参考图10所示，即在航空器蒙皮的状态感知的应用案例；可以判别蒙皮以及蒙皮上附属物的状态，如损伤裂纹、油漆脱落、结冰等故障，可以作为智能化检测和维修的有效工具之一。
[0086]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。