软体机械手及控制方法

1.本技术属于机械手技术领域，尤其涉及一种软体机械手及控制方法。


背景技术：

2.机械手在工业上应用十分广泛，可代替人类完成许多不可思议的任务。但传统的机械手是由刚性材料组成的，很容易损坏外表柔软、体积小的物体。软体手的出现引起研究者很大的兴趣。软体手以柔性材料为主，相比于机械手而言可进行更灵活的操作，比如在狭窄空间使用、抓取不规则物体、微创手术等，但是软体手存在加持力小，导致无法抓起重量大的物体。


技术实现要素：

3.本技术实施例提供了一种软体机械手及控制方法，可以解决软体手加持力小的问题。
4.第一方面，本技术实施例提供了一种软体机械手，包括支撑板和多个手指结构，多个所述手指结构分布安装在所述支撑板上，每个所述手指结构包括第一弹性板、第二弹性板、压力传感器、第一角度传感器和第二角度传感器，所述第一弹性板的第一端和所述第二弹性板的第一端均固定安装在所述支撑板上，所述第一弹性板的第二端和所述第二弹性板的第二端均与所述压力传感器固定连接，所述第一弹性板和所述第二弹性板之间呈预设角度，所述第一角度传感器设置在在所述第一弹性板上，所述第二角度传感器设置在所述第二弹性板上；
5.所述第一弹性板的控制端、所述第二弹性板的控制端、所述第一角度传感器、所述第二角度传感器和压力传感器均用于与控制器电连接。
6.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一弹性板包括液晶弹性体薄膜和电热膜，所述电热膜中贴装在所述弹性液晶体的表面，所述电热膜用于通电后产生热量并将热量传递到所述液晶弹性体，所述液晶弹性体用于在温度发生变化时产生弯曲形变。
7.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述电热膜为聚酰亚胺电热膜。
8.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一角度传感器采用在所述液晶弹性体上压印导电材料制作而成。
9.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述压力传感器采用在智能材料上压印栅形电极的方式制备。
10.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述预设角度为10
°‑
30
°
。
11.第二方面，本技术实施例提供了一种软体机械手的控制方法，包括：
12.获取手指结构的期望弯曲角度、手指结构中第一弹性板的第一当前弯曲角度和手指结构中第二弹性板的第二当前弯曲角度；
13.将所述期望弯曲角度带入角度模型，得到所述手指结构中的第一弹性板的第一期望弯曲角度和第二弹性板的第二期望弯曲角度；
14.根据所述第一当前弯曲角度和所述第一期望弯曲角度，控制所述第一弹性板弯曲到所述第一期望弯曲角度；
15.根据所述第二当前弯曲角度和所述第二期望弯曲角度，控制所述第二弹性板弯曲到所述第二期望弯曲角度。
16.在第二方面的一种可能的实现方式中，所述根据所述第一当前弯曲角度和所述第一期望弯曲角度，控制所述第一弹性板弯曲到所述第一期望弯曲角度，包括：
17.根据所述第一当前弯曲角度和所述第一期望弯曲角度，计算得到第一角度偏差；
18.将所述第一角度偏差带入第一公式，得到所述第一弹性板的控制信号；
19.其中，第一公式为：
[0020][0021]
其中，u(t)为所述第一弹性板的控制信号，e(t)为所述第一角度偏差，k
p
是比例系数，ti是积分时间系数，td是微分时间系数。
[0022]
本技术实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
[0023]
本技术提供了一种软体机械手，包括支撑板和多个手指结构，多个手指结构分布安装在支撑板上，每个手指结构包括第一弹性板、第二弹性板、压力传感器、第一角度传感器和第二角度传感器，第一弹性板的第一端和第二弹性板的第一端均固定安装在支撑板上，第一弹性板的第二端和第二弹性板的第二端均与压力传感器固定连接，第一弹性板和第二弹性板之间呈预设角度，第一角度传感器设置在在第一弹性板上，第二角度传感器设置在第二弹性板上；第一弹性板的控制端、第二弹性板的控制端、第一角度传感器、第二角度传感器和压力传感器均用于与控制器电连接。
[0024]
软体机械手在使用过程时，控制器控制第一弹性板和第二弹性板通电，第一弹性板和第二弹性板通电后产生弯曲形变，从而实现手指结构的弯曲，多个手指结构共同弯曲可以实现对物体的抓取。由于每个手指结构由第一弹性板和第二弹性板组成，并且第一弹性板和第二弹性板之间呈预设角度，在手指结构抓取物体时，第一弹性板和第二弹性板共同提供对物体的压力，增大手指结构对物体的摩擦力，从而使该软体机械手能够抓取重量更大的物体。
附图说明
[0025]
为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]
图1是本技术一实施例提供的软体机械手的结构示意图；
[0027]
图2是本技术一实施例提供的第一弹性板的结构示意图；
[0028]
图3是本技术一实施例提供的压力传感器的仿真图；
[0029]
图4是本技术一实施例提供的软体机械手的控制方法的流程示意图；
具体实施方式
[0030]
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
[0031]
应当理解，当在本技术说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0032]
还应当理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0033]
如在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当
…
时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
[0034]
另外，在本技术说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0035]
在本技术说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
[0036]
参见图1和图2所示，软体机械手包括支撑板和多个手指结构，多个手指结构分布安装在支撑板上，每个手指结构包括第一弹性板、第二弹性板、压力传感器、第一角度传感器和第二角度传感器，第一弹性板的第一端和第二弹性板的第一端均固定安装在支撑板上，第一弹性板的第二端和第二弹性板的第二端均与压力传感器固定连接，第一弹性板和第二弹性板之间呈预设角度，第一角度传感器设置在在第一弹性板上，第二角度传感器设置在第二弹性板上。
[0037]
具体的，当软体机械手使用时，将第一弹性板的控制端、第二弹性板的控制端、第一角度传感器、第二角度传感器和压力传感器均用于与控制器电连接。控制器控制第一弹性板和第二弹性板通电，第一弹性板和第二弹性板通电后产生弯曲形变，从而实现手指结构的弯曲，多个手指结构共同弯曲可以实现对物体的抓取。第一角度传感器可以检测第一弹性板的弯曲角度，并将第一弹性板的弯曲角度传送至控制器。第二角度传感器可以检测第二弹性板的弯曲角度，并将第二弹性板的弯曲角度传送至控制器。压力传感器可以检测手指结构对物体的压力，并将检测到的压力传送至控制器。控制器根据第一弹性板的弯曲角度、第二弹性板的弯曲角度和手指结构对物体的压力，调节第一弹性板和第二弹性板的控制电压调节调节第一弹性板和第二弹性板的弯曲角度，进而实现对手指结构弯曲角度的控制，实现物体的抓取。
[0038]
由于每个手指结构由第一弹性板和第二弹性板组成，并且第一弹性板和第二弹性
板之间呈预设角度，在手指结构抓取物体时，第一弹性板和第二弹性板共同提供对物体的压力，增大手指结构对物体的摩擦力，从而使该软体机械手能够抓取重量更大的物体。
[0039]
本技术的一个实施例中，第一弹性板包括液晶弹性体薄膜和电热膜，电热膜贴装在弹性液晶体的表面。
[0040]
具体的，利用3d打印技术打印树脂模具，将pdms溶液按比例混合后倒入模具中制备柔性的支撑板(类似于手掌结构)，将所有手指结构粘接到支撑板上，形成软体机械手。液晶弹性体薄膜(lce)上粘接有带多壁碳纳米管固体的聚酰亚胺电热膜，电热膜用于通电后产生热量并将热量传递到液晶弹性体，液晶弹性体在温度发生变化时产生弯曲形变，实现第一弹性板的弯曲动作。第二弹性板的结构以及工作原理与第一弹性板的结构和工作原理相同，在此不再赘述。
[0041]
示例性的，电热膜为聚酰亚胺电热膜，第一弹性板上的聚酰亚胺电热膜的阻值和第二弹性板上的聚酰亚胺电热膜的阻值相等，以此确保控制器能够精准控制第一弹性板和第二弹性板的弯曲角度。
[0042]
本技术的一个实施例中，第一角度传感器采用在液晶弹性体上压印导电材料制作而成，第一角度传感器能够与液晶弹性体发生相同的弯曲角度，从而第一角度传感器能够精准检测第一弹性板的弯曲角度。第二角度传感器和第一角度传感器的结构、制作工艺以及工作原理相同，在此不再赘述。
[0043]
本技术的一个实施例中，压力传感器采用在智能材料上压印栅形电极的方式制备，实现了智能材料传感的一体化。压力传感器中间电介质采用软硅胶hc-9000，为油状液体，升温固化后成为柔软的弹性材料，制作过程简单。压力传感器安装于每层液晶弹性体薄膜顶端部分，尺寸为1cm
×
0.5cm
×
3mm，不占用空间。
[0044]
示例性的，如图3所示，压力传感器为柔性电容压力传感器，柔性电容压力传感器分布在液晶弹性体薄膜的指尖处，在接触到物体后中间电介质会被压缩而导致电容值的变化，上下极板都为栅格状电极结构，中间电介质为硅胶hc-9000，栅格状电极宽度为20um，对应每个网格宽度为70um，栅格厚度为30um。为确定栅格电极结构的可行性以及构成的柔性电容压力传感器电容值变化范围，利用solidworks三维建模，导入comsol中进行电场模拟仿真得到不同间距时的电容值大小，上下电极尺寸按照标准尺寸来模拟仿真，中间电介质选为空气，空气相对介电常数为1，而硅胶相对介电常数大于空气的相对介电常数，在间距为0.5mm时电容值大小为1.56pf，在间距为3mm时电容值变为0.26pf，通过电容公式可判断硅胶构成的电容压力传感器在可检测范围内，可利用栅格作电极、硅胶作为电介质来制备柔性电容压力传感器。
[0045]
本技术的一个实施例中，预设角度为10
°‑
30
°
，确定第一弹性板和第二弹性板发生弯曲形变时不会相互干扰，当第一弹性板和第二弹性板发生相应的弯曲角度时，第一弹性板和第二弹性板能够同时对物体挤压，增大对物体的挤压力，从而能够抓取重量更大的物体。
[0046]
本技术还公开了一种软体机械手的控制方法，如图4所示，软体机械手的控制方法包括步骤s301至步骤s304。
[0047]
步骤s301，获取手指结构的期望弯曲角度、手指结构中第一弹性板的第一当前弯曲角度和手指结构中第二弹性板的第二当前弯曲角度。
[0048]
具体的，手指结构的期望弯曲角度由遥控器发送或者由控制器根据用户的指令计算得到，手指结构中第一弹性板的第一当前弯曲角度由第一角度传感器检测获得，手指结构中第二弹性板的第二当前弯曲角度由第二角度传感器检测获得。
[0049]
步骤s302，将期望弯曲角度带入角度模型，得到手指结构中的第一弹性板的第一期望弯曲角度和第二弹性板的第二期望弯曲角度。
[0050]
具体的，设计人员可以通过实验的方法，对软体机械手抓取物体时的动作进行分析，得到每个手指结构的期望弯曲角度对应的最佳第一弹性板的弯曲角度和第二弹性板的弯曲角度，然后将手指结构的期望弯曲角度、第一弹性板的弯曲角度和第二弹性板的弯曲角度关联后存储，形成手指结构的角度模型。
[0051]
当获得期望弯曲角度后，将期望弯曲角度带入角度模型，可以得到手指结构中的第一弹性板的第一期望弯曲角度和第二弹性板的第二期望弯曲角度。
[0052]
步骤s303，根据第一当前弯曲角度和第一期望弯曲角度，控制第一弹性板弯曲到第一期望弯曲角度。
[0053]
具体的，首先根据第一当前弯曲角度和第一期望弯曲角度，计算得到第一角度偏差，第一角度偏差为e(t)＝θd(t)-θ(t)，θd(t)为第一期望弯曲角度，θ(t)为第一当前弯曲角度。
[0054]
然后将第一角度偏差带入第一公式，得到第一弹性板的控制信号；
[0055]
其中，第一公式为：
[0056][0057]
其中，u(t)为第一弹性板的控制信号，e(t)为第一角度偏差，k
p
是比例系数，ti是积分时间系数，td是微分时间系数，比例系数k
p
、积分时间系数ti和微分时间系数td可以通过设计人员通过实验确定。
[0058]
为了解决pid控制在消除静态误差的同时可能会引起较大的超调的问题，需要采用一种积分分离的方法，积分分离可以根据当前情况来增加或者减去积分作用，以此来提高控制精度。具体实现过程：
[0059]
1、设定一个阈值ε＞0。
[0060]
2、在e(t)≤ε时，增加积分作用，利用pid控制消除静态误差，提高精度。
[0061]
3、在e(t)≥ε时，减去积分作用，利用pd控制防止超调的增大，防止振荡的产生。
[0062]
积分分离pid控制算法可表示为：
[0063][0064]
式中，t为采样时间，β项是积分项的开关系数。
[0065][0066]
式中，ε为设定的阈值。pid控制会在手指结构弯曲过程中对控制量进行修改，使其弯曲角度接近理想的弯曲角度，每层液晶弹性体薄膜弯曲对应控制量不同，但最终达到的
角度弯曲曲线基本一致。
[0067]
步骤s304，根据第二当前弯曲角度和第二期望弯曲角度，控制第二弹性板弯曲到第二期望弯曲角度。
[0068]
具体的，步骤s304的执行方法与步骤s303的执行方法相同，在此不再赘述。
[0069]
液晶弹性体薄膜所粘接的加热膜阻值为250-260ω，实验过程中利用积分分离pid控制算法来消除偏移量e(t)，得到控制量u(t)，将控制量作为输入接到单片机中对继电器进行控制，多个继电器对多层液晶弹性体薄膜进行控制，以此得到相同的弯曲角度，当软体手接触物体后可使继电器控制通断的交替变化来达到液晶弹性体薄膜弯曲角度的稳定，同时将电容传感器的两端连接于lcr表上，在抓取物体的同时观察lcr表上电容值的变化，以此来表征压力的大小。
[0070]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，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技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。