一种气动软体手控制系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种气动软体手，具体为一种气动软体手控制系统及其控制方法。

背景技术：

气动软体手是由具有柔软、可延展、不可压缩的硅橡胶类材料制备而成。这类气动软体手具有高柔顺性、无穷自由度。与传统的刚性机械手相比，由柔性材料制备而成的气动软体手在与外部物体接触时，具有被动适应性，更高的灵活性，尤其适合于非结构环境需求，有利于增加人机合作安全性，受到全世界研究学者和研究机构的广泛青睐。

在气动软体手的应用领域，缺乏合适的柔性传感器表征其运动过程中的抓取力与抓取位置，而且，现在大多数的气动软体手控制系统都为开环系统，无法实现闭环反馈功能，使其应用领域受到了限制。

技术实现要素：

针对现有技术中气动软体手为开环系统、无法实现闭环反馈功能等不足，本发明要解决的问题是提供一种能够实现对抓取球形物体尺寸判断、并且能够对物体实现自适应稳定抓取的气动软体手控制系统及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种气动软体手控制系统，包括控制器、功率放大器、运算放大器、气压传感器、弯曲传感器以及上位机，其中，气压传感器设于与气动软体手内腔相通处，其信号线接至控制器的输入端；弯曲传感器贴覆于气动软体手弯曲部位内侧，其信号线经运算放大器接至控制器的输入端；控制器与上位机进行双向通讯连接，控制器根据上位机的控制指令输出pwm信号经功率放大器送至气动部件，驱动气动软体手动作。

气动软体手具有3～5指。

弯曲传感器贴覆于气动软体手的一个手指弯曲部位内侧，与手指相对位置保持不变。

手指内侧附有防止手指产生径向膨胀的不可收缩纤维层。

本发明一种气动软体手控制方法，包括：上位机控制程序和气动软体手控制程序，上位机控制程序包括弯曲-压力检测子程序和弯曲-直径检测子程序，其中弯曲-直径检测子程序控制过程如下：

上位机发送指令，控制器接收上述指令并产生pwm信号，驱动气动软体手弯曲变形；

判断驱动气动软体手内腔压力是否达到期望值；

如果没有达到期望值，则气动软体手继续产生弯曲运动；

通过弯曲-压力关系模块计算预测弯曲值；

当预测弯曲值大于实测弯曲值时，气动软体手停止运动，记录弯曲值；

通过弯曲-直径关系模块计算得到物体直径，并在上位机显示；

气动软体手复位到初始状态，一次弯曲-直径检测过程结束。

当预测弯曲值大于实测弯曲值，则转至上位机发送指令，控制器接收上述指令并产生pwm信号，驱动气动软体手弯曲变形步骤；

或者，如果驱动气动软体手内腔压力已达到期望值，则气动软体手复位到初始状态，则转至上位机发送指令，控制器接收上述指令并产生pwm信号，驱动气动软体手弯曲变形步骤。

弯曲—压力关系模块通过matlab软件拟合得到，具有以下关系式

p＝a0b+a1(1)

其中，b为弯曲值，p为压力值，a0、a1均为拟合参数值；

或者，弯曲—直径关系模块通过matlab软件拟合得到，具有以下关系式

s＝a0b²+a1b+a2(2)

其中，b为弯曲值、s为直径值，a0、a1、a2均为拟合参数值。

弯曲-压力检测子程序控制过程如下：

气动软体手产生弯曲运动后，判断驱动气动软体手内腔压力是否达到最大值；

如果没有达到最大值，则气动软体手继续产生弯曲运动；

通过弯曲-压力关系模块计算预测弯曲值；

当预测弯曲值大于实测弯曲值时，记录实测弯曲值，通过弯曲-压力关系模块得到期望压力值，并将其乘以权重系数，得到稳态抓取压力值；

判断是否达到需求的稳态抓取时间；

如果达到需要的稳态抓取时间，则一次弯曲-压力检测过程结束。

如果没有达到需要的稳态抓取时间，判断气动软体手内腔压力是否达到稳态抓取压力值；

如果气动软体手内腔压力达到稳态抓取压力值，则保持由上位机向控制器发送保持压力指令，转至判断是否达到需求的稳态抓取时间步骤。

如果预测弯曲值不大于实测弯曲值，则转至气动软体手产生弯曲运动步骤；

或者，如果驱动气动软体手内腔压力已达到最大值，则气动软体手复位到初始状态，转至气动软体手产生弯曲运动步骤。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明气动软体手控制系统能够实现对抓取球形物体尺寸判断，并且能够对物体实现自适应稳定抓取，填补了气动软体手控制系统领域的空白。

2.本发明能够使气动软体手自适应不规则形状结构物体的抓取任务，即能够像章鱼伸出的触须一样，将物体进行卷绕，施加抓取力实现包络抓取；基于内嵌式弯曲传感器，可以“适应”各种被抓取物体的强度特征，实现对不同尺寸和质量物体的稳定抓取；将气动软体手与微型泵供压系统集成在一起，摆脱了大型空压机的限制，扩大了其使用范围，可以将其作为服务机器人，工业机器人和特种机器人等的末端执行器场合进行应用。

附图说明

图1为本发明气动软体手控制系统的结构示意图；

图2为本发明气动软体手控制系统物体直径识别程序流程图；

图3为本发明气动软体手控制系统自适应稳定抓取程序流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明一种气动软体手控制系统，包括控制器、功率放大器、运算放大器、气压传感器、弯曲传感器以及上位机，其中，气压传感器设于与气动软体手内腔相通处，其信号线接至控制器的输入端；弯曲传感器贴覆于气动软体手弯曲部位内侧，其信号线经运算放大器接至控制器的输入端；控制器与上位机进行双向通讯连接，控制器根据上位机的控制指令输出pwm信号经功率放大器送至气动部件，驱动气动软体手动作。

本实施例中，通过直流电源为功率放大器和运算放大器提供工作电源。气动软体手为3～5指；弯曲传感器贴覆于气动软体手的一个手指弯曲部位内侧，与手指相对位置保持不变。手指内侧附有防止手指产生径向膨胀的不可收缩纤维层。

弯曲传感器采用奥松机器人公司的产品，本实施例中，该弯曲传感器为flx-03a型单向弯曲传感器，其主要技术参数有：厚度：0.019英寸，工作温度：-45℃-125℃，笔直状态的电阻：14k欧姆，弯曲电阻变化：10k～40k欧姆，长×宽：41/2英寸*1/4英寸。

上位机中存有上位机控制程序，包括气动软体手控制系统物体直径识别程序和气动软体手控制系统自适应稳定抓取程序，分别用于气动软体手抓取球形物体尺寸的识别和对物体实现自适应稳定抓取控制；并且通过串口通讯，实现与控制器的模拟口和数字口的数据传输。

控制器具有读/写数字口数据和读模拟口数据的功能，从而实现其与上位机和气压传感器、弯曲传感器通讯。

功率放大器对pwm信号功率进行放大，运算放大器对模拟电压量进行运算放大，气压传感器测量气动软体手内腔相对气压值，该数值能够表征气动软体手对物体抓取力大小程度。弯曲传感器测量气动软体手抓取物体弯曲值，该数值能够表征气动软体手对物体抓取弯曲程度。

本发明一种气动软体手控制方法，包括：上位机控制程序和气动软体手控制程序，上位机控制程序包括弯曲-压力检测子程序和弯曲-直径检测子程序，其中弯曲-直径检测子程序控制过程如图2所示：

上位机发送指令，控制器接收上述指令并产生pwm信号，驱动气动软体手弯曲变形；

判断驱动气动软体手内腔压力是否达到期望值；

如果没有达到期望值，则气动软体手继续产生弯曲运动；

通过弯曲-压力关系模块计算预测弯曲值；

当预测弯曲值大于实测弯曲值时，气动软体手停止运动，记录弯曲值；

通过弯曲-直径关系模块计算得到物体直径，并在上位机显示；

气动软体手复位到初始状态，一次弯曲-压力检测过程结束。

当预测弯曲值大于实测弯曲值，则转至上位机发送指令，控制器接收上述指令并产生pwm信号，驱动气动软体手弯曲变形步骤；

或者，如果驱动气动软体手内腔压力已达到期望值，则气动软体手复位到初始状态，则转至上位机发送指令，控制器接收上述指令并产生pwm信号，驱动气动软体手弯曲变形步骤。

弯曲-压力检测子程序控制过程如图3所示：

气动软体手产生弯曲运动后，判断驱动气动软体手内腔压力是否达到最大值；

如果没有达到最大值，则气动软体手继续产生弯曲运动；

通过弯曲-压力关系模块计算预测弯曲值；

当预测弯曲值大于实测弯曲值时，记录实测弯曲值，通过弯曲-压力关系模块得到期望压力值，并将其乘以权重系数，得到稳态抓取压力值；

判断是否达到需求的稳态抓取时间；

如果达到需要的稳态抓取时间，则一次弯曲-压力检测过程结束。

如果没有达到需要的稳态抓取时间，判断气动软体手内腔压力是否达到稳态抓取压力值；

如果气动软体手内腔压力达到稳态抓取压力值，则保持由上位机向控制器发送保持压力指令，转至判断是否达到需求的稳态抓取时间步骤。

如果预测弯曲值不大于实测弯曲值，则转至气动软体手产生弯曲运动步骤；

或者，如果驱动气动软体手内腔压力已达到最大值，则气动软体手复位到初始状态，转至气动软体手产生弯曲运动步骤。

本发明中，上位机包括弯曲-压力关系模块和弯曲-直径关系模块，分别对应气动软体手控制系统自适应稳定抓取程序和气动软体手控制系统物体直径识别程序。其中，弯曲-压力关系模块是通过上位机控制程序发送指令，由控制器接收指令并产生pwm信号，该信号经过功率放大器驱动气动软体手的气动部件，致使气动软体手弯曲变形。在此过程中，控制器实时读取气压传感器测量到的相对压力值和经由运算放大器放大的弯曲传感器测量到的弯曲值。控制器实时读取到的弯曲值和相对压力值再传送到上位机控制程序，并记录下这些数据。在完成一次气动软体手抓放动作后，利用曲线拟合知识对测量到的弯曲值和相对压力值进行拟合，得到弯曲-压力关系模块。

本实施例中，弯曲—压力关系模块通过matlab软件拟合工具箱可得具有以下关系式

p＝a0b+a1(1)

其中，b表示弯曲值、p表示压力值，a0和a1为拟合参数值。

弯曲-直径关系模块是通过上位机控制程序发送指令，由控制器接收指令并产生pwm信号，该信号经过功率放大器驱动气动软体手的气动部件，致使气动软体手弯曲变形，并分别抓取不同直径的球形物体。在此过程中，控制器实时读取经运算放大器放大的弯曲传感器测量到的弯曲值，并记录下手指不在产生形变时的弯曲值。在完成气动软体手对五组不同直径球形物体抓放动作后，利用曲线拟合知识对测量到的弯曲值和直径进行拟合，得到弯曲-直径关系模块。

本实施例中，弯曲—直径关系模块通过matlab软件拟合工具箱可得具有以下关系式

s＝a0b²+a1b+a2(2)

其中，b表示弯曲值、s表示直径值，a0、a1和a2为拟合参数值。

气动软体手控制系统完成对不同直径球形物体尺寸识别并自适应抓取的工作过程如下：

启动包含弯曲-压力关系模块和弯曲-直径关系模块的上位机控制程序，控制器接收指令并产生pwm信号，该信号经过功率放大器驱动气动软体手的气动部件，致使气动软体手弯曲变形。在此过程中，控制器实时读取经运算放大器放大的弯曲传感器测量到的弯曲值并传输至上位机控制程序，在此过程中记录下气动软体手不再产生形变时的弯曲值。根据此弯曲值，上位机控制程序中的弯曲-直径关系模块预测出抓取球形物体的直径，并显示出来。同时，由弯曲-压力关系模块计算出抓取期望相对压力值，并将其乘以权重系数，得到稳态抓取压力值，上位机控制程序记录下稳态抓取压力值，通过控制器读取的气压传感器相对压力值，反馈给上位机控制程序，判断此时相对压力值与稳态抓取压力值的误差，根据误差大小，上位机控制程序输出不同的指令，改变控制器输出的pwm值，进而控制经功率放大器驱动气动软体手气动部件的驱动信号，最终控制气动软体手的形态，实现自适应稳定抓取。