机器人手曲面贴合装载的非均布式触觉传感阵列布置方法与流程

本发明涉及触觉传感阵列布置方法，尤其是涉及一种机器人手曲面贴合装载的非均布式触觉传感阵列布置方法。

背景技术：

随着人工智能时代的到来，智能机器人技术在工业、医疗、家居等领域发挥着越来越重要的作用。对于一个智能机器人手来说，其除了需要复杂的运动执行系统外，还应具备完善的触觉信息反馈系统。目前常采用的方法是在机器人手上布置触觉传感阵列，以感知三维力、滑移等触觉信息。然而，如何使触觉传感阵列紧密地贴合在机器人手复杂的曲面上成为难题。目前常采用的解决方案是将机器人手曲面结构近似看作平面或规则圆柱面，从而考虑在平面或规则圆柱面上均匀排布触觉传感阵列，但是这种方案会产生很大的误差，使设计的传感阵列无法与机器人手紧密贴合，从而大大增加触觉信息采集的误差。另一种解决方案是根据机器人手与物体接触概率的大小将机器人手分成几大典型的接触区域，再将每一区域分别看作平面，根据每一区域的形状来考虑传感阵列的布置，从而设计出一种非均布的触觉传感阵列，但是这种方案没有从机器人手的实际曲面结构出发来考虑传感阵列的布置。因而，如何从机器人手的实际曲面结构出发考虑触觉传感阵列的排布成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了解决技术背景中存在的问题，本发明的目的在于提供一种机器人手曲面贴合装载的非均布式触觉传感阵列布置方法，可解决触觉传感阵列在复杂曲面上的非均匀排布问题。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

1.一种机器人手曲面贴合装载的非均布式触觉传感阵列布置方法，其特征在于：

1)先获取机器人手上每个手指的原始点云数据，并对原始点云数据进行数据预处理，包括去除手指体外孤点、减噪和采样等；

2)对数据预处理后的点云数据进行分割，分割为多个点云区域，每个点云区域对应手指不同位置区域，根据分割后每个点云区域中点云数据的三维坐标值求出该点云区域对应手指曲面的平均曲率半径；

3)根据平均曲率半径重建手指三维模型，并计算出每个点云区域对应曲面的弧长跨度，并且根据不同抓取动作下手指不同区域与物体接触概率的大小建立每个点云区域中相邻传感单元间的中心距离约束条件，再根据曲面的弧长跨度、传感单元的大小和相邻两个传感单元间的中心距离约束条件设计获得传感单元的个数和布置。

机器人手包括有多个手指，在手持的夹持面上布置有由多个传感单元构成的触觉传感阵列，本发明在夹持面的不同位置布置不同数量和不同排布形状的触觉传感阵列，即采用非均布式在夹持面上布置触觉传感阵列。

所述的传感单元为独立触觉传感器。

2.根据权利要求1所述的一种机器人手曲面贴合装载的非均布式触觉传感阵列布置方法，其特征在于：

所述步骤2)具体为：

2.1)每根手指分为根部指节、末端指节和中间指节，提取手指中末端指节和中间指节的点云数据，根据机器人手实际曲面结构将末端指节和中间指节的点云数据共同组成的数据分割成四个点云区域，分别为指尖点云区域、指腹点云区域、关节点云区域和指节点云区域，分别对应为指尖曲面区域(1)、指腹曲面区域(2)、关节曲面区域(3)和指节曲面区域(4)；

2.2)分别对四个点云区域的点云数据进行采样，每个点云区域保留n个数据点，n为4的整数倍，以减小计算平均曲率半径时的计算量并保证准确率；

具体可进行随机采样。

2.3)分别计算每个点云区域的平均曲率半径：针对每个点云区域，对点云数据进行点阵化处理，使点云数据按照本身空间排列次序排序，按照顺序以每四个点取为一组作为相邻的四个点，计算出相邻的四个点构成的曲面的曲率半径值，计算公式如下：

(x′i-x4i-3)²+(y′i-y4i-3)²+(z′i-z4i-3)²＝ri²

(x′i-x4i-2)²+(y′i-y4i-2)²+(z′i-z4i-2)²＝ri²

(x′i-x4i-1)²+(y′i-y4i-1)²+(z′i-z4i-1)²＝ri²

(x′i-x4i)²+(y′i-y4i)²+(z′i-z4i)²＝ri²

式中，(x4i-3,y4i-3,z4i-3)、(x4i-2,y4i-2,z4i-2)、(x4i-1,y4i-1,z4i-1)、(x4i,y4i,z4i)为相邻的四个点的三维空间坐标值，(x′i，y′i，z′i)为相邻的四个点构成的曲面所对应的球心坐标值，ri为相邻的四个点构成的曲面的曲率半径，i＝1，2，3，…，n/4；

2.4)根据上述四个公式求出所有每相邻的四个点构成的曲面的曲率半径ri，再计算得到所有曲面的平均曲率半径

其中，i表示相邻的四个点构成的曲面的序号，n表示相邻的四个点构成的曲面的序号，即每个点云区域采样后保留的点的个数。

3.根据权利要求1所述的一种机器人手曲面贴合装载的非均布式触觉传感阵列布置方法，其特征在于：

所述步骤3)具体为：

3.1)根据四个点云区域的平均曲率半径并结合手指的实际尺寸和结构利用建模软件重建手指三维模型，手指三维模型包括有指尖曲面区域(1)、指腹曲面区域(2)、关节曲面区域(3)和指节曲面区域(4)；四个曲面区域上布置触觉传感器。

即由指尖点云区域获得的平均曲率半径结合手指指尖的实际尺寸和结构重建获得指尖点云区域，由指腹点云区域获得的平均曲率半径结合手指指腹的实际尺寸和结构重建获得指腹点云区域，由关节点云区域获得的平均曲率半径结合手指关节的实际尺寸和结构重建获得关节点云区域，由指节点云区域获得的平均曲率半径结合手指指节的实际尺寸和结构重建获得指节点云区域。指尖部位的夹持面为指尖曲面区域1，指腹部位的夹持面为指腹曲面区域2，关节部位的夹持面为关节曲面区域3，指节部位的夹持面为指节曲面区域4。

对于指尖曲面区域(1)，曲面结构作为类穹顶结构，指尖中心(5)为穹顶的最高点，也是最易与物体接触的点，根据曲面各个方向上的实际弦长尺寸和平均曲率半径计算各个方向的弧长跨度(6)，实际弦长尺寸对手指实际测量获得，设各个方向弧长跨度的最小值作为最短弧长跨度sa；

其中，sa表示指尖曲面区域的最小弧长跨度，la表示指尖曲面区域最小弧长跨度对应的实际弦长尺寸，表示指尖曲面区域的平均曲率半径；

对于指腹曲面区域(2)、关节曲面区域(3)和指节曲面区域(4)，根据曲面沿横向上的实际弦长尺寸和平均曲率半径分别计算指腹曲面区域横向弧长跨度sb(7)、关节曲面区域横向弧长跨度sc和指节曲面区域横向弧长跨度sd，纵向跨度可看作直线，通过对手指实际测量获得，设指腹曲面区域纵向直线跨度为hb(8)，关节曲面区域纵向直线跨度为hc，指节曲面区域纵向直线跨度为hd。

所述的横向是指垂直于手指中轴的方向。

3.2)依据不同抓取动作下手指与物体接触概率的大小来确定中心距离的大小，在实际抓取过程下，建立以下手指不同区域与物体接触概率的大小满足以下关系：指尖>指腹>指节>关节，接触概率越大的区域，相邻传感单元间的中心距离应越小，从而提高其空间分辨率。建立以下中心距离的约束关系：lc>ld>lb>la，其中la为指尖曲面区域中相邻传感单元间的中心距离，lb为指腹曲面区域中相邻传感单元间的中心距离，lc为关节曲面区域中相邻传感单元间的中心距离，ld指节曲面区域中相邻传感单元间的中心距离；

3.3)按照满足以下方式进行传感单元的布置：

a)对于指尖曲面区域(1)，在指尖中心(5)布置一个传感单元，在以指尖中心为圆心的外围圆周上布置p个传感单元，在满足外围圆周上相邻传感单元间不发生干涉的条件下，p的值应尽可能大，以提高指尖曲面区域触觉传感阵列的分辨率。外围圆周上的传感单元与指尖中心(5)传感单元间的中心距离la、传感单元直径da与最短弧长跨度sa按照满足如下公式进行布置：

2la+da<sa

b)对于指腹曲面区域(2)，采用mb×nb方形阵列排布，布置多个传感单元，相邻传感单元间的中心距离lb、传感单元的直径db与横向弧长跨度sb(7)、纵向直线跨度hb(8)应满足如下边界条件：

(nb-1)lb+db<sb

(mb-1)lb+db<hb

其中，mb表示指腹曲面区域方形触觉传感阵列的行数，nb表示指腹曲面区域方形触觉传感阵列的列数；

c)对于关节曲面区域(3)，采用mc×nc方形阵列排布，布置多个传感单元，相邻传感单元间的中心距离lc、传感单元的直径dc与横向弧长跨度sc、纵向直线跨度hc应满足如下边界条件：

(nc-1)lc+dc<sc

(mc-1)lc+dc<hc

其中，mc表示关节曲面区域方形触觉传感阵列的行数，nc表示关节曲面区域方形触觉传感阵列的列数；

d)对于指节曲面区域(4)，采用md×nd方形阵列排布，布置多个传感单元，相邻传感单元间的中心距离ld、传感单元的直径dd与横向弧长跨度sd、纵向直线跨度hd应满足如下边界条件：

(nd-1)ld+dd<sd

(md-1)ld+dd<hd

其中，md表示指节曲面区域方形触觉传感阵列的行数，nd表示指节曲面区域方形触觉传感阵列的列数。

本发明获取机器人手上每个手指的原始点云数据，并对原始点云数据进行数据预处理，包括去除手指体外孤点、减噪和采样等；对数据预处理后的点云数据进行分割，分割为多个点云区域，每个点云区域对应手指不同位置区域，根据分割后每个点云区域中点云数据的三维坐标值求出该点云区域对应手指曲面的平均曲率半径；根据平均曲率半径重建手指三维模型，并计算出每个点云区域对应曲面的弧长跨度，并且根据不同抓取动作下手指不同区域与物体接触概率的大小建立每个点云区域中相邻传感单元间的中心距离约束条件，再根据曲面的弧长跨度、传感单元的大小和相邻两个传感单元间的中心距离约束条件设计获得传感单元的个数和布置。

具体实施中，在满足以上条件下，指尖曲面区域外围圆周上传感单元个数p、指腹曲面区域的行、列数mb、nb，关节曲面区域的行、列数mc、nc，以及指节曲面区域的行、列数md、nd的值应尽可能大，以提高传感器的空间分辨率。

本发明具有的有益效果为：

本发明根据机器人手不同区域曲面的平均曲率半径提出了一种非均布式触觉传感阵列布置方法，该布置方法从机器人手的实际曲面结构出发，根据由实际机器人手获得的点云数据计算手指不同曲面区域的平均曲率半径，根据由平均曲率半径量化计算得到的弧长跨度建立触觉传感阵列布置的边界约束条件，从而确定在满足边界约束条件下触觉传感阵列的最佳布置方法。该方法解决了现有布置方法用平面和规则圆柱面来近似替代手指实际曲面造成的误差，使设计的触觉力传感阵列能够与机器人手更加紧密地贴合，从而大大减小了三维力、滑移等触觉信息采集的误差，并给出了在满足边界约束条件下量化计算传感单元个数的方法，从而最大限度地提高触觉传感阵列的空间分辨率。

附图说明

图1是本发明的设计流程图。

图2是本发明实施例根据平均曲率半径重建的食指的末端指节和中间指节的三维模型图。

图3是本发明的触觉传感阵列排布示意图。

图4(a)是现有机器人手上布置触觉传感阵列通常采用的布置方法布置成的结构示意图，图4(b)为用现有布置方法布置成的触觉传感阵列的平面展开图。

图中：1、指尖曲面区域，2、指腹曲面区域，3、关节曲面区域，4、指节曲面区域，5、指尖中心，6、指尖曲面区域某一方向的弧长跨度，7、指腹曲面区域横向弧长跨度，8、指腹曲面区域纵向直线跨度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明以touchbionics公司最新研制的i-limb机器人手为实施例设计触觉传感阵列的布置，但本发明的设计方法不局限于i-limb机器人手，对所有的机器人手均适用。

机器人手包括有多个手指，在手持的夹持面上布置有由多个传感单元构成的触觉传感阵列，本发明在夹持面的不同位置布置不同数量和不同排布形状的触觉传感阵列，即采用非均布式在夹持面上布置触觉传感阵列，传感单元为独立触觉传感器。

本发明的具体实施例及其实施过程如图1所示：

(1)先获取机器人手上每个手指的原始点云数据，并对原始点云数据进行数据预处理，包括去除手指体外孤点、减噪和采样等；

(2)对数据预处理后的点云数据进行分割，分割为多个点云区域，每个点云区域对应手指不同位置区域，根据分割后每个点云区域中点云数据的三维坐标值求出该点云区域对应手指曲面的平均曲率半径，具体方法为：

a)每根手指分为根部指节、末端指节和中间指节，提取手指中末端指节和中间指节的点云数据，根据机器人手实际曲面结构将末端指节和中间指节的点云数据共同组成的数据分割成四个点云区域，分别为指尖点云区域、指腹点云区域、关节点云区域和指节点云区域，分别对应为指尖曲面区域1、指腹曲面区域2、关节曲面区域3和指节曲面区域4；

b)分别对四个点云区域的点云数据进行采样，每个点云区域保留n个数据点，n为4的整数倍(具体可进行随机采样)，以减小计算平均曲率半径时的计算量并保证准确率；

c)分别计算每个点云区域的平均曲率半径：针对每个点云区域，对点云数据进行点阵化处理，使点云数据按照本身空间排列次序排序，按照顺序以每四个点取为一组作为相邻的四个点，计算出相邻的四个点构成的曲面的曲率半径值，计算公式如下：

(x′i-x4i-3)²+(y′i-y4i-3)²+(z′i-z4i-3)²＝ri²(1)

(x′i-x4i-2)²+(y′i-y4i-2)²+(z′i-z4i-2)²＝ri²(2)

(x′i-x4i-1)²+(y′i-y4i-1)²+(z′i-z4i-1)²＝ri²(3)

(x′i-x4i)²+(y′i-y4i)²+(z′i-z4i)²＝ri²(4)

式中，(x4i-3,y4i-3,z4i-3)、(x4i-2,y4i-2,z4i-2)、(x4i-1,y4i-1,z4i-1)、(x4i,y4i,z4i)为相邻的四个点的三维空间坐标值，(x′i，y′i，z′i)为相邻的四个点构成的曲面所对应的球心坐标值，ri为相邻的四个点构成的曲面的曲率半径，i＝1，2，3，…，n/4；

根据上述四个公式求出所有每相邻的四个点构成的曲面的曲率半径ri，再计算得到所有曲面的平均曲率半径

计算结果为：指尖曲面区域平均曲率半径指腹曲面区域平均曲率半径关节曲面区域平均曲率半径指节曲面区域平均曲率半径

(3)根据四个点云区域的平均曲率半径并结合手指的实际尺寸和结构重建如图2所示的手指三维模型，手指三维模型包括有指尖曲面区域1、指腹曲面区域2、关节曲面区域3和指节曲面区域4，在四个曲面区域上布置触觉传感器，具体方法为：

a)由指尖点云区域获得的平均曲率半径结合手指指尖的实际尺寸和结构重建获得指尖点云区域，由指腹点云区域获得的平均曲率半径结合手指指腹的实际尺寸和结构重建获得指腹点云区域，由关节点云区域获得的平均曲率半径结合手指关节的实际尺寸和结构重建获得关节点云区域，由指节点云区域获得的平均曲率半径结合手指指节的实际尺寸和结构重建获得指节点云区域。指尖部位的夹持面为指尖曲面区域1，指腹部位的夹持面为指腹曲面区域2，关节部位的夹持面为关节曲面区域3，指节部位的夹持面为指节曲面区域4。

b)对于指尖曲面区域1，曲面结构作为类穹顶结构，指尖中心5为穹顶的最高点，也是最易与物体接触的点，根据曲面各个方向上的实际弦长尺寸和平均曲率半径计算各个方向的弧长跨度6，实际弦长尺寸对手指实际测量获得，设各个方向弧长跨度的最小值作为最短弧长跨度sa；

其中，sa表示指尖曲面区域的最小弧长跨度，la表示指尖曲面区域最小弧长跨度对应的实际弦长尺寸，ra表示指尖曲面区域的平均曲率半径；

c)对于指腹曲面区域2、关节曲面区域3和指节曲面区域4，其曲面结构类似，根据曲面沿横向上的实际弦长尺寸和平均曲率半径分别计算指腹曲面区域横向弧长跨度sb、关节曲面区域横向弧长跨度sc和指节曲面区域横向弧长跨度sd，纵向跨度可看作直线，通过对手指实际测量获得，设指腹曲面区域纵向直线跨度为hb，关节曲面区域纵向直线跨度为hc，指节曲面区域纵向直线跨度为hd。

所述的横向是指垂直于手指中轴的方向。

实际弦长尺寸对手指实际测量获得，测量结果为：指尖曲面区域最小弧长跨度对应的弦长la＝7.3mm，指腹曲面区域横向弧长跨度对应的弦长lb＝10.6mm，关节曲面区域横向弧长跨度对应的弦长lc＝7.4mm，指节曲面区域横向弧长跨度ld＝7.0mm。

指腹、关节和指节曲面区域横向弧长跨度的计算方法与指尖曲面区域最小弧长跨度的计算方法相同，弧长计算结果为：指尖曲面区域最小弧长跨度sa＝7.5mm；指腹曲面区域横向弧长跨度sb＝14.7mm；关节曲面区域横向弧长跨度sc＝7.9mm；指节曲面区域横向弧长跨度sd＝7.4mm。

指腹、关节和指节曲面区域纵向直线跨度可对手指实际测量获得，指腹曲面区域纵向直线跨度hb＝8.1mm，关节曲面区域纵向直线跨度hc＝5.0mm，指节曲面区域纵向直线跨度hd＝8.5mm。

(4)依据不同抓取动作下手指与物体接触概率的大小来确定中心距离的大小。在实际抓取过程下，建立以下手指不同区域与物体接触概率的大小满足以下关系：指尖>指腹>指节>关节，接触概率越大的区域，相邻传感单元间的中心距离应越小，从而提高其空间分辨率。建立以下中心距离的约束关系：lc>ld>lb>la，其中la为指尖曲面区域中相邻传感单元间的中心距离，lb为指腹曲面区域中相邻传感单元间的中心距离，lc为关节曲面区域中相邻传感单元间的中心距离，ld指节曲面区域中相邻传感单元间的中心距离。设计la＝2.5mm，lb＝3mm，lc＝4mm，ld＝3.5mm，对应的不同区域传感单元的直径为：da＝2mm，db＝2.5mm，dc＝3.5mm，dd＝3mm。

(5)根据曲面的弧长以及传感单元的大小和相邻两个传感单元的中心距离来确定传感单元的个数和空间排布，具体方法为：

a)对于指尖曲面区域1，在指尖中心5布置一个传感单元，在以指尖中心为圆心的外围圆周上布置p个传感单元，在满足外围圆周上相邻传感单元间不发生干涉的条件下，p的值应尽可能大，本实施例中p取值为5，即在外围圆周上布置5个传感单元，则外围圆周上的传感单元与指尖中心5传感单元间的中心距离la、传感单元直径da与最短弧长跨度sa可以满足如下公式：

2la+da<sa(7)

b)对于指腹曲面区域2，采用mb×nb＝2×4的方形阵列，则相邻传感单元间的中心距离lb、传感单元的直径db与横向弧长跨度sb、纵向直线跨度hb可以满足如下边界条件且mb、nb取到最大值：

(nb-1)lb+db<sb(8)

(mb-1)lb+db<hb(9)

其中，mb表示指腹曲面区域方形触觉传感阵列的行数，nb表示指腹曲面区域方形触觉传感阵列的列数。

c)对于关节曲面区域3，采用mc×nc＝1×2的方形阵列，则相邻传感单元间的中心距离lc、传感单元的直径dc与横向弧长跨度sc、纵向直线跨度hc可以满足如下边界条件且mc、nc取到最大值：

(nc-1)lc+dc<sc(10)

(mc-1)lc+dc<hc(11)

其中，mc表示关节曲面区域方形触觉传感阵列的行数，nc表示关节曲面区域方形触觉传感阵列的列数。

d)对于指节曲面区域4，采用md×nd＝3×2的方形阵列，则相邻传感单元间的中心距离ld、传感单元的直径dd与横向弧长跨度sd、纵向直线跨度hd可以满足如下边界条件且md、nd取到最大值：

(nd-1)ld+dd<sd(12)

(md-1)ld+dd<hd(13)

其中，md表示指节曲面区域方形触觉传感阵列的行数，nd表示指节曲面区域方形触觉传感阵列的列数。

图3为触觉传感阵列的整体排布示意图，将传感阵列按平均曲率半径的不同排布在四个区域，共22个传感单元。

具体实施中，还采用现有方法进行实施比较参照本发明方法的实施结果。

现有机器人手上布置触觉传感阵列通常采用的布置方法布置成的结构示意如图4(a)所示。

现有方法把末端指节分成n个区域，每个区域均近似看作平面，从而得到如图4(b)所示的平面展开图，再分别考虑在n个平面区域上布置触觉传感单元。

现有方法存在以下缺点：

(1)用n个平面去代替末端指尖实际曲面结构，会产生很大的尺寸误差，制造出的触觉传感阵列无法与机器人手紧密贴合。而本发明从机器人手实际曲面结构出发，计算每个曲面区域的曲率半径和弧长跨度，大大减小了实际的尺寸误差，可使触觉传感阵列与机器人手更加紧密的贴合。

(2)无法给出明确的边界约束条件，只能定性地考虑在每个区域布置若干个传感单元。而本发明通过曲面的弧长跨度和相邻传感单元间的中心距离以及传感单元的排布个数，给出了明确的边界约束条件。

(3)不能合理地利用末端指节的表面区域，导致相邻传感单元间的中心距离较大，传感器的空间分辨率较低。而本发明由于给出了明确的边界约束条件，在满足边界条件下，可以更加密集地布置触觉传感单元，充分利用指节的表面区域，从而提高传感器的空间分辨率。

采用实施例布置方法和对比例布置方法在同一机器人手指指腹曲面区域进行触觉传感阵列布置试验，传感单元的大小均设为db＝2.5mm，与实施例传感单元大小保持一致，布置结果比较如下表所示：

横向弧长跨度比较：对比例将指腹曲面区域近似看作若干个平面来处理，会导致横向弧长跨度测量值小于实际值，本实验中按对比例布置方法得到的横向弧长跨度比按实施例布置方法得到的横向弧长跨度小约2.6mm，这不仅会限制对比例传感阵列布置的边界约束条件，还会导致对比例传感阵列无法与机器人手紧密贴合。

空间分辨率：按实施例布置方法布置得到的指腹曲面区域传感阵列空间分辨率为3mm，而按对比例布置方法得到的指腹曲面区域传感阵列空间分辨率为4mm，按实施例布置方法得到的传感阵列空间分辨率更高。

传感单元个数：按实施例布置方法指腹曲面区域最多可布置8个传感单元，按对比例布置方法指腹曲面区域最多仅可布置6个传感单元，按实施例布置方法可使布置的传感阵列更加紧凑。

由此可见，本发明布置方法与现有布置方法比较，在与机器人手指紧密贴合、提高触觉传感阵列空间分辨率以及使触觉传感阵列布置更加紧凑等方面均更有优势。

上述对本发明所涉及的机器人手曲面贴合装载的非均布式触觉传感阵列布置方法的具体实施方式进行了描述，但该发明并不限于以上描述。对于本领域的技术人员而言，任何对本技术方案的同等修改和替代都是在本发明范围之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所做的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。