[发明专利]一种基于触觉传感器的机械手

说明书

技术领域

本发明涉及人机交互技术领域，具体涉及一种基于触觉传感器的机械手。

背景技术

触觉是自然界多数生物从外界环境获取信息的重要形式之一，广义的触觉是指接触、压迫、滑动、温度、湿度等的综合，而狭义的触觉则单指接触面上的力觉，其严谨的概念包括接触觉、压觉和滑觉。触觉对于虚拟现实技术中临场感程度和交互性具有十分重要的现实意义。触觉传感器是用于机器人中模仿触觉功能的传感器。其研究始于上世纪七十年代，在四十多年的发展历程中，国内外的科研人员在传感器工作机理的研究、敏感材料的开发、传感器的结构设计、触觉图像的处理等多方面都做了大量的工作，并取得了巨大的成就。触觉传感器按功能可分为接触觉传感器、力—力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器等。

近年来，虚拟现实技术和机器人技术的飞速发展，作为一种重要的人机接口方式。在虚拟现实技术中，触觉是用户和设计人员与虚拟环境中的物体交互、感知虚拟物体表面特性的最重要手段之一；在机器人领域，通过触觉传感器感知接触物的形状、表面粗糙度、抖动、抓取目标物时的夹持力、滑移和表面温度等信息。这些技术的发展均需要大量的触觉拾取和记录装置。

研究人员使用力敏感膜、单晶硅、多品硅、导电橡胶和光纤等材料设计出了压阻式、压电式、电容式、光电式、机械式、超声式、热电式和磁致弹性式等多种触觉传感器

到目前为止，国内外对触觉的研究都主要集中在力触觉上，不断优化的力触觉算法在柔性、纹理触觉复现装置上的应用，使得这些装置能够较好地再现虚拟场景物体的柔性、纹理力触觉特性，而多种触觉感知的获取和相关数据记录方法的研究仍比较少。

所以有必要设计一种能够获取物体的多维触觉（包括接触觉、压觉、滑觉）的机械装置，并设计一种数据文件格式，以保存此机械装置在接触过程中所获取的触觉数据，方便将来触觉再现的实现。

典型的阵列传感器产品，如美国的Tekscan公司推出的压力分布测试系统，广泛应用于多领域的压力分布测试与分析。国内如中国科学院合肥智能机械研究所研制的人工皮肤，采用基于导电橡胶的柔性材料制作了三维柔性触觉传感器阵列。此外，国内外其他相关的研究如基于电容、PVDF、光波导等技术研制的机器人三维力触觉传感器阵列等等，也已经取得了一定的成果。

此类触觉传感器阵列采用柔性敏感材料制作而成，可以弯曲成各种非平面形状，适用于非平面的触觉信息的测量，在如机器人柔性敏感手指、机器人腕部受力信息的测量、以及内窥镜检查等各种领域内得到广泛的应用。

由于工艺、生产流程的原因，基于各种柔性材料制作的触觉传感器阵列，阵列各不同部分由于生产流程、制作工艺、制作技术的非同一性，同一个传感器阵列的不同部分的特性也会出现非均一性。尤其当柔性触觉传感器被应用在非平面形状的场合，其测量的误差更大。上述这些弊端使得传感器测量的数据和实际受力之间存在误差，这些都将最终会影响整个检测系统的准确性和精确性，给曲面大规模三维触觉传感器阵列的广泛应用带来极大的困难。

由于上述的触觉传感器阵列设计制作过程中存在的问题，对触觉传感器阵列的广泛应用带来的不利，因此需要对传感器进行标定。但是目前尚很少有对曲面的触觉传感器阵列的标定平台，对这种大规模柔性触觉传感器阵列的三维标定装置则更加少见。因此目前迫切需要一种能对曲面触觉传感器阵列进行三维标定的装置。并且为了更加准确、方便、快速的标定，这种标定装置系应具有高度的智能化和自动化。

发明内容

本发明提供了一种基于触觉传感器的机械手，集成触觉传感器阵列的机械手，以实现对现实物体的触觉感知，并提供一种数据存储方案，以永久保持所接触物体的相关接触觉，压觉，滑觉等触觉的信息，方便后续的触觉再现和物体分析。

相应的，本发明实施例提供了一种基于触觉传感器的机械手，包括：机械手，传感器阵列，传感器数据收集器与传感器数据处理单元。

所述机械手用于模拟人类手掌的形态，提供伸直，弯曲，抓取的基本功能，以实现对实际物体的接触，挤压，抓握的动作。

所述传感器阵列以机械手掌的中心为原点，建立一个三维的笛卡尔坐标系，从而对机械手的三维空间进行定标，并在机械手的表面集成触觉传感器，形成一个触觉传感器阵列，可以精确的对机械手的三维空间进行触觉感知。

所述传感器数据接收器用于接收传感器阵列接触物体所感知的传感器数据，其中包括，接触觉、压觉、滑觉信息，及其对应的空间坐标点位置。

所述传感器数据接收器采取每隔100ms的时间对传感器阵列采样一次的方式，将这些信息快速转换成二进制数据发送给传感器数据处理器。