[发明专利]一种具有力位传感的刚柔耦合机械手指及其感知方法

权利要求书

1.一种机械手指进行力位感知的方法，其特征在于，

所述机械手指包括指骨、柔性关节和拉绳，所述指骨通过所述拉绳串联，相邻的指骨之间通过柔性关节连接，该柔性关节上设置有应变传感器，拉绳拉动所述指骨运动，从而带动所述柔性关节运动，然后通过所述应变传感器测量该柔性关节的应变，以此获得机械手指的形变；

其中，所述柔性关节包括弹簧片、应变片和保护橡胶，所述弹簧片用于反映所述柔性关节的状态，所述应变片设置在所述弹簧片上，所述保护橡胶用于隔离所述应变片和弹簧片与外界直接接触，此外，所述弹簧片的两端设置有定位孔，用于固定所述柔性关节的位置；

所述力位感知的方法包括下列步骤：

(a)初始状态设定，初始状态是指拉绳未施加作用力及机械手指未受外力的状态

(a1)在弹簧片上建立坐标系，该坐标系中X轴沿弹簧片中心轴方向，中心O是弹簧片的端点,Z轴垂直于弹簧片所在平面，记录应变片位置和拉绳作用点到弹簧片的距离，同时，将所述初始状态下应变片的应变值作为应变初始值；

(a2)给机械手指拉绳添加拉力使其变形，并在指尖施加正接触力作为接触阻力，选取距离机械手指指尖最近的柔性关节作为处理对象，并将该柔性关节上的每个应变片对应的测量点编号；

(b)求解弹簧片的应变分布

(b1)将弹簧片作为等截面悬臂梁构建动力学方程，利用该弹簧片的边界条件求解该动力学方程，获得弹簧片的不同位移模态；

(b2)根据位移模态、曲率和应变之间的关系，利用步骤(b1)中获得的位移模态计算获得弹簧片上不同测量点的曲率和应变模态；

(b3)采集每个测量点的应变值，建立弹簧片总应变与每个测量点应变值的关系，然后根据最小二乘法获得每个测量点应变叠加系数，将该应变叠加系数作为应变模态叠加系数，将步骤(b2)获得的不同测量点的应变模态分别与其相应的模态叠加系数相乘后求和，由此获得弹簧片的应变分布；

(c)根据应变和曲率的关系，由步骤(b3)获得的应变分布计算得到弹簧片的曲率分布，对该曲率分布积分获得弹簧片的变形形状，即柔性关节的变形形状；

(d)在每个测量点处构建力矩平衡方程，分别求解所述平衡方程得到不同测量点的指尖接触力，将所述不同测量点的指尖接触力取平均值即为待求解的指尖正接触力，其中，通过利用步骤(c)获得的柔性关节变形形状，由几何关系获得每个测量点的力矩，同时，利用步骤(b2)获得的不同测量点的曲率，然后由曲率和力矩的关系分别获得不同测量点的力矩。

2.如权利要求1所述的机械手指进行力位感知的方法，其特征在于，在步骤(b1)中，所述动力学方程采用下列表达式，

其中，EI是关节弹簧片的刚度，z(x,t)是弹簧片上横坐标为x的点在t时刻的纵向位移，ρ是弹簧片的线密度，x是横坐标，t是时间。

3.如权利要求1或2所述的机械手指进行力位感知的方法，其特征在于，在步骤(b1)中，所述边界条件是弹簧片起始端固定，末端自由，即：

z(0)＝z'(0)＝z”(l)＝z”'(l)＝0

其中，z(0)是起始端纵向位移，z(l)是末端纵向位移，l是弹簧片的长度。

4.如权利要求1所述的机械手指进行力位感知的方法，其特征在于，在步骤(b2)中，所述应变模态按照下列表达式进行，

其中，ε(x)是关于横坐标为x的应变模态，κ(x)是横坐标为x的弯曲曲率，h是柔性关节基底厚度。

5.如权利要求1所述的机械手指进行力位感知的方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述弹簧片的变形形状采用下列表达式，

其中，θ(s)是关节弹簧片的转角，x(s)是弹簧片上点的横向坐标，z(s)是弹簧片上点的纵向坐标，θ₀、x₀、z₀分别是弹簧片初始角度、初始横向坐标、初始纵向坐标，s是弹簧片的长度。

6.如权利要求1所述的机械手指进行力位感知的方法，其特征在于，在步骤(d)中，所述力矩方程采用下列表达式，

其中，i是测量点的编号，F_di是在测量点i处的拉绳作用力，d_2i是在测量点i处的拉绳作用力的力臂长度，F_Ni是在测量点i处的指尖接触力，d_1i是在测量点i处的手指作用力的力臂长度。