[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

说明书

本发明属于机器人智能感知领域，并公开了一种具有力位传感的刚柔耦合机械手指及其感知方法。该机械手指包括指骨、柔性关节和拉绳，拉绳将指骨串联，柔性关节介于指骨之间，柔性关节中设置有应变片。本发明还公开了机械手指力位感知的方法，该方法包括：(a)初始条件的设定；(b)通过弹簧片的动力学方程求解弹簧片的应变分布；(c)利用应变分布求解手指的变形形状；(d)利用力矩平衡方程获得机械手指指尖的正接触力。通过本发明，机械手指制作简单，功能集成程度高，可靠性高，成本低，实现形状传感、触觉传感和力传感的功能。

技术领域

本发明属于机器人智能感知领域，更具体地，涉及一种具有力位传感的刚柔耦合机械手指及其感知方法。

背景技术

随着自动化程度和生活质量的不断提高，越来越多的机械手被应用于工业和军事的生产活动以及人类的生活服务中。机械手的需求不断增大，但是传统的刚性机械手却有着结构复杂、控制困难、自适应差等缺点，往往只能应用于特定的工况和环境。因此，与之相对的，柔性机构已经在精密制造、仿生机器人和医疗康复领域得到了广泛的应用，柔性机械手的研究和应用正在持续发热。柔性机械手具有重量轻、制作简单、高自适应性的特点，不需要特殊保护就能在恶劣环境中工作。但是由于柔性材料具有自由度高等特点，以及对柔性结构研究的不足，所以目前柔性机械手具有传感困难的特点，很难对柔性机械手进行精确的感知和控制。

现有技术中已经提出一些通过控制或柔性材料实现抓取柔顺性的机械手。CN106903682公开了一种末端轨迹可控的模块化欠驱动手指，包括动力驱动部分和关节部分，通过锁紧机构、缆绳和回弹机构，提供对关节额外的约束，实现指尖的轨迹控制。然而，该机械手指的关节仍然是刚性铰接关节，不具备柔性关节先天的柔顺性的特点，且结构复杂，制作相对困难。此外，一些研究团队设计的柔性机械手，用一体成型制作，具有较好的柔顺性，但是未能准确建立柔性机械手的模型，不能很方便地得到柔性手指的形状信息和受力信息，因此未能很好地应用在仿人机械手上。

综上所述，由于柔性机械手传感和建模困难，导致现有柔性机械手的应用受到了一定的限制。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有力位传感的刚柔耦合机械手指及其感知方法，通过机械手指结构的设置，以及对其力位感知方法的设计，由此解决柔性机械手传感和建模困难的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具有力位传感的刚柔耦合机械手指，该机械手指包括指骨、柔性关节和拉绳，其特征在于，

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。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种利用上述所述的机械手指进行力位感知的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(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