本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，提出了一種新型的觸滑覺傳感網(wǎng)，具體涉及觸滑覺傳感網(wǎng)在仿人五指靈巧手抓取階段的應(yīng)用，優(yōu)化了靈巧手的抓取與后抓取兩階段作業(yè)。

背景技術(shù)：

目前，仿人靈巧手的研究開發(fā)已經(jīng)成為機(jī)器人尖端領(lǐng)域的重要課題。自20世紀(jì)80年代起，各國學(xué)者研制了各種類型的仿人靈巧手，希望在結(jié)構(gòu)和功能上模仿人手，擴(kuò)展工業(yè)機(jī)械手的功能。仿人靈巧手和傳統(tǒng)機(jī)械手相比確實(shí)具有更多的優(yōu)勢，可以解決一些復(fù)雜的問題。但同時(shí)，仿人手的抓取規(guī)劃和控制相當(dāng)復(fù)雜，大多數(shù)仿人手的抓取規(guī)劃都停留在抓取單一的物體上面，如何更好的適應(yīng)抓取不同的物體成為研究仿人手的熱點(diǎn)問題。目前，大多數(shù)抓取規(guī)劃都僅考慮手指指尖與目標(biāo)物體接觸的情況，沒有充分利用仿人手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，造成了抓取成功率低等問題。通過使用六維力/力矩傳感器和局部滑覺傳感器，對待抓取物體進(jìn)行柔順抓取控制，不過由于使用上述傳感器會出現(xiàn)計(jì)算量大等問題，對處理器性能要求較高。因此，如何在抓取及后抓取階段實(shí)現(xiàn)更持續(xù)、穩(wěn)定的抓握，成為一大亟待解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明內(nèi)容設(shè)計(jì)了一種用于五指靈巧手自適應(yīng)抓取的觸滑覺傳感網(wǎng)，充分利用了仿人靈巧手結(jié)構(gòu)上的包絡(luò)特點(diǎn)，通過在靈巧手各指節(jié)內(nèi)側(cè)表面安置壓力傳感器以及各關(guān)節(jié)安置角度傳感器組成了傳感網(wǎng)絡(luò)。該傳感網(wǎng)主要為靈巧手的抓取任務(wù)提供了兩個(gè)新型功能，一方面能夠用做指節(jié)事件驅(qū)動(dòng)控制中的事件檢測器，基于指節(jié)事件驅(qū)動(dòng)和柔順控制對靈巧手的所有指節(jié)進(jìn)行聯(lián)合控制，以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體更穩(wěn)定、準(zhǔn)確的抓握。另一方面，觸滑覺傳感網(wǎng)能夠同時(shí)檢測靈巧手對目標(biāo)物體的三維作用力以及靈巧手與物體之間的滑移信號，基于連桿機(jī)構(gòu)學(xué)、通過實(shí)時(shí)標(biāo)定外界合力和比較靈巧手對物體的作用合力計(jì)算得到手掌中物體的滑移方向，從而及時(shí)作出反應(yīng)動(dòng)作，防止后抓取階段的物體脫落，保證該階段穩(wěn)定、持續(xù)的抓握。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，我們基于仿人五指靈巧手的運(yùn)動(dòng)特性與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了用于五指靈巧手自適應(yīng)抓取的觸滑覺傳感網(wǎng)，為靈巧手的抓取和后抓取階段提供了兩種新型功能和方法。

觸滑覺傳感網(wǎng)主要由靈巧手各指節(jié)內(nèi)側(cè)表面上的壓力傳感器和各關(guān)節(jié)處的角度傳感器組成，壓力傳感器用于測量指節(jié)對物體的作用力，角度傳感器用于測量關(guān)節(jié)當(dāng)前相對于初始狀態(tài)的角度。

在基于指節(jié)事件驅(qū)動(dòng)和柔順控制的抓取規(guī)劃中，在各手指指尖進(jìn)行基于位置的阻抗控制的同時(shí)，觸滑覺傳感網(wǎng)作為指節(jié)事件驅(qū)動(dòng)控制中的事件檢測器，當(dāng)一指節(jié)處壓力達(dá)到期望值時(shí)，該指節(jié)及其下指節(jié)均停止運(yùn)動(dòng)，其上指節(jié)降為低自由度連桿繼續(xù)進(jìn)行柔順控制。通過觸滑覺傳感網(wǎng)對所有指節(jié)進(jìn)行聯(lián)合控制，增加了靈巧手與抓取目標(biāo)的接觸面積，解決了傳統(tǒng)抓取方法只考慮指尖與物體接觸造成的抓取成功率低等問題，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體更穩(wěn)定、準(zhǔn)確的抓握。

在五指靈巧手抓取和后抓取階段，在腕部正交關(guān)節(jié)處設(shè)置原點(diǎn)并建立空間坐標(biāo)系，通過觸滑覺傳感網(wǎng)檢測各指節(jié)對抓握物體的作用力，基于連桿機(jī)構(gòu)學(xué)、根據(jù)各關(guān)節(jié)之間的長度及各關(guān)節(jié)的角度確定各指節(jié)在空間坐標(biāo)系中的位姿，計(jì)算穩(wěn)定狀態(tài)下靈巧手對物體的作用合力從而得到其他外界作用合力。當(dāng)物體發(fā)生滑落時(shí)，靈巧手對物體的作用合力發(fā)生變化，將其與穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)得到的其他外界作用合力相比較，計(jì)算出物體的滑落方向即觸滑覺傳感網(wǎng)的滑移信號，從而在相關(guān)方向及時(shí)作出反應(yīng)動(dòng)作，防止物體從靈巧手中脫落，保證靈巧手對物體穩(wěn)定、持續(xù)的抓握。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)充分利用了靈巧手結(jié)構(gòu)上的包絡(luò)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了觸滑覺傳感網(wǎng)；

(2)對所有指節(jié)聯(lián)合控制，增加了靈巧手與抓取目標(biāo)的接觸面積，使抓握更穩(wěn)定準(zhǔn)確；

(3)通過直接比較靈巧手對物體的作用合力與其他外界作用合力來確定物體相對于靈巧手的滑移信號。

附圖說明

附圖1為單手指的觸滑覺傳感網(wǎng)局部示意圖；

附圖2為大拇指的觸滑覺傳感網(wǎng)局部示意圖；

附圖3為觸滑覺傳感網(wǎng)整體布局示意圖；

附圖4為指節(jié)事件驅(qū)動(dòng)控制過程示意圖；

附圖5為傳感網(wǎng)整體布局簡化示意圖及標(biāo)定外界合力的過程示意圖；

附圖6為傳感網(wǎng)整體布局簡化示意圖及計(jì)算滑移信號的過程示意圖。

具體實(shí)施方式

附圖1為單手指的觸滑覺傳感網(wǎng)局部示意圖。觸滑覺傳感網(wǎng)的壓力傳感器(1)分別位于靈巧手分手指指尖(2)、指節(jié)(3)、指基(4)的內(nèi)側(cè)表面上。

附圖2為大拇指的觸滑覺傳感網(wǎng)局部示意圖。觸滑覺傳感網(wǎng)的壓力傳感器(1)分別位于靈巧手大拇指指尖(5)、指節(jié)(6)的內(nèi)側(cè)表面上，(7)、(8)分別為大拇指指基和手掌。

附圖3為觸滑覺傳感網(wǎng)整體布局示意圖。靈巧手各指節(jié)內(nèi)側(cè)表面安置壓力傳感器(1)組成了觸滑覺傳感網(wǎng)。

附圖4為指節(jié)事件驅(qū)動(dòng)控制過程示意圖。在指尖進(jìn)行基于位置的阻抗控制的同時(shí)，當(dāng)指基壓力達(dá)到期望值時(shí)，指基停止運(yùn)動(dòng)，手指降為二自由度連桿繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。同樣，當(dāng)指節(jié)壓力達(dá)到期望值時(shí)，指節(jié)、指基均停止運(yùn)動(dòng)，手指降為一自由度連桿即只有指尖繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。

附圖5為傳感網(wǎng)整體布局簡化示意圖及標(biāo)定外界合力的過程示意圖。通過觸滑覺傳感網(wǎng)(圖中黑色三角形為壓力傳感器)檢測到與目標(biāo)物體接觸的各指節(jié)上的作用力f1-14，基于連桿機(jī)構(gòu)學(xué)、根據(jù)各關(guān)節(jié)之間的長度及各關(guān)節(jié)的角度確定各指節(jié)在空間坐標(biāo)系中的位姿，計(jì)算靈巧手對物體的作用合力fa。在抓握穩(wěn)定狀態(tài)下，標(biāo)定得到其他外界作用合力fb＝fa。

附圖6為傳感網(wǎng)整體布局簡化示意圖及計(jì)算滑移信號的過程示意圖。通過觸滑覺傳感網(wǎng)(圖中黑色三角形為壓力傳感器)檢測到與目標(biāo)物體接觸的各指節(jié)上的作用力f1-14，基于連桿機(jī)構(gòu)學(xué)、根據(jù)各關(guān)節(jié)之間的長度及各關(guān)節(jié)的角度確定各指節(jié)在空間坐標(biāo)系中的位姿，計(jì)算靈巧手對物體的作用合力fa。當(dāng)抓取物體發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，靈巧手對物體的作用合力fa發(fā)生變化，通過比較fa與抓握穩(wěn)定時(shí)標(biāo)定得到的其他外界作用合力fb，得到fa與fb的合力fc，從而得到物體的滑移方向，使靈巧手在相關(guān)方向做出反應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對物體持續(xù)穩(wěn)定的抓握。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明內(nèi)容設(shè)計(jì)了一種用于五指靈巧手自適應(yīng)抓取的觸滑覺傳感網(wǎng)，充分利用了仿人靈巧手結(jié)構(gòu)上的包絡(luò)特點(diǎn)，通過在靈巧手各指節(jié)內(nèi)側(cè)表面安置壓力傳感器以及各關(guān)節(jié)安置角度傳感器組成了傳感網(wǎng)絡(luò)。該傳感網(wǎng)為靈巧手的抓取任務(wù)提供了兩個(gè)新型功能，一方面能夠用做指節(jié)控制中的事件檢測器，基于事件驅(qū)動(dòng)和柔順控制對所有指節(jié)進(jìn)行聯(lián)合控制，以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體穩(wěn)定、準(zhǔn)確的抓握。另一方面，觸滑覺傳感網(wǎng)能夠同時(shí)檢測靈巧手對目標(biāo)物體的三維作用力以及靈巧手與物體之間的滑移信號，基于連桿機(jī)構(gòu)學(xué)、通過實(shí)時(shí)標(biāo)定外界合力和比較靈巧手對物體的作用合力計(jì)算物體的滑移方向，從而及時(shí)作出反應(yīng)動(dòng)作，防止后抓取階段的物體脫落，保證該階段穩(wěn)定、持續(xù)的抓握。

技術(shù)研發(fā)人員：羅慶生;盧奕昂;韓連強(qiáng);孫堯;張道統(tǒng);王鑫;王宇飛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.06.16
技術(shù)公布日：2017.09.08