本發(fā)明屬于仿生靈巧手驅(qū)動(dòng)與感知。
背景技術(shù)：
1、人類靈巧的雙手在日常生活中可以輕松完成各種復(fù)雜的操作，受人手啟發(fā)，越來(lái)越多的仿生靈巧手被開發(fā)出來(lái)。目前，仿生靈巧手一般主要由“手指關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)”、“手掌結(jié)構(gòu)”、“手指與手掌連接結(jié)構(gòu)”和“仿生肌腱”等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其中通過(guò)關(guān)節(jié)連接裝置將關(guān)節(jié)之間進(jìn)行連接，主要有鉸鏈連接、柔性連接等方式，讓關(guān)節(jié)具有彎曲運(yùn)動(dòng)的自由度。仿生靈巧手手指的驅(qū)動(dòng)通常模仿生物肌腱驅(qū)動(dòng)，用高強(qiáng)度纖維繩索來(lái)充當(dāng)肌腱，繩索一端與不同關(guān)節(jié)連接，另一端與馬達(dá)連接，通過(guò)控制馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)仿生手指的驅(qū)動(dòng)。為了讓機(jī)械手執(zhí)行復(fù)雜的類人操作，實(shí)時(shí)的力反饋傳感信息至關(guān)重要，可用于感知接觸界面的力大小和分布、識(shí)別被操作目標(biāo)的物理特性、并輔助感知外界環(huán)境。為此，一些先進(jìn)的仿生靈巧手在指尖集成了觸覺(jué)傳感器，用以提供力反饋，這是是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)感知一體化得一種常規(guī)思路，可大幅提高機(jī)械手的智能性和靈巧性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了提高機(jī)械手的智能性和靈巧性，本發(fā)明提出一種與常規(guī)思路不同的新的力感知方式，即一種具有力感知能力的驅(qū)動(dòng)繩索及指尖力感知方法，該具有力感知能力的驅(qū)動(dòng)繩索上集成了應(yīng)力傳感器、在實(shí)現(xiàn)對(duì)手指驅(qū)動(dòng)的同時(shí)可實(shí)時(shí)感知繩索內(nèi)部的應(yīng)變，并經(jīng)由繩索內(nèi)部的應(yīng)變計(jì)算得出指尖壓力。從而實(shí)現(xiàn)感知驅(qū)動(dòng)一體化，與傳統(tǒng)采用觸覺(jué)傳感器的方式相比，本發(fā)明相比傳統(tǒng)方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案具體如下：
2、一種具有力感知能力的驅(qū)動(dòng)繩索，具有力感知能力的驅(qū)動(dòng)繩索由拉伸應(yīng)變傳感器100和驅(qū)動(dòng)繩索101組成，所述拉伸應(yīng)變傳感器100由外側(cè)的封裝層102和內(nèi)部的基體層103與導(dǎo)電層104組成；
3、其中，基體層103材料選用柔韌性和回彈性好的材料；導(dǎo)電層104由導(dǎo)電材料制成，所述導(dǎo)電材料選自石墨、碳納米管、石墨烯、銅納米線或銀納米線；封裝層102材料選自聚氨酯海綿、硅膠或環(huán)氧樹脂，封裝層將基體層103和導(dǎo)電層104包裹在內(nèi)；
4、拉伸應(yīng)變傳感器100布置在驅(qū)動(dòng)繩索101表面，并采用具有柔性特性的膠水將前段粘接為一體用于布置在機(jī)械手01中，拉伸應(yīng)變傳感器100和驅(qū)動(dòng)繩索101在后段分開，分開后的驅(qū)動(dòng)繩索101用于連接電機(jī)03，拉伸應(yīng)變傳感器100用于連接到控制系統(tǒng)04。
5、優(yōu)選的，驅(qū)動(dòng)繩索101選用具有高強(qiáng)度的材料。
6、所述的具有力感知能力的驅(qū)動(dòng)繩索的制備方法，該方法步驟如下：
7、一、制備拉伸應(yīng)變傳感器100：
8、1）采用激光切割工藝切割出中間帶有凹槽的封裝層102；
9、2）將基體層103放置于封裝層102一側(cè)表面；再將導(dǎo)電材料溶解于分散劑內(nèi)，攪拌均勻后得到粘性導(dǎo)電材料墨水，采用3d打印法將粘性導(dǎo)電材料墨水通過(guò)沉積噴嘴直接嵌入基體層103中，烘干后在基體層103表面形成一層導(dǎo)電層104；
10、3）放置另一側(cè)的封裝層102；將封裝層102加溫固化去除封裝層102兩側(cè)的縫隙；
11、二、將拉伸應(yīng)變傳感器100布置在驅(qū)動(dòng)繩索101表面，并采用具有柔性特性的膠水將前段粘接為一體，獲得所述的具有力感知能力的驅(qū)動(dòng)繩索。
12、本發(fā)明還提供了一種具有力感知能力的機(jī)械手系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括機(jī)械手01、驅(qū)動(dòng)感知一體繩索02、電機(jī)03和控制系統(tǒng)04；其中驅(qū)動(dòng)感知一體繩索02即所述具有力感知能力的驅(qū)動(dòng)繩索；
13、其中，機(jī)械手01作為主要執(zhí)行元件，用于夾持或握緊物體；所述驅(qū)動(dòng)感知一體繩索02布置在預(yù)先設(shè)置的機(jī)械手01的手指表面和凹槽中，驅(qū)動(dòng)感知一體繩索02在機(jī)械手01外部分開，分開后的驅(qū)動(dòng)繩索101連接電機(jī)03的輸出端，用于將電機(jī)03的動(dòng)力傳遞到機(jī)械手01的關(guān)節(jié)上以驅(qū)動(dòng)機(jī)械手01運(yùn)動(dòng)；拉伸應(yīng)變傳感器100連接到控制系統(tǒng)04，對(duì)驅(qū)動(dòng)繩索101的拉伸應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量到的信號(hào)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)04，獲取機(jī)械手指的握緊力。
14、優(yōu)選的，機(jī)械手01由多個(gè)手指運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和手掌機(jī)構(gòu)組成，每個(gè)手指運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由首端關(guān)節(jié)301、中間關(guān)節(jié)302、末端關(guān)節(jié)303和關(guān)節(jié)與手掌連接件7組成；所述關(guān)節(jié)與手掌連接件7由兩個(gè)連接圓柱孔和外側(cè)的手掌連接部組成；
15、首端關(guān)節(jié)301在下部設(shè)有第一圓柱形通孔3011，所述第一圓柱形通孔3011用于與中間關(guān)節(jié)302上部的第二圓柱形通孔3020進(jìn)行鉸接，以此來(lái)保證首端關(guān)節(jié)301和中間關(guān)節(jié)302在相鄰處有旋轉(zhuǎn)的自由度；中間關(guān)節(jié)302的下部設(shè)有第三圓柱形通孔3021與末端關(guān)節(jié)303的上部的第四圓柱形通孔3030相連接，末端關(guān)節(jié)303下部的第五圓柱形通孔3031與關(guān)節(jié)與手掌連接件7的連接圓柱孔相連接；各關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)的連接處設(shè)有斜向的切割面，以防止機(jī)械手手指在彎曲時(shí)產(chǎn)生干涉。
16、優(yōu)選的，首端關(guān)節(jié)301在上部設(shè)有頂端凹槽3010，驅(qū)動(dòng)感知一體繩索02均勻、連續(xù)地布置在頂端凹槽3010和手指內(nèi)側(cè)的平面上，所述頂端凹槽3010用于對(duì)驅(qū)動(dòng)感知一體繩索02進(jìn)行限位；首端關(guān)節(jié)301在中心處設(shè)置有第一凹槽3012，中間關(guān)節(jié)302在中心處設(shè)置有第二凹槽3022，末端關(guān)節(jié)303在中心處設(shè)置有第三凹槽3032，第一凹槽3012、第二凹槽3022和第三凹槽3032用于對(duì)驅(qū)動(dòng)感知一體繩索02進(jìn)行限位和過(guò)度。
17、優(yōu)選的，第一凹槽3012、第二凹槽3022和第三凹槽3032深度大于驅(qū)動(dòng)感知一體繩索02的厚度。
18、優(yōu)選的，首端關(guān)節(jié)301、中間關(guān)節(jié)302、末端關(guān)節(jié)303為橢圓柱狀，且內(nèi)側(cè)曲面曲率小于外側(cè)曲面。
19、本發(fā)明的有益效果：
20、1、本發(fā)明中的驅(qū)動(dòng)感知一體繩索區(qū)別于傳統(tǒng)柔性驅(qū)動(dòng)繩索，是將驅(qū)動(dòng)繩索與力傳感器集成在一起，在驅(qū)動(dòng)繩索拉伸時(shí)，拉伸傳感器隨驅(qū)動(dòng)繩索一起拉伸，并將拉伸應(yīng)變通過(guò)電信號(hào)的形式傳給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過(guò)拉伸應(yīng)變來(lái)計(jì)算驅(qū)動(dòng)繩索的拉力；由驅(qū)動(dòng)感知一體繩索將拉力傳遞到機(jī)械手的手指上，機(jī)械手手指上的力再傳遞到物體上，因此可以通過(guò)拉伸的應(yīng)變來(lái)感知手指與外界接觸界面的壓力大小，通過(guò)數(shù)據(jù)來(lái)判斷機(jī)械手指所需要的力的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)馬達(dá)的輸出扭矩，來(lái)精確的控制機(jī)械手指，實(shí)現(xiàn)仿生肌腱的“傳感驅(qū)動(dòng)一體化”方式。此外驅(qū)動(dòng)感知一體繩索對(duì)整個(gè)系統(tǒng)影響小，不需要增加其他多余結(jié)構(gòu)。
21、2、本發(fā)明中的手指結(jié)構(gòu)形狀為橢圓柱狀，手指結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)曲面稍平，曲率較小，旨在增加機(jī)械手指握緊物體后的接觸面積，從而增加握緊力。其中每個(gè)關(guān)節(jié)內(nèi)測(cè)的連接處存在斜向的切割面，目的是保證機(jī)械手指在彎曲時(shí)，相鄰手指關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)夾角變小，連接處避空，不會(huì)產(chǎn)生干涉，保證機(jī)械手指可以正常彎曲。手指表面中心處設(shè)置有凹槽，凹槽處通過(guò)驅(qū)動(dòng)感知一體化的驅(qū)動(dòng)繩索，凹槽可以限制繩索運(yùn)動(dòng)的位置，驅(qū)動(dòng)感知繩索只可在凹槽內(nèi)部滑動(dòng)，保證了驅(qū)動(dòng)感知繩索的位置一直處于中心處，保證了控制精度。手指關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)末端設(shè)置有圓柱形通孔，目的是與下一個(gè)關(guān)節(jié)的末端通過(guò)鉸接的方式進(jìn)行連接，保證了手指可以準(zhǔn)確的彎曲運(yùn)動(dòng)。
1.一種具有力感知能力的驅(qū)動(dòng)繩索，其特征在于，具有力感知能力的機(jī)械手驅(qū)動(dòng)繩索由拉伸應(yīng)變傳感器（100）和驅(qū)動(dòng)繩索（101）組成，所述拉伸應(yīng)變傳感器（100）由外側(cè)的封裝層（102）和內(nèi)部的基體層（103）與導(dǎo)電層（104）組成；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有力感知能力的驅(qū)動(dòng)繩索，其特征在于，驅(qū)動(dòng)繩索（101）選用具有高強(qiáng)度的材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有力感知能力的驅(qū)動(dòng)繩索的制備方法，其特征在于，該方法步驟如下：
4.一種具有力感知能力的機(jī)械手系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括機(jī)械手（01）、驅(qū)動(dòng)感知一體繩索（02）、電機(jī)（03）和控制系統(tǒng)（04）；其中驅(qū)動(dòng)感知一體繩索（02）即權(quán)利要求1所述具有力感知能力的驅(qū)動(dòng)繩索；
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有力感知能力的機(jī)械手系統(tǒng)，其特征在于，機(jī)械手（01）由多個(gè)手指運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和手掌機(jī)構(gòu)組成，每個(gè)手指運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由首端關(guān)節(jié)（301）、中間關(guān)節(jié)（302）、末端關(guān)節(jié)（303）和關(guān)節(jié)與手掌連接件（7）組成；所述關(guān)節(jié)與手掌連接件（7）由兩個(gè)連接圓柱孔和外側(cè)的手掌連接部組成；
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有力感知能力的機(jī)械手系統(tǒng)，其特征在于，首端關(guān)節(jié)（301）在上部設(shè)有頂端凹槽（3010），驅(qū)動(dòng)感知一體繩索（02）均勻、連續(xù)地布置在頂端凹槽（3010）和手指內(nèi)側(cè)的平面上，所述頂端凹槽（3010）用于對(duì)驅(qū)動(dòng)感知一體繩索（02）進(jìn)行限位；首端關(guān)節(jié)（301）在中心處設(shè)置有第一凹槽（3012），中間關(guān)節(jié)（302）在中心處設(shè)置有第二凹槽（3022），末端關(guān)節(jié)（303）在中心處設(shè)置有第三凹槽（3032），第一凹槽（3012）、第二凹槽（3022）和第三凹槽（3032）用于對(duì)驅(qū)動(dòng)感知一體繩索（02）進(jìn)行限位和過(guò)度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有力感知能力的機(jī)械手系統(tǒng)，其特征在于，第一凹槽（3012）、第二凹槽（3022）和第三凹槽（3032）深度大于驅(qū)動(dòng)感知一體繩索（02）的厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有力感知能力的機(jī)械手系統(tǒng)，其特征在于，首端關(guān)節(jié)（301）、中間關(guān)節(jié)（302）、末端關(guān)節(jié)（303）為橢圓柱狀，且內(nèi)側(cè)曲面曲率小于外側(cè)曲面。