CN109176572B - 一种用于机器人指尖的滑动检测探头及工作方法 - Google Patents

一种用于机器人指尖的滑动检测探头及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于机器人指尖的滑动检测探头及工作方法，包括由柔性材质制成的探头本体，所述探头本体的一侧端面用于与机器人手指固定连接的固定端面，固定端面的另一侧为滑动端面，用于与待抓取物体表面产生相对滑动，所述探头本体内部固定有伸出至探头本体外部的光纤光栅，所述探头本体包括接触区及敏感区，所述光纤光栅的光栅栅区位于敏感区内，所述接触区所在的滑动端面位置处设有凸起结构，本发明的滑动检测探头结构简单，制作方便，可有效检测滑动信息，并且抗电磁干扰能力强。

Description

一种用于机器人指尖的滑动检测探头及工作方法
技术领域
本发明涉及机器人智能感知技术领域，具体涉及一种用于机器人指尖的滑动检测探头及工作方法。
背景技术
智能机器人中机械手自主抓取与对物体的任意操纵一直是一个难题。抓取过程中的对物体的滑动信息、粗糙度信息进行检测是实现这个功能的关键。因此需要在机器人手指上安装滑动检测传感器。滑动检测传感器要求体积小、高灵敏度、高响应速度并且应减少布线复杂程度。
清华-伯克利深圳学院筹备办公室发明了一种可同时测量压力与滑动的滑觉传感器。采用柔性上下凸台内嵌电极与压阻薄膜的方式，利用摩擦起电与压阻效应，实现压力与滑动的同时测量。但是本身调理电路复杂，且易受外界干扰。合肥工业大学也设计了一种电容式触滑觉传感器装置，利用滑动造成的电容变化进行滑动检测，该传感器结构较为复杂，且电容传感器容易受到电磁干扰影响。日本电气通信大学的Seiichi Teshigawara研究了一种基于压力导电橡胶的滑动传感装置，具有较好的柔性和精度，但是难以区分切向力和法向力的影响。
为了使传感器柔性度更好，结构简单，同时灵敏度与精度高，免疫电磁干扰的影响，需要对传感器结构及传感原理进行改进。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于机器人指尖的滑动检测探头，该探头结构简单，易于制作，使用光纤光栅作为传感元件，提高了精度并抗电磁干扰，布线简单，结合信息处理算法，可对抓取过程中物体的滑动以及粗糙度进行检测，对实现机械手触滑觉感知功能具有重要意义。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于机器人指尖的滑动检测探头，包括由柔性材质制成的探头本体，所述探头本体的一侧端面用于与机器人手指固定连接的固定端面，固定端面的另一侧为滑动端面，用于与待抓取物体表面产生相对滑动，所述探头本体内部固定有伸出至探头本体外部的光纤光栅，所述探头本体包括接触区及敏感区，所述光纤光栅的光栅栅区位于敏感区内，所述接触区所在的滑动端面位置处设有凸起结构。
进一步的，所述光纤光栅的轴线与固定端面和滑动端面相平行，且光纤光栅轴线方向沿探头本体与待抓取物体表面相对滑动的方向布置。
进一步的，所述探头本体由柔性硅胶材质制成。
进一步的，所述凸起结构用于与待抓取物体接触的表面为凹凸面。
进一步的，所述凹凸面的凸起部分采用凸起的梯形或弧形。
进一步的，所述探头本体采用3D打印相应模具然后硅胶灌注方法成型得到。
本发明还公开了一种用于机器人指尖的滑动检测探头的工作方法：将光纤光栅与解调仪连接，探头本体通过固定端面粘贴到机器人手指表面，将探头本体与待抓取物体表面接触，其中凸起结构与待抓取物体接触，敏感区对应的滑动端面与待抓取物体表面不接触，机器人指尖带动探头本体与待抓取物体表面产生相对滑动，柔性材质制成的探头本体产生切向应变，切向应变由接触区传递至敏感区，敏感区内光纤光栅的光栅栅区检测到切向应变，并通过解调仪对波长信号进行解调，得到滑动信息。
本发明的有益效果：
1.本发明的滑动检测探头，结构及布线简单，制作方便，使用光纤光栅作为传感元件，提高了精度并抗电磁干扰。
2.本发明的滑动检测探头，滑动端面具有凸起结构，相对滑动时，只有接触区的滑动端面与待抓取物体接触，敏感区的滑动端面不接触，使得正压力的改变对光栅信号的影响减小，提高了检测精度。
3.本发明的滑动检测探头，凸起结构的表面为凹凸面，增大了摩擦力，从而提高了灵敏度。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明有限元仿真示意图；
其中，1.固定端面，2.滑动端面，3.光纤光栅，3-1.光栅栅区，4.接触区，5.敏感区，6.凸起结构，7.凹凸面。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有的机器人手指用滑动检测探头结构复杂而且容易受到电磁干扰，针对上述问题，本申请提出了一种用于机器人指尖的滑动检测探头。
本申请的一种典型实施方式中，如图1所示，一种用于机器人指尖的滑动检测探头，包括由柔性硅胶制成的探头本体，所述探头本体采用长方体结构，其上端面用于与机器人手指固定，为固定端面1，固定端面对侧的端面用于与待抓取物体产生相对滑动，为滑动端面2，所述探头本体内固定有两端伸出至探头本体外部的光纤光栅3(FBG)，所述光纤光栅的轴线与固定端面和滑动端面相平行，且光纤光栅的轴线方向与探头本体与待抓取物体表面的相对滑动的方向相同，本实施例中，光纤光栅的轴线垂直于探头本体上沿相对滑动方向所在的两侧端面，所述探头本体分为接触区4和敏感区5，所述光纤光栅的光栅栅区3-1位于敏感区内部，所述接触区所在位置的滑动端面上设有凸起结构6，所述凸起结构的端面为凹凸面7，所述凹凸面的凸起形状可采用凸起的梯形或弧形。
整个探头本体加工时，采用3D打印的方法加工出相应的模具，然后利用硅胶灌注成型得到，加工方便且加工效率高。
本发明的用于机器人指尖的滑动检测探头，使用时，探头本体体积较小，可直接通过固定端面将探头本体粘贴在机器人手指上，光纤光栅的光纤部分与解调仪连接，滑动端面的凸起结构与待抓取物体的表面相接触，机器人手带动滑动端面的凸起结构沿待抓取物体表面相对滑动，探头本体产生切向应变，产生的切向应变由接触区传递到敏感区，敏感区内的光栅栅区可检测到此切向应变，并通过解调仪对波长信号进行解调，得到滑动信息。
本发明的滑动检测探头，滑动端面具有凸起结构，相对滑动时，只有接触区的滑动端面与待抓取物体接触，敏感区的滑动端面不接触，使得正压力的改变对光栅信号的影响减小，提高了检测精度。
本发明的滑动检测探头，凸起结构的表面为凹凸面，增大了摩擦力，从而提高了灵敏度。
本发明的滑动检测探头有限元仿真图如图2所示，通过图2可以看出，接触区的沿X方向的切向应变可以有效传递到敏感区，因此本发明的滑动检测探头可以有效通过切向变形来检测手指与待抓取物体相对滑动的发生。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种用于机器人指尖的滑动检测探头，其特征在于，包括由柔性材质制成的探头本体，所述探头本体的一侧端面用于与机器人手指固定连接的固定端面，固定端面的另一侧为滑动端面，用于与待抓取物体表面产生相对滑动，所述探头本体内部固定有伸出至探头本体外部的光纤光栅，所述探头本体包括接触区及敏感区，所述光纤光栅的光栅栅区位于敏感区内，所述接触区所在的滑动端面位置处设有凸起结构；
所述凸起结构用于与待抓取物体接触的表面为凹凸面。
2.如权利要求1所述的一种用于机器人指尖的滑动检测探头，其特征在于，所述光纤光栅的轴线与固定端面和滑动端面相平行，且光纤光栅轴线方向沿探头本体与待抓取物体表面相对滑动的方向布置。
3.如权利要求1所述的一种用于机器人指尖的滑动检测探头，其特征在于，所述探头本体由柔性硅胶材质制成。
4.如权利要求1所述的一种用于机器人指尖的滑动检测探头，其特征在于，所述凹凸面的凸起部分采用凸起的梯形或弧形。
5.如权利要求1所述的一种用于机器人指尖的滑动检测探头，其特征在于，所述探头本体采用3D打印相应模具然后硅胶灌注方法成型得到。
6.一种权利要求1-5任一项所述的用于机器人指尖的滑动检测探头的工作方法，其特征在于：将光纤光栅与解调仪连接，探头本体通过固定端面粘贴到机器人手指表面，将探头本体与待抓取物体表面接触，其中凸起结构与待抓取物体接触，敏感区对应的滑动端面与待抓取物体表面不接触，机器人指尖带动探头本体与待抓取物体表面产生相对滑动，柔性材质制成的探头本体产生切向应变，切向应变由接触区传递至敏感区，敏感区内光纤光栅的光栅栅区检测到切向应变，并通过解调仪对波长信号进行解调，得到滑动信息。
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