CN114770490B - 基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂，包括跨模态触觉传感器、软体气动手指、方形固定板、三角形支撑板和气泡驱动器。本发明具有安全的人机交互性与无限自由度，提高了机械臂的运动能力；同时搭载具有跨膜态触觉感知的软体气动手指，不仅能实现自适应抓取，同时可利用跨膜态触觉传感器，实现多功能感知，感知软体机械手是否接触物体；感知软体气动手指是否成功抓取物体，且在执行抓取物品及搬运过程中，对物体抓取的稳定性进行实时监测；可感知抓取过程中的接触力，并可精确控制输出的抓取力，从而实现对物体的安全抓取。

Description

基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂

技术领域

本发明涉及机械臂与机器手技术领域，具体涉及基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂。

背景技术

与传统刚性机器人相比，软体机器人具有柔性、自适应性、人机交互安全性和生物兼容性，在农牧、食品和医疗等行业中具有广阔的应用前景，易碎易伤物品的(例如水果，蔬菜及生物组织)的抓取要求软体夹持器及操作臂能自适应抓取并实现自动化搬运操作；同时多指手作为人手的替代工具，需要表现出足够的柔性和具备触觉感知功能，以适应非结构化的复杂接触环境。

对于机械臂驱动器，传统机械臂由于刚性材料的限制，导致其自由度较少，而增加自由度需要增加相应的传感器，从而增加了***的复杂程度，在人机交互的过程中存在较大的安全隐患；对于末端执行器，软体手与刚性机械手最大的区别就是本体材料是柔性的，由于软材料比刚性材料具有更加复杂丰富的响应特性，这不仅带来功能上的灵活性和顺应性，在软体手的设计和控制方法上也具有了更多可能。作为软体机器人领域的一个分支，软体手正在迅速发展，凭借良好的的主被动适应性、安全性以及复杂环境适应性等性能优势，必将在生产生活的诸多领域发挥重要的应用价值，在软体触觉传感方面，现有的触觉传感技术的应用和商用化明显滞后，所取得的研究成果大多停留在实验室阶段，与视觉传感技术相比这种不足更明显，到现在国内外市场上基本上没有出现耐用、可靠、具有通用性的软体触觉传感器，为此现在提出基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂。

发明内容

本发明的目的是提供基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂，以解决技术中的上述不足之处。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂，包括方形亚克力固定板、三角形亚克力支撑板和气泡驱动器，所述气泡驱动器设置在三角形亚克力支撑板相互之间，气泡驱动器相互之间均设置有弹簧，且弹簧的两端与三角形亚克力支撑板相互靠近的一侧固定连接，最顶部所述三角形亚克力支撑板的侧壁与方形亚克力固定板的表面固定连接，最底部所述三角形亚克力支撑板的底部表面通过螺钉固定安装有三个软体气动手指，且软体气动手指的顶部均设置有气动手指进气口，软体气动手指相互靠近的一侧均设置有软体薄膜，软体薄膜相互靠近的一侧均设置有多个等距离排列的软体薄膜内部柱状突起物，且软体薄膜相互远离的一侧均设置有摄像头模块。

作为本发明一种优选的方案，所述气泡驱动器的顶部和底部分别设置有气泡驱动器出气口和气泡驱动器进气口。

作为本发明一种优选的方案，所述三条气泡驱动器绕中心等距分布在三角形亚克力支撑板的三个顶点的位置，且气泡驱动器的气压调节不能过高，否则会使气泡驱动器失效。

作为本发明一种优选的方案，所述三条弹簧分布在三角形亚克力支撑板边线中心的位置，起到支撑作用。

作为本发明一种优选的方案，所述三个软体气动手指绕中心等距分布在最底部所述三角形亚克力支撑板的底部三个顶点的位置。

作为本发明一种优选的方案，所述摄像头模块连接机械臂的控制***，软体气动手指上端的气动手指进气口连接气压调节装置，气压调节装置控制气压大小从而避免破坏被抓物体。

作为本发明一种优选的方案，所述摄像头模块集成了照明装置，在无外部光源的情况下也能够捕捉图像。

作为本发明一种优选的方案，所述摄像头模块还包括有线缆、安装架、摄像头、灯珠、亚克力片、透明凝胶和白色圆形标记物，线缆安装再安装架远离软体薄膜的一侧，摄像头安装在安装架的内腔中，且亚克力片、灯珠和透明凝胶均设置在安装架的内腔中，亚克力片位于灯珠和透明凝胶之间，白色圆形标记物设置在软体薄膜内部柱状突起物远离软体薄膜的一端上。

作为本发明一种优选的方案，还包括有如下的使用流程：

由三条气泡驱动器绕中心等距分布在三角形亚克力支撑板的三个顶点的位置，起到驱动作用，气泡驱动器采用PE塑料膜作为主体材料，利用通孔后的三角形亚克力支撑板将PE塑料膜分成很多个可伸缩的小气泡，三条弹簧分布在三角形亚克力支撑板边线中心的位置，起到支撑作用，通过对单条气泡驱动器进行充放气可实现轴向的伸缩，而多条气泡驱动器组成的驱动***则可通过提供不同的进气速率使其弯曲一定的角度，从而实现机械臂无限自由度的弯曲运动；

其次是搭载了跨膜态触觉传感器***、摄像头模块和软体薄膜内部柱状突起物)的软体气动手指部分：三个软体气动手指绕中心等距分布，软体气动手指指尖搭载跨膜态触觉传感器***、软体薄膜内部柱状突起物，指尖背面安装了采集光学信号的摄像头模块)，摄像头模块连接机械臂的控制***，软体气动手指通过气动手指进气口连接气压调节装置，气压调节装置控制气压大小从而避免破坏被抓物体，软体薄膜利用摄像头模块采集其中软体薄膜内部柱状突起物的变形图像，通过触觉模态到视觉模态的变换，感知软体气动手指是否接触物体，同时可感知是否成功抓取物体与物体的掉落与否，在了解物体的质地后，能够根据触觉传感器本身形变量的多少来判断抓取力的大小，从而调节输入软体气动手指的气压实现不同的抓取力度；

有关跨膜态触觉传感器***的补充：摄像头模块本身集成了照明装置，在无外部光源的情况下也能够捕捉图像，软体薄膜的侧面设有数个柱状突起，摄像头模块与控制***连接，在抓取物体时，软体气动手指指尖上的软体薄膜受到挤压，导致软体薄膜发生形变带动其内部的柱状突起发生位移，此时摄像头模块拍摄到软体薄膜内部柱状突起物突起发生位移后的图像，随后将该图像传输给控制***，控制***利用图像处理的方法可获取接触力的大小以及物体的几何信息。

在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

1、首先，对于驱动部分，气泡驱动器的主要材料采用PE塑料膜，相较于传统的刚性机械臂的制作材料，其具有低成本、重量轻等优点。气泡驱动器制作方法简单，利用带有通孔的亚克力板，形成“气泡形状”，并创建一系列可收缩单元，经实验分析，其最大收缩量可达43.1％，最大应力可达894MPa，相当于气泡驱动器可提升1000倍于自身重量(5.39g)的负载；其次，末端执行器为搭载跨模态触觉传感器的软体气动手指，该触觉传感器成本低廉、简单制造和易于组装，利用了3D打印技术进行制造，具有触觉超分辨率，填补了目前在廉价、兼容、可定制触觉传感器领域的空白，该末端执行器整体具有自适应性，降低了抓取易碎易伤物品过程中的损坏率。

2、本发明具有安全的人机交互性与无限自由度，提高了机械臂的运动能力；同时搭载具有跨膜态触觉感知(通过软体形变视觉图像信息对触觉信息表征的软体触觉感知方法)的软体气动手指，不仅能实现自适应抓取，同时可利用跨膜态触觉传感器，实现对物体的感知，且具备以下感知功能：感知软体机械手是否接触物体；感知软体气动手指是否成功抓取物体，且抓取物品进行放置的过程中，对物体抓取的稳定性进行实时监测；可获取物体的质地信息，结合先验知识给出软体夹持器既能稳定抓取但又不至于对易碎物品造成破坏的抓取力，并根据抓取过程中的接触力感知结果，精确控制输出的抓取力，从而实现对物体的安全抓取。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提出的基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂立体结构示意图；

图2为本发明提出的基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂侧视结构示意图；

图3为本发明提出的基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂中跨膜态触觉传感器***结构示意图；

图4为本发明提出的基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂的软体气动手指结构示意图；

图5为本发明提出的基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂的软体气动手指平面结构示意图；

图6为本发明提出的基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂的软体薄膜内部柱状突起物结构示意图；

图7为本发明提出的基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂的跨膜态触觉传感器具体结构示意图；

图8为本发明提出的基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂的图7中A部分局部放大示意图；

图9为本发明提出的基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂的跨膜态触觉传感器工作演示示意图；

图10为本发明提出的基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂的工作流程示意图。

附图标记说明：

1、方形亚克力固定板；2、三角形亚克力支撑板；3、气泡驱动器；4、弹簧；5、软体气动手指；6、软体薄膜；7、摄像头模块；8、气泡驱动器进气口；9、气泡驱动器出气口；10、气动手指进气口；11、软体薄膜内部柱状突起物；12、线缆；13、安装架；14、摄像头；15、灯珠；16、亚克力片；17、透明凝胶；18、白色圆形标记物。

具体实施方式

为了对本发明的技术方案和实现方式做出更清楚地解释和说明，以下介绍实现本发明技术方案的几个优选的具体实施例。

下文的描述本质上仅是示例性的而并非意图限制本公开、应用及用途。应当理解，在所有这些附图中，相同或相似的附图标记指示相同的或相似的零件及特征。各个附图仅示意性地表示了本公开的实施方式的构思和原理，并不一定示出了本公开各个实施方式的具体尺寸及其比例。在特定的附图中的特定部分可能采用夸张的方式来图示本公开的实施方式的相关细节或结构，本文所引用的各种出版物、专利和公开的专利说明书，其公开内容通过引用整体并入本文，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本说明书的描述中，需要理解的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。

实施例一

参照说明书附图1至附图10，基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂，气泡驱动器3设置在三角形亚克力支撑板2相互之间，，三条气泡驱动器3绕中心等距分布在三角形亚克力支撑板2的三个顶点的位置，气泡驱动器3相互之间均设置有弹簧4，且弹簧4的两端与三角形亚克力支撑板2相互靠近的一侧固定连接，三条弹簧4分布在三角形亚克力支撑板2边线中心的位置，起到支撑作用，最顶部三角形亚克力支撑板2的侧壁与方形亚克力固定板1的表面固定连接，最底部三角形亚克力支撑板2的底部表面通过螺钉固定安装有三个软体气动手指5，且软体气动手指5的顶部均设置有气动手指进气口10，软体气动手指5相互靠近的一侧均设置有软体薄膜6，软体薄膜6相互靠近的一侧均设置有多个等距离排列的软体薄膜内部柱状突起物11，且软体薄膜6相互远离的一侧均设置有摄像头模块7，摄像头模块7集成了照明装置，在无外部光源的情况下也能够捕捉图像，气泡驱动器3的顶部和底部分别设置有气泡驱动器出气口9和气泡驱动器进气口8，且气泡驱动器3的气压调节不能过高，否则会使气泡驱动器3失效，三个软体气动手指5绕中心等距分布在最底部三角形亚克力支撑板2的底部三个顶点的位置，摄像头模块7连接机械臂的控制***，软体气动手指5上端的气动手指进气口10连接气压调节装置，气压调节装置控制气压大小从而避免破坏被抓物体。

实施例二

基于实施例一，参照说明书附图1至附图10，基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂，气泡驱动器3采用PE塑料膜作为主体材料，利用通孔后的三角形亚克力支撑板2将PE塑料膜分成很多个可伸缩的小气泡，三条弹簧4分布在三角形亚克力支撑板2边线中心的位置，起到支撑作用，通过对单条气泡驱动器3进行充放气可实现轴向的伸缩，而多条气泡驱动器3组成的驱动***则可通过提供不同的进气速率使其弯曲一定的角度，从而实现机械臂无限自由度的弯曲运动；

软体薄膜6利用摄像头模块7采集其中软体薄膜内部柱状突起物11的变形图像，通过触觉模态到视觉模态的变换，感知软体气动手指5是否接触物体，同时可感知是否成功抓取物体与物体的掉落与否，在了解物体的质地后，能够根据触觉传感器本身形变量的多少来判断抓取力的大小，从而调节输入软体气动手指的气压实现不同的抓取力度；

摄像头模块7与控制***连接，在抓取物体时，软体气动手指指尖上的软体薄膜6受到挤压，导致软体薄膜6发生形变带动其内部的柱状突起发生位移，此时摄像头模块7拍摄到软体薄膜内部柱状突起物11突起发生位移后的图像，随后将该图像传输给控制***，控制***利用图像处理的方法可获取接触力的大小以及物体的几何信息。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (5)

1.基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂，包括方形亚克力固定板(1)、三角形亚克力支撑板(2)和气泡驱动器(3)，其特征在于：所述气泡驱动器(3)设置在三角形亚克力支撑板(2)相互之间，所述气泡驱动器(3)有三条，三条气泡驱动器(3)绕中心等距分布在三角形亚克力支撑板(2)的三个顶点的位置，且气泡驱动器(3)的气压调节不能过高，否则会使气泡驱动器(3)失效，气泡驱动器(3)相互之间均设置有弹簧(4)；

所述弹簧(4)有三条，三条弹簧(4)分布在三角形亚克力支撑板(2)边线中心的位置，起到支撑作用，且弹簧(4)的两端与三角形亚克力支撑板(2)相互靠近的一侧固定连接，最顶部所述三角形亚克力支撑板(2)的侧壁与方形亚克力固定板(1)的表面固定连接，最底部所述三角形亚克力支撑板(2)的底部表面通过螺钉固定安装有三个软体气动手指(5)，且软体气动手指(5)的顶部均设置有气动手指进气口(10)，软体气动手指(5)相互靠近的一侧均设置有跨膜态触觉传感器；

所述跨膜态触觉传感器包括摄像头模块(7)、柱状突起物(11)、白色圆形标记物(18)和软体薄膜(6)，所述摄像头模块(7)还包括有线缆(12)、安装架(13)、摄像头(14)、灯珠(15)、亚克力片(16)和透明凝胶(17)，线缆(12)安装在安装架(13)远离软体薄膜(6)的一侧，摄像头(14)安装在安装架(13)的内腔中，且亚克力片(16)、灯珠(15)和透明凝胶(17)均设置在安装架(13)的内腔中，亚克力片(16)位于灯珠(15)和透明凝胶(17)之间，白色圆形标记物(18)设置在软体薄膜内部柱状突起物(11)远离软体薄膜(6)的一端上。

2.根据权利要求1所述的基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂，其特征在于：所述气泡驱动器(3)的顶部和底部分别设置有气泡驱动器出气口(9)和气泡驱动器进气口(8)。

3.根据权利要求1所述的基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂，其特征在于：所述三个软体气动手指(5)绕中心等距分布在最底部所述三角形亚克力支撑板(2)的底部三个顶点的位置。

4.根据权利要求1所述的基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂，其特征在于：所述摄像头模块(7)连接机械臂的控制***，软体气动手指(5)上端的气动手指进气口(10)连接气压调节装置，气压调节装置控制气压大小从而避免破坏被抓物体。

5.根据权利要求1所述的基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂，其特征在于：所述三条气泡驱动器(3)绕中心等距分布在三角形亚克力支撑板(2)的三个顶点的位置，起到驱动作用，气泡驱动器(3)采用PE塑料膜作为主体材料，利用通孔后的三角形亚克力支撑板(2)将PE塑料膜分成很多个可伸缩的小气泡，三条弹簧(4)分布在三角形亚克力支撑板(2)边线中心的位置，起到支撑作用，通过对单条气泡驱动器(3)进行充放气可实现轴向的伸缩，而多条气泡驱动器(3)组成的驱动***则可通过提供不同的进气速率使其弯曲一定的角度，从而实现机械臂无限自由度的弯曲运动；

其次是搭载了跨膜态触觉传感器***，三个软体气动手指(5)绕中心等距分布，软体气动手指指尖搭载跨膜态触觉传感器***，软体气动手指(5)通过气动手指进气口(10)连接气压调节装置，气压调节装置控制气压大小从而避免破坏被抓物体，软体薄膜(6)利用摄像头模块(7)采集其中软体薄膜内部柱状突起物(11)的变形图像，通过触觉模态到视觉模态的变换，感知软体气动手指(5)是否接触物体，同时可感知是否成功抓取物体与物体的掉落与否，在了解物体的质地后，能够根据触觉传感器本身形变量的多少来判断抓取力的大小，从而调节输入软体气动手指的气压实现不同的抓取力度；

摄像头模块(7)本身集成了照明装置，在无外部光源的情况下也能够捕捉图像，软体薄膜(6)的侧面设有数个柱状突起物(11)，摄像头模块(7)与控制***连接，在抓取物体时，软体气动手指指尖上的软体薄膜(6)受到挤压，导致软体薄膜(6)发生形变带动其内部的柱状突起物(11)发生位移，此时摄像头模块(7)拍摄到软体薄膜内部柱状突起物(11)突起发生位移后的图像，随后将该图像传输给控制***，控制***利用图像处理的方法可获取接触力的大小以及物体的几何信息。

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