CN107378942B - 软体机械臂及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种软体机械臂及其使用方法。所述软体机械臂包含设置在软体臂体的凹槽中的霍尔传感器和永磁体，在软体臂体弯曲时检测软体臂体的姿态。

Description

软体机械臂及其使用方法

技术领域

本发明涉及软体机器人技术领域，具体涉及一种软体机械臂及其使用方法。

背景技术

与传统机器人结构由刚性连杆和关节组成不同，软体机器人由于身体采用柔性材料例如硅胶、PDMS、橡胶等制成，其身体很容易产生变形，这赋予了软体机器人高度的灵活性以及与人接触的时候安全性，因此软体机器人可以应用于例如与人互动的家庭服务机器人、穿越复杂或者狭窄环境的移动机器人等大量场合。然而，正是由于其身体的柔软性，软体机器人的身体理论上具有无限多个自由度，给软体机器人的位形控制带来了很大困难。已有的软体机器人一般采用外部视觉确定机器人的位姿，进行反馈控制，然而外部视觉在狭窄空间使用受限，另外视觉方式的时间成本以及硬件成本也相对较高。因此，软体机器人的位姿的精确传感对软体机器人的应用非常重要的。

对于精确测定软体机器人位姿以用于准确控制软体机器人的装置，仍存在着需要。

发明内容

为达到以上目的，本发明的一个方面提供了一种软体机械臂，其包括：

软体臂体，所述软体臂体的外表面上具有一个或多个垂直于所述软体臂体长度方向的凹槽，所述凹槽具有垂直于所述软体臂体长度方向的两个槽壁，所述一个或多个凹槽分为一个或多个沿所述软体臂体长度方向排列的组；

一个或多个霍尔传感器，所述霍尔传感器嵌入所述软体臂体中，并且暴露至凹槽的一个槽壁；

与所述一个或多个霍尔传感器一一配对的一个或多个永磁体，所述永磁体嵌入所述软体臂体中，并且暴露至对应的霍尔传感器所在凹槽的相对的槽壁；

一个或多个在软体臂体长度方向上贯穿所述软体臂体的致动器，所述致动器中的每一个与所述一个或多个凹槽不相交，所述致动器可以带动所述软体臂体弯曲。

优选地，所述软体机械臂还包括控制器，所述控制器根据由所述霍尔传感器检测的霍尔电势的反馈控制所述致动器的运动。

优选地，所述致动器中的每一个与一组凹槽处于相对于所述软体臂体的轴线基本上相反的径向方向上。

优选地，所述软体机械臂包含仅一个霍尔传感器。

优选地，所述软体机械臂包含多个霍尔传感器，所述多个霍尔传感器位于在同一软体臂体长度上的不同组的凹槽中。

优选地，所述软体机械臂包含多个霍尔传感器，所述多个霍尔传感器位于在不同软体臂体长度上的不同组的凹槽中。

优选地，所述凹槽分成三个沿所述软体臂体长度方向排列的、围绕所述软体臂体的轴线均匀分布的组，并且所述软体机械臂包含三个霍尔传感器，所述三个霍尔传感器位于处于同一软体臂体长度上的三个凹槽中。

优选地，所述致动器是形状记忆合金弹簧。

优选地，所述软体机械臂还包括在软体臂体长度方向上贯穿所述软体臂体的柔性中心柱，所述柔性中心柱的刚性大于所述软体臂体的刚性。

优选地，所述永磁体刚性连接到所述柔性中心柱。

优选地，所述霍尔传感器刚性连接到所述柔性中心柱。

优选地，所述柔性中心柱具有中空通道，并且所述霍尔传感器的输入线和输出线通过所述通道连接到所述软体机械臂外部。

本发明的另一个方面提供了一种控制根据权利要求1所述的软体机械臂的方法，其特征在于，所述方法包括：

利用所述致动器带动所述软体臂体弯曲；

利用所述凹槽处的所述霍尔传感器和所述永磁体检测霍尔电势；

利用所述霍尔电势计算所述软体臂体的姿态；

根据算得的姿态控制所述致动器。

通过将霍尔传感器嵌入软体机械臂中，实现了机械臂的位姿的精确反馈。该方案结构简单，成本低，耐用性强，可以此为基础实现多个机械臂串联和并联方式的精确控制。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施方案的软体机械臂的结构示意图；

图2为根据本发明的一个实施方案的软体机械臂的弯曲状态示意图；

图3为根据本发明的一个实施方案的霍尔传感器和永磁体在弯曲状态的放大图。

具体实施方式

本发明的目的在于通过使用霍尔传感器，获取软体机器臂的位姿。进而实现软体机械臂的运动控制。设计结构简单、低廉成本，反馈精度高，实现了对软体机械臂的实时、有效控制。

本发明提供的软体机械臂包括：

软体臂体，所述软体臂体的外表面上具有一个或多个垂直于所述软体臂体长度方向的凹槽，所述凹槽具有垂直于所述软体臂体长度方向的两个槽壁，所述一个或多个凹槽分为一个或多个沿所述软体臂体长度方向排列的组；

一个或多个霍尔传感器，所述霍尔传感器嵌入所述软体臂体中，并且暴露至凹槽的一个槽壁；

与所述一个或多个霍尔传感器一一配对的一个或多个永磁体，所述永磁体嵌入所述软体臂体中，并且暴露至对应的霍尔传感器所在凹槽的相对的槽壁；

一个或多个在软体臂体长度方向上贯穿所述软体臂体的致动器，所述致动器中的每一个与所述一个或多个凹槽不相交，并且与一组凹槽处于相对于所述软体臂体的轴线基本上相反的径向方向上，所述致动器可以带动所述软体臂体弯曲。

软体臂体由柔性材料制成，其可以为硅胶、橡胶、PDMS、水凝胶等不同的柔性材料。

虽然对软体臂体的具体形状没有特别的要求，但一般地，软体臂体是长形的，并且具有明显的长度方向。例如，软体臂体可以为圆柱体，圆锥体，多棱柱体等形状。该软体臂体的主要动作方式是在其长度方向所在的平面内弯曲。

垂直于软体臂体长度方向的凹槽的作用是使得软体臂体易于弯曲，并且为霍尔传感器提供较大的位移。所述凹槽具有两个垂直于软体臂体长度方向的槽壁。当软体臂体弯曲时，同一凹槽的两个槽壁之间的距离会发生变化。软体臂体上可以有一个或多个凹槽，并且凹槽可以分为一个或多个组(列)，每组凹槽沿软体臂体长度方向排列。在最简单的情况下，软体机械臂可以仅有一个凹槽。在每一组中，凹槽之间的间隔可以是相同的或不同的。各组凹槽可以围绕软体机械臂的中央均匀环绕，也可以不均匀环绕。也就是说，凹槽的组数(列数)以及每列所开凹槽的数目可变。优选各组凹槽围绕所述软体臂体的轴线均匀分布。凹槽的厚薄，也就是上述两个槽壁之间的距离根据磁钢所提供的磁场强度随距离的变化以及霍尔传感器可以感受的磁场强度决定，根据机械臂的尺寸以及选用霍尔传感器以及永磁体的大小有所不同。例如，在后述的实施例中，凹槽可以为2mm。

软体臂体的中心可以安装一个刚度较大的柔性中心柱作为中心。柔性中心柱的材料可以是弹簧、硅胶、橡胶、PDMS等材料。柔性中心柱为软体臂体和霍尔传感器提供支架。其沿长度方向贯穿软体臂体，但不必须位于软体臂体的正中心。其提供额外的优势，包括提高软体机械臂的强度、可用于固定霍尔传感器或永磁体、以及提供线路通道。其同样可以为圆柱体，圆锥体，多棱柱体等形状。

作为霍尔传感器，典型地使用线性霍尔传感器。当软体机械臂弯曲弯曲时，凹槽的槽壁间距发生变化，引起霍尔传感器与永磁体之间相对位置的变化。霍尔传感器暴露至凹槽的一个槽壁，和与之配对的永磁体相对。

永磁体可以是钕铁硼，铝镍钴等合金永磁材料，铁氧体永磁材料等。

霍尔传感器和永磁体均暴露至凹槽的槽壁，优选基本上与凹槽的槽壁平齐。

致动器安置在各组凹槽之间，在软体臂体长度方向上贯穿所述软体臂体的致动器。一般地，致动器通过本身的伸缩变形，来带动软体臂体发射弯曲。致动器与凹槽不相交，以避免影响凹槽的变形。

致动器优选安装在与一组凹槽处于相对于所述软体臂体的轴线相反的径向方向上。也就是说，致动器的轴向，软体臂体的轴向(在有柔性中心柱的情况下一般也是柔性中心柱的中轴)和一组凹槽沿软体臂体长度方向的取向基本上处于一个平面上。或者说，致动器与一组凹槽基本上相对于中心轴从角度上说是轴对称的，但距离轴的距离可以不同。这样，当致动器伸长或缩短时，与其对应的位于软体臂体的轴线相反一侧的一组凹槽的存在使得软体臂体能够弯曲，并导致该组凹槽的槽壁之间的相对位置的变化。致动器这样的布置使得机械臂的弯曲容易预期并易于建模计算。

当上述软体机械臂弯曲时，位于凹槽槽壁上的配对的霍尔传感器与永磁体的相对位置发生变化，导致霍尔传感器输出的霍尔电势发生变化。软体机械臂可以还包括控制器，所述控制器根据由所述霍尔传感器检测的霍尔电势的反馈控制所述致动器的运动。

具体地，软体机械臂的弯曲会导致其臂体壁面上的凹槽高度相应变化，该变化会导致在凹槽上下表面安装的霍尔传感器和磁钢之间的距离变化，该距离变化会被霍尔传感器以模拟电压信号输出，通过数据采集及处理即可得到某高度上各个凹槽的高度变化，从而推算出软体机械臂当前的弯曲方向和弯曲程度。根据当前的弯曲方向和程度，以及目标的弯曲方向和程度，通过PID控制对相对应的形状记忆合金弹簧加热，可以进一步实现软体机械臂的形状控制和运动轨迹控制。

软体机械臂可以仅包含一个霍尔传感器。在机械臂仅发生单方向简单弯曲的情况下，一个霍尔传感器及配对的永磁体即可确定机械臂的姿态。

软体机械臂也可以包含多个霍尔传感器，并根据不同的需求安置。其中，可布置多对霍尔传感器及永磁体在不同的高度上，以测量柔性机械臂在长度方向上的不均匀变形，或者进行变形的曲率不一致情况下的测量。多个霍尔传感器可以位于任何合适的凹槽中。它们可以位于沿软体臂体长度方向的同一列凹槽内。它们可以位于在同一软体臂体长度上的不同组(或列)的凹槽中，即围绕软体臂体的轴线分布。优选地，其围绕轴线均匀分布，使得几何关系较为简单。多个霍尔传感器位于在不同软体臂体长度上的不同组的凹槽中，从而实现弯曲的曲率不一致时的测量。一种情况是机械臂可在任意方向上弯曲但是整条臂以相同曲率弯曲，此时，优选地，所述凹槽分成三个沿所述软体臂体长度方向排列的、围绕所述软体臂体的轴线均匀分布的组，并且所述软体机械臂包含三个霍尔传感器，所述三个霍尔传感器位于处于同一软体臂体长度上的三个凹槽中。

致动器可以通过本身的伸缩变形，来带动软体臂体发生弯曲。致动器可以采用形状记忆合金，气动，电机加拉线等方式。形状记忆合金弹簧是优选的方式。形状记忆合金弹簧通电加热后产生奥氏体相变，奥氏体相变导致形状记忆合金弹簧收缩，从而拉动软体机械臂模块弯曲。

永磁体和霍尔传感器均可以仅嵌在软体臂体中，也可以刚性连接到柔性中心柱。从测量准确性的角度看，优选刚性连接到柔性中心柱。

柔性中心柱可以具有中空的通道，用于将位于不同长度位置处的霍尔传感器的输入线和输出线引导到软体机械臂外部，从而巧妙地避免了传输线对机械臂活动性的干扰。

本发明也提供控制上述软体机械臂的方法，包括利用所述致动器带动所述软体臂体弯曲；利用所述凹槽处的所述霍尔传感器和所述永磁体检测霍尔电势；利用所述霍尔电势计算所述软体臂体的姿态；根据算得的姿态控制所述致动器。也就是说，利用霍尔传感器获取软体臂体的姿态并反馈到致动器，来对软体机械臂进行精密控制。

作为软体机械臂的一种示例性的具体实施方式，基于霍尔传感器的软体机械臂包括柔性材料制成的软体机械臂柱形臂体，一个柔性中心柱，三组致动器，上下连接板，三对霍尔传感器以及对应的永磁体，以及支撑盘和底座等。其中上下连接板、支撑盘和底座起固定作用，也可以以其他具有相同功能的部件代替。

其中，柔性中心柱为空心柱，中间的孔可以用来引出霍尔传感器线以及致动器的电线。

其中，机械臂的内部开有六个通孔，两两一组，在机械臂的横截面以120度间隔平均分布。

其中，机械臂的六个洞中安装致动器，致动器可以为绳索拉动，也可以为智能材料如形状记忆合金弹簧，每两根形状记忆合金弹簧通过近端盖串联，并固结在远端盖上。

基于霍尔传感器的软体机械臂的示例性制造过程如下：通过三维打印获取软体机械臂模具，首先将柔性中心柱和霍尔传感器以及相应的磁钢组装在一起，以保证霍尔传感器以及对应磁钢的位置；将至安放在机械臂模具中，并将六根钢柱安装在模具中，利用硅胶浇筑，放置在恒温箱中等待固化；待硅胶固化之后，抽出钢柱，并打开模具，即可获取机械臂本体。将六根形状记忆合金弹簧安装在机械臂的孔中，每两根形状记忆合金弹簧通过近端盖串联，并固结在远端盖上，作为一组致动器；三组致动器的协调驱动可以实现机械臂在任意方向上的弯曲。

下面结合附图对本发明做进一步详述。

如图1所示，本发明的一种基于霍尔传感器的软体机械臂，由上连接板1，致动器2(图中示例为形状记忆合金弹簧)，软体臂体3，凹槽4，永磁体5，霍尔传感器6，支撑盘7，底座8，中心柱9，下连接板10组成。如图1所示，软体机械臂由内部的中心柱9，硅胶臂体3，底座8组成，软体机械臂的臂体外侧均布有三列凹槽4，其中。软体机械臂的中心柱通过支撑盘7连接霍尔传感器6以及永磁体5，同时保证永磁体的下表面与凹槽上表面一致，保证霍尔传感器的上表面与凹槽上表面一致。中心柱是中空的可以安置霍尔传感器以及致动器的连线。软体机械臂臂体内有六个通孔，两两一组，分为三组，三组均布在软体机械臂的截面上，与凹槽的位置错开。通孔的主要作用是安置致动器2，本例中致动器为形状记忆合金弹簧，上连接板1和下连接板10用来连接致动器2，每组内两根形状记忆合金弹簧通过近端盖串联，并固结在远端盖上。上下连接板也与中心柱固接在一起。当某一对形状记忆合金弹致动器(如2-a)通电加热时，可以发生奥氏体相变，其长度将缩短，带动软体机械臂在该方向弯曲。软体机械臂弯曲后，其臂体外壁各个部分的长度变化不同，同时，不同列的凹槽的长度也会变化，该变化可以被霍尔传感器测知，如图2所示。弯曲之后，三对永磁体和对应的霍尔传感器(5-a,6-a；5-b,6-b；5-c,6-c)之间的距离(l_h1,l_h2,l_h3)相应发生变化，如果软体机械臂的各部分为均匀一致，通过该距离变化即可得出软体机械臂的弯曲方向和弯曲角度。通过PID控制对相对应的形状记忆合金弹簧加热，可以进一步实现软体机械臂的形状控制和运动轨迹控制。

作为一个实例，如图2所示，θ为弯曲角度，为弯曲方向，l₁,l₂,l₃分别为软体机械臂上通过三列凹槽中心的弧线，l₀的为软体机械臂的中心长度，如中心长度在弯曲时未压缩，弯曲后三根弧线长度变化为：

Δl₁＝l₁-l₀；Δl₂＝l₂-l₀；Δl₃＝l₃ (1)

根据几何关系，可以得知如下公式：

霍尔传感器测出的凹槽的距离变化为：Δl_h1,Δl_h2,Δl_h3，因此可得：

Δl_h1＝kΔl₁＝mV₁-l_h0；Δl_h2＝kΔl₂＝mV₂-l_h0；Δl_h3＝kΔl₃＝mV₃-l_h0 (3)

其中k为凹槽厚度与机械臂长度之比,l_h0为凹槽的原厚度，V₁，V₂，V₃分别为三个霍尔传感器电势，m为霍尔传感器测和永磁体距离与测得电势的线性比例因子。根据以上三个公式即可由霍尔传感器的测量值，获取软体机械臂的弯曲角度θ和弯曲方向

如果轴向有压缩，压缩距离Δl_h0可以如下计算：

Δl_h0＝((l_h1+l_h2+l_h3)-3l_h0)/3

因此实际上用来计算弯曲角度和方向的凹槽的距离变化：

Δl_h1＝mV₁-(l_h0-Δl_h0)

Δl_h2＝mV₂-(l_h0-Δl_h0)

Δl_h3＝mV₃-(l_h0-Δl_h0)

根据上式也可精确计算出中心长度被压缩时，软体机械臂的弯曲角度和方向。

应当注意的是，其中的上连接板1、下连接板10和底座8是任选的，其构造不影响本发明的软体机械臂的运动。支撑盘7是一种示例性的刚性连接方式，本发明也可以使用其他刚性连接方式。致动器2在图中表示为形状记忆合金弹簧，但正如上文讨论的，其也可以是其他形式的致动器。

可通过导线以特定占空比的电流通电加热相应的形状记忆合金弹簧，形状记忆合金弹簧产生奥氏体相变，并收缩长度，带动软体机械臂弯曲。软体机械臂的弯曲会导致其侧面的凹槽高度(即槽壁之间的距离)变化，该高度变化可导致永磁体与对应的霍尔传感器距离变化，进而导致霍尔传感器可以测量到的磁场强度变化。由三对霍尔传感器测到的传感器距离变化可以推算出软体机械臂的弯曲方向和弯曲角度，通过控制方法调整加热电流即可实现软体机械臂的位置和姿态控制。本发明解决了软体机械臂在变形过程中位置姿态难以控制的问题，采用霍尔传感器反馈，霍尔传感器来实现软体机械臂的变形测量以及最终的运动控制，控制策略简单、快速、精确，实现了软体机械臂的运动控制；将霍尔传感器与形状记忆合金驱动相结合，设计新颖，结构简单，成本极低，可用于批量生产，易于工程化和实用化，可以高精度实时获取软体机械臂的姿态控制。多节机械臂的串联和并联控制可以实现更多机器人的操作以及移动功能。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种软体机械臂，所述软体机械臂包括：

软体臂体，所述软体臂体的外表面上具有一个或多个垂直于所述软体臂体长度方向的凹槽，所述凹槽具有垂直于所述软体臂体长度方向的两个槽壁，所述一个或多个凹槽分为一个或多个沿所述软体臂体长度方向排列的组；

一个或多个霍尔传感器，所述霍尔传感器嵌入所述软体臂体中，并且暴露至凹槽的一个槽壁；

与所述一个或多个霍尔传感器一一配对的一个或多个永磁体，所述永磁体嵌入所述软体臂体中，并且暴露至对应的霍尔传感器所在凹槽的相对的槽壁；

一个或多个在软体臂体长度方向上贯穿所述软体臂体的致动器，所述致动器中的每一个与所述一个或多个凹槽不相交，所述致动器可以带动所述软体臂体弯曲，

其中，所述凹槽分成三个沿所述软体臂体长度方向排列的、围绕所述软体臂体的轴线均匀分布的组，并且所述软体机械臂包含三个霍尔传感器，所述三个霍尔传感器位于处于同一软体臂体长度上的三个凹槽中，

所述软体机械臂还包括在软体臂体长度方向上贯穿所述软体臂体的柔性中心柱，所述柔性中心柱的刚性大于所述软体臂体的刚性，

所述柔性中心柱具有中空通道，并且所述霍尔传感器的输入线和输出线通过所述通道连接到所述软体机械臂外部。

2.根据权利要求1所述的软体机械臂，其特征在于：所述软体机械臂还包括控制器，所述控制器根据由所述霍尔传感器检测的霍尔电势的反馈控制所述致动器的运动。

3.根据权利要求1所述的软体机械臂，其特征在于：所述致动器中的每一个与一组凹槽处于相对于所述软体臂体的轴线基本上相反的径向方向上。

4.根据权利要求1所述的软体机械臂，其特征在于：所述软体机械臂包含仅一个霍尔传感器。

5.根据权利要求1所述的软体机械臂，其特征在于：所述软体机械臂包含多个霍尔传感器，所述多个霍尔传感器位于在同一软体臂体长度上的不同组的凹槽中。

6.根据权利要求1所述的软体机械臂，其特征在于：所述软体机械臂包含多个霍尔传感器，所述多个霍尔传感器位于在不同软体臂体长度上的不同组的凹槽中。

7.根据权利要求1所述的软体机械臂，其特征在于：所述致动器是形状记忆合金弹簧。

8.根据权利要求1所述的软体机械臂，其特征在于：所述永磁体刚性连接到所述柔性中心柱。

9.根据权利要求1所述的软体机械臂，其特征在于：所述霍尔传感器刚性连接到所述柔性中心柱。

10.一种控制根据权利要求1所述的软体机械臂的方法，其特征在于，所述方法包括：

利用所述致动器带动所述软体臂体弯曲；

利用所述凹槽处的所述霍尔传感器和所述永磁体检测霍尔电势；

利用所述霍尔电势计算所述软体臂体的姿态；

根据算得的姿态控制所述致动器。