CN108453735B - 一种基于摩擦纳米发电机仿生机械手的抓取方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于摩擦纳米发电机仿生机械手的抓取方法、装置。该装置通过在仿生机械手相应关节部位安装摩擦纳米发电机组，通过摩擦纳米发电机组所反馈的电压情况，使仿生机械手实现针对不同材质不同形状的目标物体来确定出特定的抓取位置、力度和手形，不会造成物体损坏和脱落；并且具有在盲抓过程中可识别物体的功能；同时，摩擦纳米发电机组所产生的电能得到利用，即与外部电源同时起到供电作用。本发明结构简洁，充分利用摩擦纳米发电机组的供电功能，实现了一定的自供电作用。

Description

一种基于摩擦纳米发电机仿生机械手的抓取方法、装置

技术领域

本发明涉及一种仿生机械手，具体涉及一种基于摩擦纳米发电机仿生机械手的抓取方法、装置。

技术背景

随着社会的发送，机械手逐渐应用在社会的各个方面，机械手也起着越来越重要的作用。但是目前无论是医疗领域的肌电仿生手，还是军事领域用于高危工作的机械手，亦或是应用在工业领域的组装焊接机械手，还是有很多不足地方。首先，目前的机械手大多通过搭载在机械手臂上的摄像头采集图像，进而识别物体，而不能在盲抓过程中识别物体；其次，现有机械手在抓取物体时尚未考虑恰当的抓取位置易造成物体抓取不稳定而脱落；再次，随着电子产品的广泛应用，人们对电子产品续航能力的要求也越来越高，虽然微电子产品的功耗越来越小，电池能量密度也是日益增长，但这些改变还不能满足实际所需。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于摩擦纳米发电机仿生机械手的抓取方法、装置。

一方面，提供了一种基于摩擦纳米发电机仿生机械手的抓取方法，其特征在于，具有以下步骤：

步骤S01：初始化，中央处理器产生初始化信号指令发送至舵机驱动模块，所述舵机驱动模块根据所述初始化信号控制所述机械手呈现初始状态手形；

步骤S02：所述机械手全方位触摸目标物体，并采集所述摩擦纳米发电机组产生电压信号的关节的三维坐标的模拟信号；信号采集与处理电路将不同所述模拟信号转化为数字信号，并传输至所述中央处理器；

步骤S03：所述中央处理器收集五个仿生手指的所述数字信号，采用空间建模算法分析得出所述目标物体的初步形状；并根据所述初步形状确定所述目标物体的质心以及准确抓取位置；

步骤S04：根据所述目标物体的所述初步形状，所述中央处理器产生初步手形指令，通过所述舵机驱动模块控制所述机械手呈现初步抓取手形；

步骤S05：所述机械手进行初步抓取所述目标物体，并采集所述摩擦纳米发电机组产生的电压模拟信号，其中，所述电压模拟信号包括模拟所述关节施加于所述目标物体上的压力、摩擦力；所述信号采集与处理电路将所述电压模拟信号转化为电压数字信号，并传输至所述中央处理器；

步骤S06：根据所述压力与所述摩擦力确定所述目标物体的材质和所述目标物体的重量；根据所述目标物体的所述质心、所述抓取位置、所述材质、所述重量，确定并产生相应的准确抓取手形指令发送至所述舵机驱动模块；

步骤S07：所述舵机驱动模块根据所述准确抓取手形指令控制所述机械手呈现准确抓取手形，进行准确抓取所述目标物体。

优选的，在本发明中，在所述步骤S02中，所述机械手全方位触摸目标物体具体步骤包括：

步骤S021：所述仿生机械手的所述初始状态手形位于所述目标物体上方；

步骤S022：所述仿生机械手将五个所述仿生手指完全展开，由上向下试探，直至接触所述目标物体顶部，记录五个所述仿生手指中产生所述电压信号的关节的三维坐标，所述目标物体顶部的形状信息采集完成；

步骤S023：所述仿生机械手逆时针旋转90度，向所述目标物体左侧面方向试探；改变五个所述仿生手指弯曲角度直至接触到所述目标物体产生所述电压信号，同样记录所述仿生手指中产生所述电压信号的所述关节的所述三维坐标，所述仿生机械手向下延伸并记录连续的所述三维坐标，直至没有连续的所述三维坐标被获取，所述目标物体左侧面的所述形状信息采集完成；

步骤S024：将所述仿生机械手恢复为所述初始状态；所述仿生机械手顺时针旋转90度，向所述目标物体右侧面方向试探；改变五个所述仿生手指弯曲角度直至接触到所述目标物体产生所述电压信号，同样记录所述仿生手指中产生所述电压信号的所述关节的所述三维坐标，所述仿生机械手向下延伸并记录连续的所述三维坐标，直至没有连续的所述三维坐标被获取，所述目标物体右侧面的是形状信息采集完成；

步骤S025：将三个方向获取的所述目标物体表面的形状信息汇总，并传输至所述信号采集与处理电路。

优选的，在本发明中，在所述步骤S03中，根据所述初步形状确定所述目标物体的质心以及准确抓取位置的具体步骤包括：

步骤S031：根据所述目标物体的所述初步形状，计算出所述目标物体中心点位置，即为所述目标物体的质心；

步骤S032：所述目标物体的所述初步形状已知，若所述目标物体的顶部面积大于预设值，则所述仿生机械手从目标物体的顶部进行抓取；若所述目标物体的顶部面积小于所述预设值，则所述仿生机械手从目标物体的侧面进行抓取；即确定所述目标物体的所述初步抓取位置。

优选的，在本发明中，在所述步骤S06中，根据所述压力与所述摩擦力确定所述目标物体的是材质具体步骤为：

步骤S061：建立一个数据库，用于存储各种材质对应的摩擦系数；

步骤S062：由所述仿生机械手抓取所述目标物体时所得到的所述压力与摩擦力关系，根据相应公式计算出所述目标物体的摩擦系数；

步骤S063：在所述数据库中查找最接近摩擦系数，查找所述最接近摩擦系数相对应的材质，从而确定出所述目标物体的所述材质。

优选的，在本发明中，在所述步骤S06中，根据所述压力与所述摩擦力确定所述目标物体的所述材质具体步骤为：

步骤S064：所述仿生机械手采用所述初始状态手形试抓所述目标物体时，与所述目标物体有接触的所述关节上的力度按照预设的梯度增加，每试抓一次力度增加一次；直至所述目标物体刚好离开支撑面，所述仿生机械手抓取所述目标物体保持静止；

步骤S065：所述仿生机械手的五个所述仿生手指的压力已知，记录各所述关节的所述压力和摩擦力；

步骤S066：将所述压力和摩擦力进行汇总、计算，得到向上的合力，进而得到所述目标物体的重量。

另一方面，提供了一种基于摩擦纳米发电机仿生机械手装置，包括仿生手掌、旋转臂，所述仿生手掌包括以下部件：

摩擦纳米发电机组、舵机、舵机驱动模块、中央处理器、信号采集与处理电路；

所述中央处理器，用于向所述舵机驱动模块发送指令，其中，所述指令包括初始化信号、初步抓取信号、准确抓取信号；并计算、确定目标物体的初步形状、质心、抓取位置、材质、重量；

所述舵机驱动模块，用于根据所述指令通过所述舵机控制所述仿生机械手的五个所述仿生手指的关节呈现相应手形；其中，所述相应手形包括所述初始状态手形、初步抓取手形、准确抓取手形；

所述摩擦纳米发电机组，用于产生电压信号的压力与摩擦力关系以及产生所述电压信号的所述关节的三维坐标、压力与摩擦力关系的模拟信号，并发送至所述信号采集与处理电路；

所述信号采集与处理电路将不同所述模拟信号转化为数字信号，并传输至所述中央处理器；

所述旋转臂用于支撑所述仿生手掌，并根据所述指令按需旋转所述仿生手掌，进行准确抓取目标物体。

优选的，在本发明中，所述仿生手掌还包括储电装置、外部电源，其中，所述储电装置用于将整个所述仿生机械手产生的电能进行存储；所述外部电源用于将所述仿生机械手连通外部电源，以供所述仿生机械手正常运行。

优选的，在本发明中，所述仿生机械手依次采集所述目标物体的上方、左侧面、右侧面的状态信息；

所述仿生机械手将五个所述仿生手指完全展开，由上向下试探，直至接触所述目标物体顶部，记录五个所述仿生手指中产生所述电压信号的关节的三维坐标，所述目标物体顶部的形状信息采集完成；

所述仿生机械手逆时针旋转90度；改变五个所述仿生手指弯曲角度直至接触到所述目标物体产生所述电压信号，同样记录所述仿生手指中产生所述电压信号的所述关节的所述三维坐标，所述仿生机械手向下延伸并记录连续的所述三维坐标，直至没有连续的所述三维坐标被获取，即完成所述目标物体左侧面的所述形状信息采集；

所述仿生机械手恢复为所述初始状态；所述仿生机械手顺时针旋转90度，向所述目标物体右侧面方向试探；改变五个所述仿生手指弯曲角度直至接触到所述目标物体产生所述电压信号，同样记录所述仿生手指中产生所述电压信号的所述关节的所述三维坐标，所述仿生机械手向下延伸并记录连续的所述三维坐标，直至没有连续的所述三维坐标被获取，所述目标物体右侧面的是形状信息采集完成；

将三个方向获取的所述目标物体表面的形状信息汇总，并传输至所述信号采集与处理电路。

优选的，在本发明中，所述中央处理器中具有一数据库，用于存储各种材质对应的摩擦系数；

所述中央处理器由所述仿生机械手抓取所述目标物体时所得到的所述压力与摩擦力关系，根据相应公式计算出所述目标物体的摩擦系数；在所述数据库中查找最接近摩擦系数，查找所述最接近摩擦系数相对应的材质，从而确定出所述目标物体的所述材质。

优选的，在本发明中，所述中央处理器用于计算、确定所述目标物体的质心、抓取位置：

根据所述目标物体的所述初步形状，计算出所述目标物体中心点位置，即为所述目标物体的是质心；

根据所述目标物体的所述初步形状，判断若所述目标物体的顶部面积大于预设值，则所述仿生机械手从目标物体的顶部进行抓取；若所述目标物体的顶部面积小于所述预设值，则所述仿生机械手从目标物体的侧面进行抓取；即确定所述目标物体的所述初步抓取位置。

优选的，在本发明中，所述中央处理器用于计算、确定所述目标物体的重量：

所述仿生机械手采用所述初始状态手形试抓所述目标物体时，与所述目标物体有接触的所述关节上的力度按照预设的梯度增加，每试抓一次力度增加一次；直至所述目标物体刚好离开支撑面，所述仿生机械手抓取所述目标物体保持静止；所述仿生机械手的五个所述仿生手指的压力已知，记录各所述关节的所述压力和摩擦力；将所述压力和摩擦力进行汇总、计算，得到向上的合力，进而得到所述目标物体的重量。

本发明有益技术效果

本发明通过在仿生机械手相应关节部位安装摩擦纳米发电机组，通过摩擦纳米发电机组所反馈的电压情况，使仿生机械手实现针对不同材质不同形状目标物体来确定出特定的抓取位置、力度和手形，不会造成物体损坏和脱落，并且具有在盲抓过程中可识别物体的功能；同时，摩擦纳米发电机组所产生的电能可以得到利用，即与外部电源同时起到供电作用。本发明结构简洁，充分利用摩擦纳米发电机组的供电功能，实现了一定的自供电作用。

附图说明

图1为本发明一实施例中仿生机械手的工作流程图；

图2为本发明一实施例中仿生机械手整体示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细的描述：

如图1所示，本发明提供了一种基于摩擦纳米发电机仿生机械手的抓取方法，其特征在于，具有以下步骤：

步骤S01：初始化，中央处理器产生初始化信号指令发送至舵机驱动模块，所述舵机驱动模块根据所述初始化信号控制所述机械手呈现初始状态手形；

步骤S02：所述机械手全方位触摸目标物体，并采集所述摩擦纳米放电机产生电压信号的关节的三维坐标的模拟信号；信号采集与处理电路将不同所述模拟信号转化为数字信号，并传输至所述中央处理器；

在所述步骤S02中，所述机械手全方位触摸目标物体具体步骤包括：

步骤S021：所述仿生机械手的所述初始状态手形位于所述目标物体上方；

步骤S022：所述仿生机械手将五个所述仿生手指完全展开，由上向下试探，直至接触所述目标物体顶部，记录五个所述仿生手指中产生所述电压信号的关节的三维坐标，所述目标物体顶部的形状信息采集完成；

步骤S023：所述仿生机械手逆时针旋转90度，向所述目标物体左侧面方向试探；改变五个所述仿生手指弯曲角度直至接触到所述目标物体产生所述电压信号，同样记录所述仿生手指中产生所述电压信号的所述关节的所述三维坐标，所述仿生机械手向下延伸并记录连续的所述三维坐标，直至没有连续的所述三维坐标被获取，所述目标物体左侧面的所述形状信息采集完成；

步骤S024：将所述仿生机械手恢复为所述初始状态；所述仿生机械手顺时针旋转90度，向所述目标物体右侧面方向试探；改变五个所述仿生手指弯曲角度直至接触到所述目标物体产生所述电压信号，同样记录所述仿生手指中产生所述电压信号的所述关节的所述三维坐标，所述仿生机械手向下延伸并记录连续的所述三维坐标，直至没有连续的所述三维坐标被获取，所述目标物体右侧面的是形状信息采集完成；

步骤S025：将三个方向获取的所述目标物体表面的形状信息汇总，并传输至所述信号采集与处理电路。

步骤S03：所述中央处理器收集五个仿生手指的所述数字信号，采用空间建模算法分析得出所述目标物体的初步形状；并根据所述初步形状确定所述目标物体的质心以及准确抓取位置；

在所述步骤S03中，根据所述初步形状确定所述目标物体的质心以及准确抓取位置的具体步骤包括：

步骤S031：根据所述目标物体的所述初步形状，计算出所述目标物体中心点位置，即为所述目标物体的质心；

步骤S032：所述目标物体的所述初步形状已知，若所述目标物体的顶部面积大于预设值，则所述仿生机械手从目标物体的顶部进行抓取；若所述目标物体的顶部面积小于所述预设值，则所述仿生机械手从目标物体的侧面进行抓取；即确定所述目标物体的所述初步抓取位置。

步骤S04：根据所述目标物体的所述初步形状，所述中央处理器产生初步手形指令，通过所述舵机驱动模块控制所述机械手呈现初步抓取手形；

步骤S05：所述机械手进行初步抓取所述目标物体，并采集所述摩擦纳米发电机组产生的电压模拟信号，其中，所述电压模拟信号包括模拟所述关节施加于所述目标物体上的压力、摩擦力；所述信号采集与处理电路将所述电压模拟信号转化为电压数字信号，并传输至所述中央处理器；

步骤S06：根据所述压力与所述摩擦力确定所述目标物体的材质和所述目标物体的重量；根据所述目标物体的所述质心、所述抓取位置、所述材质、所述重量，确定并产生相应的准确抓取手形指令发送至所述舵机驱动模块；

在所述步骤S06中，

根据所述压力与所述摩擦力确定所述目标物体的所述材质具体步骤为：

步骤S061：建立一个数据库，用于存储各种材质对应的摩擦系数；

步骤S062：由所述仿生机械手抓取所述目标物体时所得到的所述压力与摩擦力关系，根据相应公式计算出所述目标物体的摩擦系数；

步骤S063：在所述数据库中查找最接近摩擦系数，查找所述最接近摩擦系数相对应的材质，从而确定出所述目标物体的所述材质。

根据所述目标物体的所述初步形状与所述材质确定所述目标物体的所述重量，具体步骤为：

步骤S064：所述仿生机械手采用所述初始状态手形试抓所述目标物体时，与所述目标物体有接触的所述关节上的力度按照预设的梯度增加，每试抓一次力度增加一次；直至所述目标物体刚好离开支撑面，所述仿生机械手抓取所述目标物体保持静止；

步骤S065：所述仿生机械手的五个所述仿生手指的压力已知，记录各所述关节的所述压力和摩擦力；

步骤S066：将所述压力和摩擦力进行汇总、计算，得到向上的合力，进而得到所述目标物体的重量。

需要指出的是，准确抓取手形的确定取决于所述目标物体的材质、重量以及抓取位置，而准确抓取手形指令则包括准确抓取的手形和力度。

步骤S07：所述舵机驱动模块根据所述准确抓取手形指令控制所述机械手呈现准确抓取手形，进行准确抓取所述目标物体。

另一方面，本发明提供了一种基于摩擦纳米发电机仿生机械手装置，包括仿生手掌、旋转臂，所述仿生手掌包括以下部件：

摩擦纳米发电机组、舵机、舵机驱动模块、中央处理器、信号采集与处理电路；

所述中央处理器，用于向所述舵机驱动模块发送指令，其中，所述指令包括初始化信号、初步抓取信号、准确抓取信号；并计算、确定目标物体的初步形状、质心、抓取位置、材质、重量；

所述舵机驱动模块，用于根据所述指令通过所述舵机控制所述仿生机械手的五个所述仿生手指的关节呈现相应手形；其中，所述相应手形包括所述初始状态手形、初步抓取手形、准确抓取手形；

所述摩擦纳米发电机组，用于产生电压信号的压力与摩擦力关系以及产生所述电压信号的所述关节的三维坐标、压力与摩擦力关系的模拟信号，并发送至所述信号采集与处理电路；

所述信号采集与处理电路将不同所述模拟信号转化为数字信号，并传输至所述中央处理器；

所述旋转臂用于支撑所述仿生手掌，并根据所述指令按需旋转所述仿生手掌，进行准确抓取目标物体。

一方面，在本发明中，所述仿生手掌还包括储电装置、外部电源，其中，所述储电装置用于将整个所述仿生机械手产生的电能进行存储；所述外部电源用于将所述仿生机械手连通外部电源，以供所述仿生机械手正常运行。

一方面，在本发明中，所述仿生机械手依次采集所述目标物体的上方、左侧面、右侧面的状态信息；

所述仿生机械手将五个所述仿生手指完全展开，由上向下试探，直至接触所述目标物体顶部，记录五个所述仿生手指中产生所述电压信号的关节的三维坐标，所述目标物体顶部的形状信息采集完成；

所述仿生机械手逆时针旋转90度；改变五个所述仿生手指弯曲角度直至接触到所述目标物体产生所述电压信号，同样记录所述仿生手指中产生所述电压信号的所述关节的所述三维坐标，所述仿生机械手向下延伸并记录连续的所述三维坐标，直至没有连续的所述三维坐标被获取，即完成所述目标物体左侧面的所述形状信息采集；

所述仿生机械手恢复为所述初始状态；所述仿生机械手顺时针旋转90度，向所述目标物体右侧面方向试探；改变五个所述仿生手指弯曲角度直至接触到所述目标物体产生所述电压信号，同样记录所述仿生手指中产生所述电压信号的所述关节的所述三维坐标，所述仿生机械手向下延伸并记录连续的所述三维坐标，直至没有连续的所述三维坐标被获取，所述目标物体右侧面的是形状信息采集完成；

将三个方向获取的所述目标物体表面的形状信息汇总，并传输至所述信号采集与处理电路。

一方面，在本发明中，所述中央处理器中具有一数据库，用于存储各种材质对应的摩擦系数；

所述中央处理器由所述仿生机械手抓取所述目标物体时所得到的所述压力与摩擦力关系，根据相应公式计算出所述目标物体的摩擦系数；在所述数据库中查找最接近摩擦系数，查找所述最接近摩擦系数相对应的材质，从而确定出所述目标物体的所述材质。

一方面，在本发明中，所述中央处理器用于计算、确定所述目标物体的质心、抓取位置：

根据所述目标物体的所述初步形状，计算出所述目标物体中心点位置，即为所述目标物体的是质心；

根据所述目标物体的所述初步形状，判断若所述目标物体的顶部面积大于预设值，则所述仿生机械手从目标物体的顶部进行抓取；若所述目标物体的顶部面积小于所述预设值，则所述仿生机械手从目标物体的侧面进行抓取；即确定所述目标物体的所述初步抓取位置。

一方面，在本发明中，所述中央处理器用于计算、确定所述目标物体的重量：

所述仿生机械手采用所述初始状态手形试抓所述目标物体时，与所述目标物体有接触的所述关节上的力度按照预设的梯度增加，每试抓一次力度增加一次；直至所述目标物体刚好离开支撑面，所述仿生机械手抓取所述目标物体保持静止；所述仿生机械手的五个所述仿生手指的压力已知，记录各所述关节的所述压力和摩擦力；将所述压力和摩擦力进行汇总、计算，得到向上的合力，进而得到所述目标物体的重量。

如图2所示，所述仿生机械手依次设有摩擦纳米发电机组1、舵机Ⅰ2、舵机Ⅱ3、舵机驱动模块4、中央处理器5、储电装置6、外部电源7、信号采集与处理电路8、旋转臂9。其中，信号采集与处理电路8与中央处理器5相连，舵机驱动模块4一端与舵机Ⅰ2和舵机Ⅱ3相连，另一端与中央处理器5相连；机械手手指各关节上设有摩擦纳米发电机组1，摩擦纳米发电机组1一边与信号采集与处理电路8相连，同时与储电装置6相连；储电装置6与外部电源7协同为本装置供电；舵机Ⅱ3一侧与旋转臂9相连，另一侧与舵机驱动模块4相连。

本发明的具体工作原理：

在仿生机械手准备工作时，首先由中央处理器5发出一个初始化信号指令给舵机驱动模块4，所述舵机驱动模块4通过摩擦纳米发电机组1控制仿生机械手各手指关节间的角度以及关节与手掌的角度呈现出初始状态手形。

仿生机械手全方位触摸目标物体，各关节处的摩擦纳米发电机组1，比如拇指第一关节的摩擦纳米发电机（1,5）产生电压，并且由已知的摩擦纳米发电机组产生电压与摩擦力的关系，信号采集与处理电路8将不同坐标处摩擦纳米发电机组1产生的模拟信号转化为数字信号并传至中央处理器5。其中，仿生机械手全方位触摸目标物体具体为：目标物体顶部，仿生机械手将五个所述仿生手指完全展开，由上向下试探，直至接触所述目标物体顶部，记录五个所述仿生手指中产生所述电压信号的关节的三维坐标，所述目标物体顶部的形状信息采集完成；目标物体左侧面，仿生机械手逆时针旋转90度，向目标物体左侧面方向试探；改变五个仿生手指弯曲角度直至接触到目标物体产生所述电压信号，同样记录仿生手指中产生所述电压信号的关节的三维坐标，仿生机械手向下延伸并记录连续的三维坐标，直至没有连续的三维坐标被获取，目标物体左侧面的形状信息采集完成；目标物体右侧面，将仿生机械手恢复为所述初始状态；仿生机械手顺时针旋转90度，向目标物体右侧面方向试探；改变五个所述仿生手指弯曲角度直至接触到目标物体产生电压信号，同样记录仿生手指中产生电压信号的关节的三维坐标，仿生机械手向下延伸并记录连续的三维坐标，直至没有连续的三维坐标被获取，目标物体右侧面的是形状信息采集完成。将三个方向获取的所述目标物体表面的形状信息汇总。

中央处理器5接收五个仿生手指各坐标的数据，分析计算相应数据，通过空间建模算法可分析出目标物体的初步形状，得到初步抓取手形。

进一步，仿生机械手抓取目标物体时所得到的压力与摩擦力关系，根据相应公式计算出所述目标物体的摩擦系数；在数据库中查找最接近摩擦系数，查找所述最接近摩擦系数相对应的材质，从而确定出目标物体的材质。

此外，中央处理器5，根据目标物体的初步形状与材质，计算出所述目标物体中心点位置，即为目标物体的质心。

在目标物体的初步形状已知的情况下，若目标物体的顶部面积大于预设值，则仿生机械手从目标物体的顶部进行抓取，预设值是由仿生机械手手的手掌面积确定的；若目标物体的顶部面积小于预设值，则仿生机械手从目标物体的侧面进行抓取；所述仿生机械手采用初始状态手形试抓目标物体时，与目标物体有接触的关节上的力度按照预设的梯度增加，每试抓一次力度增加一次；直至目标物体刚好离开支撑面，仿生机械手抓取所述目标物体保持静止(此时为初步抓起，抓取手形、抓取力度、抓取位置不是最合适的，且物体仅刚离开支撑面，距离支撑面很近，此时的手形和力度仅在这种情况下保持物体稳定，并不能保证机械手再移动时物体不会滑落)；仿生机械手的五个所述仿生手指的压力已知，记录各所述关节的所述压力和摩擦力；将所述压力和摩擦力进行汇总、计算，得到向上的合力，进而得到所述目标物体的重量。

在中央处理器5预判得到目标物体的初步形状、材质、质心、重量的情况下，中央处理器5可根据目标物体的质心、外形、质量及表面特性利用特征识别算法判断出具体物体，以实现仿生机械手对目标物体的识别，分析计算出准确的手形生成相应的控制信号发送给舵机驱动模块4，舵机驱动模块4相应舵机Ⅰ2使仿生机械手的各关节弯曲伸展呈现出初步的抓取手形。

各关节处的摩擦纳米发电机组1在接触目标物体时，由于摩擦和按压物体而产生机械能，摩擦纳米发电机组1再将机械能转化为电能，并通过储电装置6存储所产生的电能。

本发明通过在仿生机械手相应关节部位安装摩擦纳米发电机组，通过摩擦纳米发电机组所反馈的电压情况，使仿生机械手实现针对不同材质不同形状目标物体来确定出特定的抓取位置、力度和手形，不会造成物体损坏和脱落，并且具有在盲抓过程中可识别物体的功能；同时，摩擦纳米发电机组所产生的电能可以得到利用，即与外部电源同时起到供电作用。本发明结构简洁，充分利用摩擦纳米发电机组的供电功能，实现了一定的自供电作用。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明的意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种基于摩擦纳米发电机仿生机械手的抓取方法，其特征在于，具有以下步骤：

步骤S01：初始化，中央处理器产生初始化信号指令发送至舵机驱动模块，所述舵机驱动模块根据所述初始化信号控制所述机械手呈现初始状态手形；

步骤S02：所述机械手全方位触摸目标物体，并采集所述摩擦纳米发电机产生电压信号的关节的三维坐标的模拟信号；信号采集与处理电路将不同所述模拟信号转化为数字信号，并传输至所述中央处理器；

步骤S03：所述中央处理器收集五个仿生手指的所述数字信号，采用空间建模算法分析得出所述目标物体的初步形状；并根据所述初步形状确定所述目标物体的质心以及准确抓取位置；

步骤S04：根据所述目标物体的所述初步形状，所述中央处理器产生初步手形指令，通过所述舵机驱动模块控制所述机械手呈现初步抓取手形；

步骤S05：所述机械手进行初步抓取所述目标物体，并采集所述摩擦纳米发电机产生的电压模拟信号，其中，所述电压模拟信号包括模拟所述关节施加于所述目标物体上的压力、摩擦力；所述信号采集与处理电路将所述电压模拟信号转化为电压数字信号，并传输至所述中央处理器；

步骤S06：根据所述压力与所述摩擦力确定所述目标物体的材质和所述目标物体的重量；根据所述目标物体的所述质心、所述抓取位置、所述材质、所述重量，确定并产生相应的准确抓取手形指令发送至所述舵机驱动模块；

步骤S07：所述舵机驱动模块根据所述准确抓取手形指令控制所述机械手呈现准确抓取手形，进行准确抓取所述目标物体。

2.根据权利要求1所述一种基于摩擦纳米发电机仿生机械手的抓取方法，其特征在于：在所述步骤S02中，所述机械手全方位触摸目标物体具体步骤包括：

步骤S021：所述仿生机械手的所述初始状态手形位于所述目标物体上方；

步骤S022：所述仿生机械手将五个所述仿生手指完全展开，由上向下试探，直至接触所述目标物体顶部，记录五个所述仿生手指中产生所述电压信号的关节的三维坐标，所述目标物体顶部的形状信息采集完成；

步骤S023：所述仿生机械手逆时针旋转90度，向所述目标物体左侧面方向试探；改变五个所述仿生手指弯曲角度直至接触到所述目标物体产生所述电压信号，同样记录所述仿生手指中产生所述电压信号的所述关节的所述三维坐标，所述仿生机械手向下延伸并记录连续的所述三维坐标，直至没有连续的所述三维坐标被获取，所述目标物体左侧面的所述形状信息采集完成；

步骤S024：将所述仿生机械手恢复为所述初始状态；所述仿生机械手顺时针旋转90度，向所述目标物体右侧面方向试探；改变五个所述仿生手指弯曲角度直至接触到所述目标物体产生所述电压信号，同样记录所述仿生手指中产生所述电压信号的所述关节的所述三维坐标，所述仿生机械手向下延伸并记录连续的所述三维坐标，直至没有连续的所述三维坐标被获取，所述目标物体右侧面的是形状信息采集完成；

步骤S025：将三个方向获取的所述目标物体表面的形状信息汇总，并传输至所述信号采集与处理电路。

3.根据权利要求1所述一种基于摩擦纳米发电机仿生机械手的抓取方法，其特征在于：在所述步骤S03中，根据所述初步形状确定所述目标物体的质心以及准确抓取位置的具体步骤包括：

步骤S031：根据所述目标物体的所述初步形状，计算出所述目标物体中心点位置，即为所述目标物体的质心；

步骤S032：所述目标物体的所述初步形状已知，若所述目标物体的顶部面积大于预设值，则所述仿生机械手从目标物体的顶部进行抓取；若所述目标物体的顶部面积小于所述预设值，则所述仿生机械手从目标物体的侧面进行抓取；即确定所述目标物体的初步抓取位置。

4.根据权利要求1所述一种基于摩擦纳米发电机仿生机械手的抓取方法，其特征在于：在所述步骤S06中，根据所述压力与所述摩擦力确定所述目标物体的材质具体步骤为：

步骤S061：建立一个数据库，用于存储各种材质对应的摩擦系数；

步骤S062：由所述仿生机械手抓取所述目标物体时所得到的所述压力与摩擦力关系，根据相应公式计算出所述目标物体的摩擦系数；

步骤S063：在所述数据库中查找最接近摩擦系数，查找所述最接近摩擦系数相对应的材质，从而确定出所述目标物体的所述材质。

5.根据权利要求1所述一种基于摩擦纳米发电机仿生机械手的抓取方法，其特征在于：在所述步骤S06中，根据所述压力与所述摩擦力确定所述目标物体的重量具体步骤为：

步骤S064：所述仿生机械手采用所述初始状态手形试抓所述目标物体时，与所述目标物体有接触的所述关节上的力度按照预设的梯度增加，每试抓一次力度增加一次；直至所述目标物体刚好离开支撑面，所述仿生机械手抓取所述目标物体保持静止；

步骤S065：所述仿生机械手的五个所述仿生手指的压力已知，记录各所述关节的所述压力和摩擦力；

步骤S066：将所述压力和摩擦力进行汇总、计算，得到向上的合力，进而得到所述目标物体的重量。

6.一种基于摩擦纳米发电机仿生机械手装置，包括仿生手掌、旋转臂，其特征在于：所述仿生手掌包括以下部件：

摩擦纳米发电机组、舵机、舵机驱动模块、中央处理器、信号采集与处理电路；

所述中央处理器，用于向所述舵机驱动模块发送指令，其中，所述指令包括初始化信号、初步抓取信号、准确抓取信号；并计算、确定目标物体的初步形状、质心、抓取位置、材质、重量；

所述舵机驱动模块，用于根据所述指令通过所述舵机控制所述仿生机械手的五个仿生手指的关节呈现相应手形；其中，所述相应手形包括所述初始状态手形、初步抓取手形、准确抓取手形；

所述摩擦纳米发电机组，用于产生电压信号的压力与摩擦力关系以及产生所述电压信号的所述关节的三维坐标、压力与摩擦力关系的模拟信号，并发送至所述信号采集与处理电路；

所述信号采集与处理电路将不同所述模拟信号转化为数字信号，并传输至所述中央处理器；

所述旋转臂用于支撑所述仿生手掌，并根据所述指令按需旋转所述仿生手掌，进行准确抓取目标物体。

7.根据权利要求6所述一种基于摩擦纳米发电机仿生机械手装置，其特征在于：所述仿生手掌还包括储电装置、外部电源，其中，所述储电装置用于将整个所述仿生机械手产生的电能进行存储；所述外部电源用于将所述仿生机械手连通外部电源，以供所述仿生机械手正常运行。

8.根据权利要求6所述一种基于摩擦纳米发电机仿生机械手装置，其特征在于：所述仿生机械手依次采集所述目标物体的上方、左侧面、右侧面的状态信息；

所述仿生机械手将五个所述仿生手指完全展开，由上向下试探，直至接触所述目标物体顶部，记录五个所述仿生手指中产生所述电压信号的关节的三维坐标，所述目标物体顶部的形状信息采集完成；

所述仿生机械手逆时针旋转90度；改变五个所述仿生手指弯曲角度直至接触到所述目标物体产生所述电压信号，同样记录所述仿生手指中产生所述电压信号的所述关节的所述三维坐标，所述仿生机械手向下延伸并记录连续的所述三维坐标，直至没有连续的所述三维坐标被获取，即完成所述目标物体左侧面的所述形状信息采集；

所述仿生机械手恢复为所述初始状态；所述仿生机械手顺时针旋转90度，向所述目标物体右侧面方向试探；改变五个所述仿生手指弯曲角度直至接触到所述目标物体产生所述电压信号，同样记录所述仿生手指中产生所述电压信号的所述关节的所述三维坐标，所述仿生机械手向下延伸并记录连续的所述三维坐标，直至没有连续的所述三维坐标被获取，所述目标物体右侧面的是形状信息采集完成；

将三个方向获取的所述目标物体表面的形状信息汇总，并传输至所述信号采集与处理电路。

9.根据权利要求6所述一种基于摩擦纳米发电机仿生机械手装置，其特征在于：所述中央处理器中具有一数据库，用于存储各种材质对应的摩擦系数；

所述中央处理器由所述仿生机械手抓取所述目标物体时所得到的所述压力与摩擦力关系，根据相应公式计算出所述目标物体的摩擦系数；在所述数据库中查找最接近摩擦系数，查找所述最接近摩擦系数相对应的材质，从而确定出所述目标物体的所述材质。

10.根据权利要求6所述一种基于摩擦纳米发电机仿生机械手装置，其特征在于：所述中央处理器用于计算、确定所述目标物体的质心、抓取位置：

根据所述目标物体的所述初步形状，计算出所述目标物体中心点位置，即为所述目标物体的是质心；

根据所述目标物体的所述初步形状，判断若所述目标物体的顶部面积大于预设值，则所述仿生机械手从目标物体的顶部进行抓取；若所述目标物体的顶部面积小于所述预设值，则所述仿生机械手从目标物体的侧面进行抓取；即确定所述目标物体的所述初步抓取位置。

11.根据权利要求6所述一种基于摩擦纳米发电机仿生机械手装置，其特征在于：所述中央处理器用于计算、确定所述目标物体的重量：

所述仿生机械手采用所述初始状态手形试抓所述目标物体时，与所述目标物体有接触的所述关节上的力度按照预设的梯度增加，每试抓一次力度增加一次；直至所述目标物体刚好离开支撑面，所述仿生机械手抓取所述目标物体保持静止；所述仿生机械手的五个所述仿生手指的压力已知，记录各所述关节的所述压力和摩擦力；将所述压力和摩擦力进行汇总、计算，得到向上的合力，进而得到所述目标物体的重量。

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