CN108908379A - 一种带触觉力和形状感知功能的气动软体手指 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带触觉力和形状感知功能的气动软体手指，气动软体手指的上部分为驱动器，下部分包括从下至上依次设置的硅胶基体层、触觉力感知层、形状感知层和不可延展层。触觉力感知层内设置有粘贴在硅胶基体层顶面上呈阵列分布的多个薄膜压力传感器。形状感知层内沿手指的长度方向水平设置有粘贴在触觉力感知层顶面上的一个薄片式弯曲传感器。气动软体手指的上部分利用模具一次浇注成型，下部分利用模具以分层浇注的方式制作。本发明可以测量软体手指接触物体时接触力的分布和大小，以及软体手指的形变，用于物体识别、滑动检测等，从而实现对物体更加可靠的抓取和操作。

Description

一种带触觉力和形状感知功能的气动软体手指

技术领域

本发明涉及气动软体手，特别是涉及一种带触觉力和形状感知功能的气动软体手指。

背景技术

触觉感知是指通过接触进行测量的任何属性，包括力、粗糙度、温度等等。触觉感知对于人类实现物体的抓取及操作是不可或缺的。20世纪80年代初期，局部麻醉实验表明人类的触觉感知对于实现稳定抓持是非常重要的。通过触觉感知，人类可以严格控制所施加的抓持力，从而实现最优的抓持，即保证手和被抓持物体之间不产生滑动的同时使抓持力不会过高。气动软体手作为机器人操作物体的一种末端执行器，具有良好的灵活性、适应性，以及安全的人机交互性。将触觉感知系统和气动软体手相结合，能用于提高抓取的稳定性和可靠性、实现物体识别、滑动检测等。

传统的气动软体手在操作物体时，缺乏对外界信息的感知能力，极大的限制了其抓取和操作的可靠性。而目前常见的触觉传感器多数由于结构刚度、质量、尺寸等因素的限制，无法用于气动软体手。另外，若将传感器在没有感知功能的气动软体手上进行简单安装，会影响其抓取性能，且反馈信息单一，无法全面地提供抓手实现可靠抓取所需要的信息。

为满足机器人末端执行器对物体感知的需要，在气动软体手中引入触觉感知，进行一体化的设计制作，是气动软体手发展的必然趋势和要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种实现对物体更加可靠的抓取和操作的带触觉力和形状感知功能的气动软体手指。

本发明的一种带触觉力和形状感知功能的气动软体手指，气动软体手指由上下两部分组成,气动软体手指的上部分为驱动器，所述的驱动器为由左右依次连接的多个梯台形空腔形成的一体式气囊,多个梯台形空腔底部相互连通，所述的气囊与气泵相连,气动软体手指的下部分包括从下至上依次设置的硅胶基体层、触觉力感知层、形状感知层和不可延展层，所述的触觉力感知层、形状感知层和不可延展层的基体均由硅胶构成，在所述的触觉力感知层内设置有粘贴在硅胶基体层顶面上且包覆在触觉力感知层硅胶基体中的多个触觉力传感器，在所述的形状感知层内设置有粘贴在触觉力感知层顶面上且包覆在形状感知层的硅胶基体中的一个薄片式弯曲传感器，在所述的不可延展层的硅胶基体中沿水平方向内嵌有网格布用于防止手指下部分的膨胀变形,所述的驱动器底部和不可延展层之间通过硅胶连接并密封。

本发明与现有发明相比，本发明具有以下优势：

本发明的手指，合理分布了薄膜压力传感器和弯曲传感器，因此可以测量软体手指接触物体时，接触力的分布和大小，以及软体手指的形变。这些信息用于物体识别、滑动检测、形状估计、抓持稳定性评估、抓持力反馈控制等方面，从而实现对物体更加可靠的抓取和操作。

附图说明

图1是本发明的带触觉力和形状感知功能的气动软体手指的爆炸结构示意图；

图2是本发明的带触觉力和形状感知功能的气动软体手指三维结构示意图；

图3(a)、3(b)、3(c)分别是制备图2所示的手指的模具三维模型图；

图4是本发明的手指的制作流程图；

图5(a)是本发明的薄膜压力传感器一种分布示意图；

图5(b)是本发明的薄膜压力传感器另一种分布示意图；

图5(c)是本发明的弯曲传感器分布示意图。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1、图2所示，本发明的带触觉力和形状感知功能的气动软体手指由上下两部分组成。气动软体手指的上部分为驱动器1，是气动软体手指的驱动结构，所述的驱动器1为由左右依次连接的多个梯台形空腔形成的一体式气囊,多个梯台形空腔底部相互连通，所述的气囊与气泵相连。

作为本发明的一种实施方式各空腔通过沿横向贯穿各空腔下部的通道11相互连通，气泵与通道11连通。外界气泵经由通道11控制空腔内的气压，从而控制手指的运动。在抓取物体前，气泵抽气，空腔内为负压，梯台形空腔结构使手指向抓持时弯曲的反方向张开，从而获得更大的抓取范围。在抓取物体时，气泵充气，空腔内为正压，空腔膨胀，手指向下弯曲后接触并包络物体，形成对物体的抓持。气泵提供气压越大，软体手指形变越大。

气动软体手指的下部分用于直接与物体相接触并产生力的作用，气动软体手指的下部分包括从下至上依次设置的硅胶基体层2、触觉力感知层3、形状感知层4和不可延展层5，所述的触觉力感知层3、形状感知层4和不可延展层5的基体均由硅胶构成，在所述的触觉力感知层3内设置有粘贴在硅胶基体层顶面上且包覆在触觉力感知层硅胶基体中的多个触觉力传感器，在所述的形状感知层4内设置有粘贴在触觉力感知层顶面上且包覆在形状感知层的硅胶基体中的一个薄片式弯曲传感器，在所述的不可延展层5的硅胶基体中沿水平方向内嵌有网格布用于防止手指下部分的膨胀变形。

所述的驱动器1底部和不可延展层5之间通过硅胶连接并密封。

优选的硅胶基体层2厚度为1.2-1.8mm，硅胶基体层不能太厚，太厚会影响压力传感器的效果，也不能太薄，太薄容易破损。

优选的所述的多个触觉力传感器包括阵列分布在触觉力感知层3中的4-30个薄膜压力传感器9。薄膜压力传感器9在使用过程中通过导线外接测量电路，薄膜压力传感器的接线端子从手指的两侧伸出，并将导线置于软体手指外。测量电路的连接可以参见薄膜压力传感器9说明书即可。软体手指的尺寸不同，以及所使用薄膜压力传感器规格的不同，可得到不同密度和规模的薄膜压力传感单元阵列，从而实现不同的空间分辨率。每个薄膜压力传感单元用于测量该单元所在区域的触觉力大小，整个薄膜压力传感器阵列用于测量手指与物体接触力的大小及其分布。薄膜压力传感单元可使用不同原理的传感器，如压阻式传感器、压电式传感器等。薄膜压力传感器9为公知结构，可在市场上选购。由于软体手指本身具有良好的适应性，在抓持物体时，软体手指能与物体表面形成较好的贴合，因此触觉力的分布信息也能用于对物体局部形状的感知，可作为形状感知层4感知的形状信息的补充。

优选的所述的薄片式弯曲传感器沿手指的长度方向水平设置，测量软体手指自身形状的改变，主要是弯曲角度的变化。弯曲传感器10通过导线与外接测量电路相连，传感器的接线端子从手指的末端伸出，并将导线置于软体手指外。弯曲传感器10将弯曲角度的变化转化为传感器自身电阻值的改变，再利用外接测量电路进一步转换成输出电压的变化。测量电路的连接可以参见弯曲传感器10说明书。整体柔性较好，内嵌于软体手指中不影响手指的形变。弯曲传感器10为公知结构，可在市场上选购。

本发明的气动软体手指使用硅胶浇注制作。硅胶为Smooth-on公司的Dragon Skin或Wacker公司的ELASTOSIL。可以使用同一性能的硅胶制作软体手指各部分，也可不同部分使用性能不同的硅胶。如图3(a)、3(b)、3(c)所示，为模具三维模型图。驱动器的上模具7插入驱动器的下模具6的凹槽中形成紧密连接，用于浇注制作软体手指驱动器1多空腔驱动结构。其中模具7上侧是开口的，在模具7和模具6连接后，硅胶可直接从模具7的上侧开口倒入进行浇注。浇注前须使用脱模剂(如凡士林)涂抹模具6和模具7内表面以方便脱模。模具6和模具7连接后，将硅胶倒入模具，并通过真空装置排除其中的气泡，再放入加热设施(如烤箱)中加热一段时间，加热温度为50℃-60℃，之后将其取出置于室温中进行冷却，从而加快硅胶的凝固速度。手指下部分的模具8用于制作软体手指的下部分，通过分层浇注的方式制作下部分的各层。

如图4所示为本发明的气动软体手指的制作流程图。先按照前面所述步骤进行软体手指驱动器1的制作，再制作手指的下部分。手指下部分制作的大致过程如下：先在模具8中浇注一层1.2-1.8mm硅胶作为基体，加热冷却凝固之后用于放置触觉力传感器。将触觉力传感器贴在基体上，浇注硅胶将触觉力传感器完全浸没，加热冷却凝固后形成触觉力感知层。再将弯曲传感器贴在触觉力感知层上，浇注硅胶将弯曲传感器完全浸没，加热冷却凝固后形成形状感知层。然后在形状感知层上放置网格布，浇注硅胶浸没，加热冷却凝固后即完成不可延展层的制作。由于硅胶相融的特性，制作完成的上述各层是相互融合的整体，即为软体手指的下部分。最后，将软体手指的驱动器1和软体手指下部分通过浇注硅胶的方式进行连接并密封。在密封浇注前，需在通气道11中放入细杆以保持其在浇注过程中不被堵塞，待硅胶凝固后再将细杆取出。

如图5(a)、5(b)所示，分别是薄膜压力传感器9和弯曲传感器10的分布示意图。图5(a)为薄膜压力传感器9的分布示意图，包括稀疏型分布和密集型分布的两种分布方式。稀疏型分布使用的传感器数目少，传感单元的尺寸较大，使用成本低，可对物体实现空间分辨率低的触觉力感知。密集型分布使用的传感器数目多，形成的传感阵列空间分辨率高，适用于对触觉力感知要求高的应用场景。图5(b)为弯曲传感器10的分布示意图，弯曲传感器分布于软体手指的中间区域。两种传感器的分布方式并不完全限定，可根据软体手指抓取不同物体时的感知需要和接触方式进行合理调整。

2-4个本发明的气动软体手指可通过手指末端固定在同一安装板上的方式组合连接成软体抓手，用于抓取各种类型的物体。软体手指抓取物体时的触觉力和形状感知数据，可用于实现滑动检测、力反馈控制、物体识别与分类、形状检测等功能。

以滑动检测和物体识别与分类为例，其具体实现过程如下：

滑动检测：在软体手指与物体接触的过程中，触觉力传感器能感知接触面力场的分布。通过分析力场分布的变化趋势，可判断物体相对于软体抓手是否发生滑动，以及滑动的方向。

物体识别与分类：软体手指的触觉力感知层能够感知物体的重量、形状、大小，形状感知层能感知物体的形状、大小。在抓取重量、形状、大小不同的物体时，软体手指传感器测得的数据存在差异。基于机器学习算法，并用测得的传感器数据进行训练，训练好的机器学习模型可对不同物体进行识别与分类。

Claims (5)

1.一种带触觉力和形状感知功能的气动软体手指，其特征在于：气动软体手指由上下两部分组成,气动软体手指的上部分为驱动器，所述的驱动器为由左右依次连接的多个梯台形空腔形成的一体式气囊,多个梯台形空腔底部相互连通，所述的气囊与气泵相连,气动软体手指的下部分包括从下至上依次设置的硅胶基体层、触觉力感知层、形状感知层和不可延展层，所述的触觉力感知层、形状感知层和不可延展层的基体均由硅胶构成，在所述的触觉力感知层内设置有粘贴在硅胶基体层顶面上且包覆在触觉力感知层硅胶基体中的多个触觉力传感器，在所述的形状感知层内设置有粘贴在触觉力感知层顶面上且包覆在形状感知层的硅胶基体中的一个薄片式弯曲传感器，在所述的不可延展层的硅胶基体中沿水平方向内嵌有网格布用于防止手指下部分的膨胀变形,所述的驱动器底部和不可延展层之间通过硅胶连接并密封。

2.根据权利要求1所述的带触觉力和形状感知功能的气动软体手指，其特征在于：所述的硅胶基体层厚度为1.2-1.8mm。

3.根据权利要求1或者2所述的带触觉力和形状感知功能的气动软体手指，其特征在于：所述的多个触觉力传感器包括阵列分布在触觉力感知层中的4-30个薄膜压力传感器。

4.根据权利要求1或者2所述的带触觉力和形状感知功能的气动软体手指，其特征在于：所述的薄片式弯曲传感器沿手指的长度方向水平设置。

5.根据权利要求1或者2所述的带触觉力和形状感知功能的气动软体手指，其特征在于：各空腔通过沿横向贯穿各空腔下部的通道相互连通，气泵与通道连通。