CN110871450B - 一种灵巧手指机构、机械手及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种灵巧手指机构、机械手及控制方法。其中灵巧手指机构包括基体，一端与基体铰接的手指，设置在手指的另一端的压力传感器，以及用于驱动手指摆动的驱动装置；驱动装置包括可沿轴向移动的滑杆，一端与手指中部铰接、另一端与滑杆铰接的连杆，以及用于驱动滑杆沿轴向移动的动力组件。机械手包括所述灵巧手指机构。控制方法包括步骤：A.接收压力施加指令后，根据弹预设的簧变形量‑压力值曲线确定与目标压力对应的目标变形量；B.根据目标变形量控制推杆移动；C.根据实测的压力值调节推杆的位置，从而使压力值在目标压力的允差范围内。该灵巧手指机构、机械手及控制方法可实时采集施加在物体上的压力数据，有利用提高施力力度控制精度。

Description

一种灵巧手指机构、机械手及控制方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种灵巧手指机构、机械手及控制方法。

背景技术

目前，在中医脉象信号采集、人体康复、按摩、理疗、柔软脆弱物体抓取（如食物、生物胚胎的抓取）等场景中应用的机械手一般为灵巧机械手，在这些应用场景中，对机械手施力力度的控制精度要求较高。

然而，现有大多数灵巧机械手的手指是采用位置闭环控制的方式来实现施力力度的控制的，主要包括两类：

第一类是通过测量被施力物体发生弹性变形时的位移作为反馈信号进行控制，这种控制方式仅适用于被施力物体为非刚体的情况，应用范围较小；

第二类是在手指尖包覆弹性层，通过测量弹性层弹性变形时的位移作为反馈信号进行控制，这种控制方式适用于被施力物体为刚体的情况，然而弹性层存在容易老化、容易疲劳变形、变形量非线性（即变形位移与力之间为非线性关系）等问题，很难实现施力力度的精确控制。

可见，现有技术有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种灵巧手指机构、机械手及控制方法，能够实时采集施加在物体上的压力数据。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种灵巧手指机构,包括基体，一端与基体铰接的手指，设置在手指的另一端的压力传感器，以及设置在基体上并用于驱动手指摆动的驱动装置；

所述驱动装置包括可沿轴向往复移动的滑杆，一端与手指中部铰接、另一端与滑杆铰接的连杆，以及用于驱动滑杆沿轴向移动的动力组件。

所述的灵巧手指机构中，所述压力传感器的敏感方向沿所述手指自由端运动的切向设置。

所述的灵巧手指机构中，所述动力组件包括用于带动所述滑杆移动的推杆，与推杆驱动连接的丝杆，以及用于驱动丝杆转动的电机。

所述的灵巧手指机构中，所述驱动装置还包括设置在滑杆与推杆之间的压缩弹簧。

所述的灵巧手指机构中，所述手指与基体之间设置有扭簧，该扭簧用于驱使滑杆压向所述压缩弹簧。

所述的灵巧手指机构中，所述驱动装置还包括用于测量所述丝杆的转动角度的角度传感器。

所述的灵巧手指机构中，所述滑杆靠近推杆的一端同轴地设置有插杆部，插杆部的长度小于所述压缩弹簧的自然长度，所述压缩弹簧套设在插杆部上。

所述的灵巧手指机构中，所述驱动装置还包括一个直线轴承，所述滑杆穿设在所述直线轴承中。

所述的灵巧手指机构中，所述驱动装置还包括一个导向套，所述推杆滑动设置在导向套中。

一种机械手，包括所述的灵巧手指机构。

一种灵巧手指机构控制方法，包括步骤：

A.接收压力施加指令后，根据预设的弹簧变形量-压力值曲线确定与目标压力对应的目标变形量；

B. 根据目标变形量控制推杆移动；

C. 根据实测的压力值调节推杆的位置，从而使压力值在目标压力的允差范围内。

所述的灵巧手指机构控制方法中，所述弹簧变形量-压力值曲线通过压力传感器和角度传感器进行标定。

有益效果：

本发明提供的一种灵巧手指机构、机械手及控制方法，通过在手指的端部设置压力传感器，可实时测量对物体施加的压力大小，当利用该测量信号作为反馈信号进行施力力度的控制时，有利于提高施力力度的控制精度。

附图说明

图1为本发明提供的灵巧手指机构的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

下文的公开提供的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参阅图1，本发明提供的一种灵巧手指机构,包括基体1，一端与基体1铰接的手指2，设置在手指2的另一端的压力传感器3，以及设置在基体1上并用于驱动手指2摆动的驱动装置A；

驱动装置A包括可沿轴向往复移动的滑杆4，一端与手指2中部铰接、另一端与滑杆4铰接的连杆5，以及用于驱动滑杆4沿轴向移动的动力组件6。

该灵巧手指机构使用时是安装在机械手（或机械臂）上的，工作时，机械手（或机械臂）带动整个灵巧手指机构移动并使指尖（即手指2设置有压力传感器3的一端）触碰或即将触碰到被施力物体，然后由动力组件6驱动滑杆4沿轴向前移，滑杆4会通过连杆5推动手指2摆动，使其指尖压向被施力物体并施加压力，此时，压力传感器3能够实时测量对物体施加的压力大小，当利用该测量信号作为反馈信号进行施力力度的控制时，有利于提高施力力度的控制精度，在中医脉象信号采集、人体康复、按摩、理疗、柔软脆弱物体抓取等应用场景中具有良好的应用前景。

本实施例中，见图1，手指2为圆弧形，但手指的形状不限于此，例如，还可以是L形、V形等。

在一些优选的实施方式中，压力传感器3的敏感方向沿手指2自由端（即指尖）运动的切向设置，即，压力传感器3的敏感方向垂直于手指2的铰接轴1.1与压力传感器3的连线。此时，施加的压力方向与压力传感器3的敏感方向平行，测量到的是正压力而非压力在某个方向上的分量，无需对测量结果进行计算变换，测量精度高，有利于提高施力力度的控制精度。

本实施例中，动力组件6包括用于带动滑杆4移动的推杆6.1，与推杆6.1驱动连接的丝杆6.2，以及用于驱动丝杆6.2转动的电机6.3。

具体的，推杆6.1同轴地设置有与丝杆6.2相适配的螺纹孔，丝杆6.2穿设在该螺纹孔中，丝杆6.2往复旋转时，可带动推杆6.1往复移动。动力组件6的结构不限于此，例如还可以使用气缸、液缸、电动伸缩杆等来驱动滑杆4移动，但是与上述使用丝杆6.2传动的方式相比，位置控制精度较低。

优选的，驱动装置A还包括设置在滑杆4与推杆6.1之间的压缩弹簧8。动作过程中，推杆6.1前移，使压缩弹簧8压缩，压缩弹簧传递至滑杆4的力逐渐增加，直到压力传感器3测得压力值达到目标值。

事实上，如果滑杆4与推杆6.1之间为刚性连接，当指尖接触到物体时，随着推杆6.1的位移的增加，在指尖处产生的压力会迅速增加（尤其是当被压物体的刚性较大时），因此，推杆6.1的位移误差将会引起指尖压力的巨大偏差，不利于提高压力控制精度；此处设置压缩弹簧8，推杆6.1的位移误差引起的弹簧力误差较小，从而在指尖处引起的压力误差较小，有利于提高压力控制精度。此外，若在施力过程中被施力物体的位置稍微发生变化，导致需要滑杆4向前移动才能保证指尖与物体可靠接触时，如果滑杆4与推杆6.1之间为刚性连接，由于电机6.3不转动时滑杆4是不动的，此时可能会导致指尖与物体分离，而此处通过压缩弹簧8可避免这种情况的发生。

进一步的，手指2与基体1之间设置有扭簧9，该扭簧9用于驱使滑杆4压向所述压缩弹簧8。具体的，扭簧9套设在铰接轴1.1上，其在手指2上产生的力矩可使手指2反向摆动，并使滑杆4往后移动，从而在推杆6.1往后复位时，滑杆4能够可靠地后移保持与压缩弹簧8接触。

在一些优选的实施方式中，驱动装置A还包括用于测量丝杆6.2的转动角度的角度传感器7。通过测得的转动角度和丝杆6.2的螺距可计算得到推杆6.1的位移，可把该位移值作为另一个反馈信号进行手指机构的动作控制，综合两个反馈信号进行闭环控制，可进一步提高控制精度。

本实施例中，见图1，角度传感器7与电机6.3的转轴连接，由于丝杆6.2与电机6.3的转轴是同步转动的，测量该转轴的转动角度即可得到丝杆6.2的转动角度。该角度传感器7可以但不限于是旋转编码器、电位计等。

以下举例说明如何综合压力信号和位移信号进行控制：

由于工作时机械手（或机械臂）带动整个灵巧手指机构移动并使指尖触碰或即将触碰到被施力物体，因此在施力过程中手指2的摆动幅度非常小，因此推杆6.1的前移量与压缩弹簧8的变形量（指相对于初始位置的变形量）基本相等；

所以可预先通过压力传感器3及角度传感器7对压缩弹簧8的形变量-压力值变化曲线进行标定（该变化曲线的实质是电机轴的转动角度与指尖处的压力之间的关系曲线），以该标定结果作为后续实施力控动作的依据，通过合理的结构设计避免压缩弹簧8的可压缩范围达到可致其发生塑性变形的变形量，防止标定的曲线发生变化；

当接收到对物体施加某压力值的指令时，电机6.3通过位置控制方式使推杆6.1移动至目标压力对应的标定位置（实质上是使电机轴转动至目标角度），可使压力值快速接近或达到目标值；该过程可对电机6.3的转动速度进行分段控制，例如先快后慢避免产生过大冲击；

然后将压力传感器3信号作为反馈进入压力控制模式，在目标有移动或变化时实时调节压力大小，实现实时控制，保持指尖与物体的压力值在目标压力的允差范围内。

在一些优选的实施方式中，滑杆4靠近推杆6.1的一端同轴地设置有插杆部4.1，插杆部4.1的长度小于压缩弹簧8的自然长度，压缩弹簧8套设在插杆部4.1上。通过插杆部4.1可防止压缩弹簧8发生弯曲。

优选的，驱动装置A还包括一个直线轴承10，滑杆4穿设在直线轴承10中，以降低摩擦。

进一步的，驱动装置A还包括一个导向套11，推杆6.1滑动设置在导向套11中。在一些实施方式中，推杆6.1为圆柱形并与导向套11键连接，以避免推杆6.1发生转动；在另一些实施方式中，推杆6.1为棱柱形，导向套11的滑孔为对应的棱柱状，以避免推杆6.1发生转动。

本发明还提供一种机械手，包括若干个灵巧手指机构。该机械手还包括控制器，灵巧手指机构的压力传感器3和角度传感器7均与控制器电性连接。反馈信号发送至控制器进行闭环控制，施力力度的控制精度高。

本发明还提供一种灵巧手指机构控制方法，包括步骤：

A.接收压力施加指令后，根据预设的弹簧变形量-压力值曲线确定与目标压力对应的目标变形量。

该弹簧变形量-压力值曲线可通过压力传感器3和角度传感器7进行标定，具体过程为：

先使指尖接触到刚性物体，然后按照预设的步长驱动推杆步进式前移，并记录每一步推杆6.1相对于初始位置的位移量和压力传感器3测得的压力值；最后通过拟合得到推杆位移量-压力值曲线；由于在灵巧手指机构施力前，其整体会移动至指尖与物体接触或即将接触的位置，因此推杆位移量与压缩弹簧8的变形量基本相等，因此该推杆位移量-压力值曲线即为弹簧变形量-压力值曲线。

其中，推杆是通过电机6.3驱动丝杆6.2转动从而带动其移动的，通过角度传感器7实时测量电机轴的转动角度，并根据丝杆6.2的螺距可实时计算得到推杆的位移量。

B.根据目标变形量控制推杆移动。

具体为，以目标变形量作为推杆6.1的目标位移量，并根据目标位移量计算需要电机转动的目标角度，然后控制电机转动，当角度传感器7测得转动角度为目标角度时停止转动。

在一些优选实施方式中，对推杆的移动速度进行先快后慢的分段控制；例如，把移动过程按预设的比例分为两段，在第一段中以一较快的速度移动，在第二段中一较慢的速度移动。这样不但能够保证施力的快速性，还能够避免产生过大冲击。

C.根据实测的压力值调节推杆的位置，从而使压力值在目标压力的允差范围内。

当推杆按照上述步骤完成移动后，实际的施力大小可能会与目标压力之间有偏差，若压力偏小则控制推杆前移直到测得的压力值在目标压力的允差范围内，若压力偏大则控制推杆后移直到测得的压力值在目标压力的允差范围内。

此外，当压力值达到了目标压力的允差范围内后，在持续施力的过程中，物体可能有移动，此时，压力传感器3会实时检测到压力变化情况，可根据该变化情况实时控制推杆作出相应的移动，从而保持压力在允差范围内。

其中，允差范围可以是预设的绝对范围，或者预设的比例范围，或者绝对范围和比例范围中的较小范围。

例如，允差范围取绝对范围（a-0.1N）～（a＋0.1N），其中a为目标压力值；

例如，允差范围取比例范围（1-1%）a～（1+1%）a，其中a为目标压力值；

例如，允差范围取绝对范围和比例范围中的较小范围，其中绝对范围是（a-0.1N）～（a＋0.1N），比例范围是（1-1%）a～（1+1%）a，当1%a≥0.1N时，允差范围是（a-0.1N）～（a＋0.1N），当1%a<0.1N时，允差范围是（1-1%）a～（1+1%）a。

该控制方法中，通过把位移量（实质是转动角度）和实测压力共同作为反馈信号进行施力控制，不但响应速度快，而且施力控制精度高。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，其方案与本发明实质上相同。

Claims (1)

1.一种灵巧手指机构控制方法，其特征在于，基于灵巧手指机构，所述灵巧手指机构包括基体，一端与基体铰接的手指，设置在手指的另一端的压力传感器，以及设置在基体上并用于驱动手指摆动的驱动装置；

所述驱动装置包括可沿轴向往复移动的滑杆，一端与手指中部铰接、另一端与滑杆铰接的连杆，以及用于驱动滑杆沿轴向移动的动力组件；

所述动力组件包括用于带动所述滑杆移动的推杆，与推杆驱动连接的丝杆，以及用于驱动丝杆转动的电机；

所述驱动装置还包括设置在滑杆与推杆之间的压缩弹簧；

所述手指用于以指尖向被施力物体施加压力，所述指尖是指所述手指的设置有所述压力传感器的一端；

所述压力传感器的敏感方向垂直于手指的铰接轴与压力传感器的连线；

所述手指与基体之间设置有扭簧，该扭簧用于驱使滑杆压向所述压缩弹簧；

所述驱动装置还包括用于测量所述丝杆的转动角度的角度传感器；

所述灵巧手指机构控制方法包括步骤：

A.接收压力施加指令后，根据预设的弹簧变形量-压力值曲线确定与目标压力对应的目标变形量；

B. 根据目标变形量控制推杆移动；

C. 根据实测的压力值调节推杆的位置，从而使压力值在目标压力的允差范围内；

所述弹簧变形量-压力值曲线通过压力传感器和角度传感器进行标定；标定过程为：

先使指尖接触到刚性物体，然后按照预设的步长驱动推杆步进式前移，并记录每一步推杆相对于初始位置的位移量和压力传感器测得的压力值；最后通过拟合得到推杆位移量-压力值曲线；把推杆位移量-压力值曲线作为弹簧变形量-压力值曲线。

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