CN111844095B - 测距获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的方法与结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测距获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的方法与结构，属于机器人、自动化技术领域，可用于农产品采摘、食品分拣与输送、工业品上下料抓取、商品物流包装等行业。柔性机械手抓持状态取决于机械手高度h、主动关节的指根节角位移α、主动关节的指尖节角位移θ、中指节角位移β这四个控制参数，主动关节的指根节角位移α、主动关节的指尖节角位移θ均通过电机编码器间接获得，机械手高度h从机械臂参数获得，并借助于深度相机或非接触测距传感器测得中指节角位移β后，通过柔性机械手的几何方程、静力学方程与变形协调方程可判别柔性机械手抓持状态，从而控制抓取过程与最终抓取位姿，满足软硬韧脆物体的可靠抓取功能。

Description

测距获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的方法与结构

技术领域

本发明涉及机器人、自动化应用技术领域，尤其是一种测距获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的方法与结构，可用于农产品采摘、食品分拣与输送、工业品上下料抓取、商品物流包装等行业。

背景技术

欠驱动机械手是指驱动元件个数小于自由度数目的多指节机械手，因其对被抓取形状能够被动自适应，且驱动元件少，故此抓取范围广泛、控制简单、出力大、负载能力好。

目前欠驱动机械手多采用连杆传动或腱传动方式，连杆方式负载能力强，但由于连杆自身的干涉，其有效工作空间受到限制；腱传动多采用绳驱动方式，自由度高，灵活性强，但有效负载较小。此外，采用前述传动方案的欠驱动机械手的欠驱动环节与两主动环节有相关关系，即欠驱动环节的角度一直会受到两主动环节角度的影响，不能只考虑目标物体外形影响，因此其状态判断、姿态解析较为复杂，因此无法根据实际状态进行调整。

此外，“一种软轴传动的刚柔耦合手指四指欠驱动机械手”的专利申请(申请号：202010021685.3)，提出了一种欠驱动“柔性机械手”的方案，该申请的所有四指的指根节转动(靠连杆机构驱动)、指尖节转动均为主动关节(靠软轴驱动)，而中指节为被动关节，是带预紧扭弹簧中指节铰链，根据机械手抓取位姿与接触力状态而变化；同时，该申请没有说明欠驱动“柔性机械手”既可捏取、有可包络抓取的二种抓取方式技术特征，更没有提及二种抓取方式下，被抓物体与机械手抓取位姿、接触力状态的检测与判断方法。

发明内容

本申请人针对上述现有技术中的缺点，提出了一种测距获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的方法与结构，而不仅仅是在中指节被动关节上装有角位移传感器的常规做法，能够实现柔性机械手的可靠抓取。测距获取角位移的方法，手指部分没有电传感元件，可靠性高，对工况要求低。

本发明所采用的技术方案如下：

测距获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的方法，基于的基本结构为柔性机械手，所述柔性机械手包括顶板，顶板下表面连接有至少两组柔性手指，所述至少两组柔性手指沿圆周方向均匀分布；

每组柔性手指的结构包括指根节、中指节和指尖节，所述指根节一端通过指根节铰链一O与顶板连接，另一端通过带预紧扭弹簧中指节铰链A与中指节的一端连接，中指节的另一端通过指尖节铰链B与指尖节连接；指根节铰链一O、指尖节铰链B是有驱动的主动关节、带预紧扭弹簧中指节铰链A是无驱动的被动关节，带预紧扭弹簧中指节铰链A上设置有扭弹簧，其二端分别固定在指根节与中指节上并预紧，中指节在预紧位置只能逆时针向掌心外转动；

柔性机械手的抓持状态的判别取决于机械手高度h、主动关节的指根节角位移α、主动关节的指尖节角位移θ、中指节角位移β这四个控制参数，主动关节的指根节角位移α、主动关节的指尖节角位移θ均通过电机编码器间接获得，机械手高度h从机械臂参数获得，测得中指节角位移β后，通过柔性机械手的几何方程、静力学方程与变形协调方程从而判别柔性机械手抓持状态；

中指节角位移β的测量采用直接测量或间接测量得出；

对于定位的确定被抓物体，柔性机械手的抓持状态是指：捏取与包络抓取的二种抓取方式、以及抓取位姿与接触力状态；

捏取与包络抓取的二种抓取方式的选择方法是：

在指尖节接触面贴橡胶，包络抓取优先；平面接触捏取其次，线接触与点接触捏取尚可，掐取最后；因此，具体是：

球体、横卧的圆柱体与椭球体，机械手垂直包络抓取；

斜置的圆柱体与椭球体，机械手斜向包络抓取；

竖直的圆柱体，机械手水平包络抓取；

捏取是机械手垂直抓取为主、水平抓取为辅；

机械手的指尖节平面接触长方体是平面接触捏取，而指尖节的末端接触长方体是掐取；

指尖节捏取横卧或竖直的圆柱体是线接触捏取，指尖节捏取球体、椭球体是点接触捏取，指尖节的末端接触竖直的圆柱体是掐取；

柔性机械手的抓取位姿有七种：初始状态、无接触的接近过程、接触瞬时状态、物体静止的接触加载过程、物体运动的抓持过程、物体悬停的抓持状态、释放过程。

其进一步技术方案：

柔性机械手的抓取位姿有七种，具体是：

①初始状态：指根节与中指节处在预紧扭弹簧的限制位置、中指节角位移β不变，检测机械臂的机械手高度h、指根节的指根节角位移α、指尖节的指尖节角位移θ，达到初始位置；

②无接触的接近过程：机械臂的机械手高度h不变、中指节角位移β不变，指根节与指尖节协同顺时针转动，指尖节、中指节渐渐靠近被抓物体，开始测量中指节角位移β；

③接触瞬时状态：中指节角位移β突变，通过柔性机械手的几何方程、静力学方程与变形协调方程，可判别是指尖节还是中指节瞬间接触被抓物体；

④物体静止的接触加载过程：根据捏取还是包络抓取的策略，指根节与指尖节协同转动调节，中指节克服扭弹簧扭矩、逆时针转动，中指节角位移β不断变小，接触力的状态不断变化，并通过柔性机械手的几何方程、静力学方程与变形协调方程得到接触力状态，直到静态最大接触力；其中接触力为机械手与物体间的接触力，接触力的状态参数包括接触力的作用点、大小、方向；

⑤物体运动的抓持过程：被抓物体向上运动、瞬时脱离支撑面，中指节角位移β突变，指根节与指尖节协同、均顺时针转动，扭弹簧扭矩增大从而增加接触力；运动过程加速，同样指根节与指尖节协同、均顺时针转动，中指节角位移β不断变小，中指节克服扭弹簧3扭矩、逆时针转动，扭弹簧扭矩增大从而增加接触力；

⑥物体悬停的抓持状态：指根节与指尖节均不转动，中指节角位移β不变化，靠扭弹簧扭矩抓持物体；

⑦释放过程；指根节与指尖节均逆时针转动，中指节角位移β变大；然后指根节与中指节处在预紧扭弹簧限制位置，中指节角位移β不再变化。

优选地，第一种实施角位移传感器直接获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的结构：

所述柔性机械手包括顶板，顶板下表面连接有至少两组柔性手指，所述至少两组柔性手指沿圆周方向均匀分布；

每组柔性手指的结构包括指根节、中指节和指尖节，所述指根节一端通过指根节铰链一O与顶板连接，另一端通过带预紧扭弹簧中指节铰链A与中指节的一端连接，中指节的另一端通过指尖节铰链B与指尖节连接；指根节铰链一O、指尖节铰链B是有驱动的主动关节、带预紧扭弹簧中指节铰链A是无驱动的被动关节，带预紧扭弹簧中指节铰链A上设置有扭弹簧，其二端分别固定在指根节与中指节上并预紧，中指节在预紧位置只能逆时针向掌心外转动；

带预紧扭弹簧中指节铰链A处安装有角位移传感器；

通过安装在任一手指上带预紧扭弹簧中指节铰链A处的角位移传感器，直接测得中指节角位移β。

优选地，第二种实施深度相机测距、间接获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的结构：

所述柔性机械手包括顶板，顶板下表面连接有至少两组柔性手指，所述至少两组柔性手指沿圆周方向均匀分布；

每组柔性手指的结构包括指根节、中指节和指尖节，所述指根节一端通过指根节铰链一O与顶板连接，另一端通过带预紧扭弹簧中指节铰链A与中指节的一端连接，中指节的另一端通过指尖节铰链B与指尖节连接；指根节铰链一O、指尖节铰链B是有驱动的主动关节、带预紧扭弹簧中指节铰链A是无驱动的被动关节，带预紧扭弹簧中指节铰链A上设置有扭弹簧，其二端分别固定在指根节与中指节上并预紧，中指节在预紧位置只能逆时针向掌心外转动；

在所述顶板上装有深度相机，通过深度相机读取被抓物体信息和定位物体；

并且在深度相机所测距的一组柔性手指的结构还包括指根四杆机构与中指四杆机构，所述指根四杆机构的结构包括顶板、指根节、共用连杆和外连杆，所述外连杆一端通过指根节铰链二H与顶板连接，另一端与所述共用连杆一端铰接，共用连杆另一端通过所述带预紧扭弹簧中指节铰链A与指根节连接；所述中指四杆机构的结构包括固定连接在中指节中部的座铰链D，座铰链D与第一中连杆一端连接，第一中连杆另一端与第二中连杆一端铰接，第二中连杆另一端与所述共用连杆及外连杆的端部同时铰接于一点；指根节铰链一O与指根节铰链二H间隔设置在顶板底部；指根四杆机构与中指四杆机构共同利用所述共用连杆，指根四杆机构中主动杆是指根节，中指四杆机构中主动杆是中指节上位于带预紧扭弹簧中指节铰链A与座铰链D之间部分的杆，座铰链D固定在中指节上，第二中连杆上连接有短横杆，其末端有深度相机的标识点G；标识点G在平面内运动，因此深度相机在线状区域取图与识别、以达到高速度；

指根四杆机构与中指四杆机构，构成针对中指节角位移β的角位移缩小机构，保证在机械手高度h、主动关节的指根节角位移α、主动关节的指尖节角位移θ的工作范围内，标识点G在深度相机的视角范围内；

深度相机测得标识点G的距离，再有：通过几何方程计算后得到中指节角位移β，或者在带预紧扭弹簧中指节铰链A上装有高精度角位移传感器，通过高精度角位移传感器标定的距离-中指节角位移β曲线直接得出，然后实际应用时拆除高精度角位移传感器，即中指节角位移β是根据深度相机测得标识点G的距离而间接得出。

进一步地，深度相机的标识点G是外嵌第二中连杆的上的短横杆末端上表面的微球体或其横杆端部上表面上凸起的十字线或其横杆端部上表面上凹的十字线，便于光线反射而被拍摄。

优选地，第三种实施非接触测距传感器测距、间接获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的结构：

所述柔性机械手包括顶板，顶板下表面连接有至少两组柔性手指，所述至少两组柔性手指沿圆周方向均匀分布；

每组柔性手指的结构包括指根节、中指节和指尖节，所述指根节一端通过指根节铰链一O与顶板连接，另一端通过带预紧扭弹簧中指节铰链A与中指节的一端连接，中指节的另一端通过指尖节铰链B与指尖节连接；指根节铰链一O、指尖节铰链B是有驱动的主动关节、带预紧扭弹簧中指节铰链A是无驱动的被动关节，带预紧扭弹簧中指节铰链A上设置有扭弹簧，其二端分别固定在指根节与中指节上并预紧，中指节在预紧位置只能逆时针向掌心外转动；

在所述顶板上装有非接触测距传感器；并且在非接触测距传感器所测距的一组柔性手指的结构还包括中指节上连接长横杆，长横杆的长度保证在机械手高度h、主动关节的指根节角位移α、主动关节的指尖节角位移θ的工作范围内，非接触测距传感器均可测量；

非接触测距传感器测量得出中指节上的长横杆上某一点在非接触测距传感器方向上的距离，再有：通过几何方程计算后得到中指节角位移β，或者在带预紧扭弹簧中指节铰链A上装有高精度角位移传感器，通过高精度角位移传感器标定的距离-中指节角位移β曲线直接得出，然后实际应用时拆除高精度角位移传感器，即中指节角位移β是根据非接触测距传感器的测得距离而间接得出。

进一步地，所述非接触测距传感器为激光测距传感器、超声波测距传感器、红外线测距传感器、24GHZ雷达传感器。

本发明的有益效果如下：

通过机械手高度h、主动关节的指根节角位移α、主动关节的指尖节角位移θ、中指节角位移β这四个控制参数，给出了判别“柔性机械手”抓持状态的方法，其中抓持状态是捏取与可包络抓取的二种抓取方式、以及抓取位姿与接触力状态；

针对具体被抓物体形状、具体放置状态的应用状况下，明确了“柔性机械手”的二种抓取方式的选择方法；明确了“柔性机械手”的抓取位姿有七种：初始状态、无接触的接近过程、接触瞬时状态、物体静止的接触加载过程、物体运动的抓持过程、物体悬停的抓持状态、释放过程；

在物体静止的接触加载过程、物体运动的抓持过程、物体悬停的抓持状态，欠驱动机械手接触力的作用点、大小、方向是不变，而欠驱动“柔性机械手”接触力的作用点、大小、方向是变化的；针对软硬、韧脆的抓取对象，为接触力分析与控制提供了基础，为冲击损坏的评估与控制提供了基础；

柔性手指上没有传感元件，通过测距获取中指节角位移β，进行状态分析与控制，机械手工况要求低、可靠性高。

附图说明

图1为本发明采用测距获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的方法所基于的柔性机械手的基本结构原理图。

图2为本发明采用深度相机测距获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的结构原理图。

图3为本发明采用非接触测距传感器测距获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的结构原理图。

图4为本发明采用角位移传感器直接获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的结构原理图。

图5为本发明采用深度相机判别柔性机械手包络抓取球体或水平放置圆柱体的状态图。

图6为本发明采用非接触测距传感器判别柔性机械手包络抓取球体或水平放置圆柱体的状态图。

图7为本发明采用非接触测距传感器判别柔性机械手捏取球体或水平放置圆柱体的状态图。

图8为本发明采用非接触测距传感器判别柔性机械手捏取长方体或垂直放置圆柱体的状态图。

其中：1、深度相机；2、非接触测距传感器；3、扭弹簧；5、角位移传感器；8、短横杆；9、长横杆；10、顶板；41、指根节；42、中指节；43、指尖节；61、共用连杆；62、外连杆；71、第一中连杆；72、第二中连杆。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本实施例的测距获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的方法：

基于一个基本的柔性机械结构，柔性机械手包括顶板10，顶板10下表面连接有至少两组柔性手指，至少两组柔性手指沿圆周方向均匀分布；每组柔性手指的结构包括指根节41、中指节42和指尖节43，指根节41一端通过指根节铰链一O与顶板10连接，另一端通过带预紧扭弹簧中指节铰链A与中指节42的一端连接，中指节42的另一端通过指尖节铰链B与指尖节43连接；指根节铰链一O、指尖节铰链B是有驱动(如采用软轴驱动)的主动关节、带预紧扭弹簧中指节铰链A是无驱动的被动关节，带预紧扭弹簧中指节铰链A上设置有扭弹簧3，其二端分别固定在指根节41与中指节42上并预紧，中指节42在预紧位置只能逆时针向掌心外转动；

柔性机械手的抓持状态的判别取决于如图1中所标示出的：机械手高度h、主动关节的指根节角位移α、主动关节的指尖节角位移θ、中指节角位移β这四个控制参数，图中机械手高度h表示：被抓取物体支撑面到顶板10的距离；指根节角位移α表示：指根节41绕指根节铰链O相对于顶板10转动的角度；指尖节角位移θ表示：指尖节43绕指尖节铰链B相对于中指节42转动的角度；中指节角位移β表示：中指节42绕带预紧扭弹簧中指节铰链A相对于指根节41转动的角度；

主动关节的指根节角位移α、主动关节的指尖节角位移θ均可通过电机编码器间接测量获得，机械手高度h从机械臂参数获得，中指节角位移β的测量采用直接测量或间接测量得出；测得中指节角位移β后，通过柔性机械手的几何方程、静力学方程与变形协调方程从而判别柔性机械手抓持状态；

对于定位的确定被抓物体(图中双点画线表示)，柔性机械手的抓持状态是指：捏取(如图7、8所示)与包络抓取(如图1-6所示)的二种抓取方式、以及抓取位姿与接触力状态；

捏取与包络抓取的二种抓取方式的选择方法是：

在指尖节43接触面贴橡胶，包络抓取优先；平面接触捏取其次，线接触与点接触捏取尚可，掐取最后；因此，具体是：

球体、横卧的圆柱体与椭球体，机械手垂直包络抓取；

斜置的圆柱体与椭球体，机械手斜向包络抓取；

竖直的圆柱体，机械手水平包络抓取；

捏取是机械手垂直抓取为主、水平抓取为辅；

机械手的指尖节43平面接触长方体是平面接触捏取，而指尖节43的末端接触长方体是掐取；

指尖节43捏取横卧或竖直的圆柱体是线接触捏取，指尖节43捏取球体、椭球体是点接触捏取，指尖节43的末端接触竖直的圆柱体是掐取；

柔性机械手的抓取位姿有七种：初始状态、无接触的接近过程、接触瞬时状态、物体静止的接触加载过程、物体运动的抓持过程、物体悬停的抓持状态、释放过程。

进一步地，柔性机械手的抓取位姿有七种，具体是：

①初始状态：指根节41与中指节42处在预紧扭弹簧3的限制位置、中指节角位移β不变，检测机械臂的机械手高度h、指根节41的指根节角位移α、指尖节43的指尖节角位移θ，达到初始位置；

②无接触的接近过程：机械臂的机械手高度h不变、中指节角位移β不变，指根节41与指尖节43协同顺时针转动，指尖节43、中指节42渐渐靠近被抓物体，开始测量中指节角位移β；

③接触瞬时状态：中指节角位移β突变，通过柔性机械手的几何方程、静力学方程与变形协调方程，可判别是指尖节43还是中指节42瞬间接触被抓物体；

④物体静止的接触加载过程：根据捏取还是包络抓取的策略，指根节41与指尖节43协同转动调节，中指节42克服扭弹簧3扭矩、逆时针转动，中指节角位移β不断变小，接触力的状态不断变化，并通过柔性机械手的几何方程、静力学方程与变形协调方程得到接触力状态，直到静态最大接触力；其中接触力为机械手与物体间的接触力，接触力的状态参数包括接触力的作用点、大小、方向；

⑤物体运动的抓持过程：被抓物体向上运动、瞬时脱离支撑面，中指节角位移β突变，指根节41与指尖节43协同、均顺时针转动，扭弹簧3扭矩增大从而增加接触力；运动过程加速，同样指根节41与指尖节43协同、均顺时针转动，中指节角位移β不断变小，中指节42克服扭弹簧3扭矩、逆时针转动，扭弹簧3扭矩增大从而增加接触力；

⑥物体悬停的抓持状态：指根节41与指尖节43均不转动，中指节角位移β不变化，靠扭弹簧3扭矩抓持物体；

⑦释放过程；指根节41与指尖节43均逆时针转动，中指节角位移β变大；然后指根节41与中指节42处在预紧扭弹簧限制位置，中指节角位移β不再变化。

实现上述测距获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的方法的测距获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的三种结构：

实施例一：

如图4所示，柔性机械手包括顶板10，顶板10下表面连接有至少两组柔性手指，至少两组柔性手指沿圆周方向均匀分布；

每组柔性手指的结构包括指根节41、中指节42和指尖节43，指根节41一端通过指根节铰链一O与顶板10连接，另一端通过带预紧扭弹簧中指节铰链A与中指节42的一端连接，中指节42的另一端通过指尖节铰链B与指尖节43连接；指根节铰链一O、指尖节铰链B是有驱动(如采用软轴驱动)的主动关节、带预紧扭弹簧中指节铰链A是无驱动的被动关节，带预紧扭弹簧中指节铰链A上设置有扭弹簧3，其二端分别固定在指根节41与中指节42上并预紧，中指节42在预紧位置只能逆时针向掌心外转动；

带预紧扭弹簧中指节铰链A处安装有角位移传感器5；

通过安装在任一手指上带预紧扭弹簧中指节铰链A处的角位移传感器5，直接测得中指节角位移β。

实施例二：

如图2、图5所示，柔性机械手包括顶板10，顶板10下表面连接有至少两组柔性手指，至少两组柔性手指沿圆周方向均匀分布；

每组柔性手指的结构包括指根节41、中指节42和指尖节43，指根节41一端通过指根节铰链一O与顶板10连接，另一端通过带预紧扭弹簧中指节铰链A与中指节42的一端连接，中指节42的另一端通过指尖节铰链B与指尖节43连接；指根节铰链一O、指尖节铰链B是有驱动(如采用软轴驱动)的主动关节、带预紧扭弹簧中指节铰链A是无驱动的被动关节，带预紧扭弹簧中指节铰链A上设置有扭弹簧3，其二端分别固定在指根节41与中指节42上并预紧，中指节42在预紧位置只能逆时针向掌心外转动；

在顶板10上装有深度相机1，通过深度相机1读取被抓物体信息和定位物体；

并且在深度相机1所测距的一组柔性手指的结构还包括指根四杆机构与中指四杆机构，指根四杆机构的结构包括顶板10、指根节41、共用连杆61和外连杆62，外连杆62一端通过指根节铰链二H与顶板10连接，另一端与共用连杆61一端铰接，共用连杆61另一端通过带预紧扭弹簧中指节铰链A与指根节41连接；中指四杆机构的结构包括固定连接在中指节42中部的座铰链D，座铰链D与第一中连杆71一端连接，第一中连杆71另一端与第二中连杆72一端铰接，第二中连杆72另一端与共用连杆61及外连杆62的端部同时铰接于一点；指根节铰链一O与指根节铰链二H间隔设置在顶板10底部；指根四杆机构与中指四杆机构共同利用共用连杆61，指根四杆机构中主动杆是指根节41，中指四杆机构中主动杆是中指节上位于带预紧扭弹簧中指节铰链A与座铰链D之间部分的杆，座铰链D固定在中指节42上，第二中连杆72上连接有短横杆8，其末端有深度相机1的标识点G；标识点G在平面内运动，因此深度相机1在线状区域取图与识别、以达到高速度；

指根四杆机构与中指四杆机构，构成针对中指节角位移β的角位移缩小机构，保证在机械手高度h、主动关节的指根节角位移α、主动关节的指尖节角位移θ的工作范围内，标识点G在深度相机1的视角范围内；

深度相机1测得标识点G的距离，再有：通过几何方程计算后得到中指节角位移β，或者在带预紧扭弹簧中指节铰链A上装有高精度角位移传感器，通过高精度角位移传感器标定的距离-中指节角位移β曲线直接得出，然后实际应用时拆除高精度角位移传感器，即中指节角位移β是根据深度相机1测得标识点G的距离而间接得出。

进一步地，深度相机1的标识点G是外嵌第二中连杆72的上的短横杆8末端上表面的微球体或其横杆端部上表面上凸起的十字线或其横杆端部上表面上凹的十字线，便于光线反射而被拍摄。

实施例三：

如图3、图6-图8所示，柔性机械手包括顶板10，顶板10下表面连接有至少两组柔性手指，至少两组柔性手指沿圆周方向均匀分布；

每组柔性手指的结构包括指根节41、中指节42和指尖节43，指根节41一端通过指根节铰链一O与顶板10连接，另一端通过带预紧扭弹簧中指节铰链A与中指节42的一端连接，中指节42的另一端通过指尖节铰链B与指尖节43连接；指根节铰链一O、指尖节铰链B是有驱动(如采用软轴驱动)的主动关节、带预紧扭弹簧中指节铰链A是无驱动的被动关节，带预紧扭弹簧中指节铰链A上设置有扭弹簧3，其二端分别固定在指根节41与中指节42上并预紧，中指节42在预紧位置只能逆时针向掌心外转动；在顶板10上装有非接触测距传感器2；并且在非接触测距传感器2所测距的一组柔性手指的结构还包括中指节42上连接长横杆9，长横杆9的长度保证在机械手高度h、主动关节的指根节角位移α、主动关节的指尖节角位移θ的工作范围内，非接触测距传感器2均可测量；

非接触测距传感器2测量得出中指节42上的长横杆9上某一点在非接触测距传感器2方向上的距离，再有：通过几何方程计算后得到中指节角位移β，或者在带预紧扭弹簧中指节铰链A上装有高精度角位移传感器，通过高精度角位移传感器标定的距离-中指节角位移β曲线直接得出，然后实际应用时拆除高精度角位移传感器，即中指节角位移β是根据非接触测距传感器2的测得距离而间接得出。

非接触测距传感器2为激光测距传感器、超声波测距传感器、红外线测距传感器、24GHZ雷达传感器。

文中“高精度角位移传感器”与“角位移传感器5”均可通过市售取得，其区别：“角位移传感器5”为具有特定功能传感器的统称，安装后不拆除，机械手工作时一直使用；“高精度角位移传感器”特指标定时用到的一种高精度传感器，安装后进行标定，然后拆除，机械手工作时不使用。

本发明的构思如下：

本发明申请请求保护一种判别柔性机械手爪的抓取状态的方法，该方法对如图1所示的柔性机械手结构进行抓取状态的判别，具体涉及捏取与包络抓取的二种抓取方式的选择过程及抓取位姿的分类控制判断方法，核心是围绕中指节角位移β的测量方式，为了得到中指节角位移β，采用三种不同的测量结构：

第一种：如图4所示，手指上装角位移传感器5，直接测量中指节42相对于指根节41的中指节角位移β后，通过柔性机械手的几何方程、静力学方程与变形协调方程可判别柔性机械手抓持状态，该种结构不太适合于对潮湿物体的抓取。

第二种：如图2、5所示，为了满足使用潮湿物体抓取需求，避免手指部位安装传感器部件，在图1的结构基础上，在顶板10上安装深度相机1，通过指根四杆机构与中指四杆机构及短横杆8设置深度相机1的标识点G，指根四杆机构与中指四杆机构，构成针对中指节角位移β的角位移缩小机构，保证在机械手高度h、主动关节的指根节角位移α、主动关节的指尖节角位移θ的工作范围内，标识点G在深度相机1的视角范围内；深度相机1测得标识点G的距离，再有：通过几何方程计算后得到中指节角位移β，或者在带预紧扭弹簧中指节铰链A上装有高精度角位移传感器，通过高精度角位移传感器标定的距离-中指节角位移β曲线直接得出，然后实际应用时拆除高精度角位移传感器，即中指节角位移β是根据深度相机1测得标识点G的距离而间接得出。

第三种：如图3、图6-图8所示，在图1的结构基础上，顶板10上连接非接触测距传感器2，并且在非接触测距传感器2所测距的一组柔性手指的结构还包括中指节42上连接长横杆9，长横杆9的长度保证在机械手高度h、主动关节的指根节角位移α、主动关节的指尖节角位移θ的工作范围内，非接触测距传感器2均可测量；非接触测距传感器2测量得出中指节42上的长横杆9上某一点在非接触测距传感器2方向上的距离，再有：通过几何方程计算后得到中指节角位移β，或者在带预紧扭弹簧中指节铰链A上装有高精度角位移传感器，通过高精度角位移传感器标定的距离-中指节角位移β曲线直接得出，然后实际应用时拆除高精度角位移传感器，即中指节角位移β是根据非接触测距传感器2的测得距离而间接得出。

本发明在具体实施过程中工作过程及原理：

机械手抓取通常采用SLAM(同步定位与建图)，数据处理使得实时性差。“柔性机械手”因为其手指不是刚性骨架而是刚柔耦合骨架，靠弹性元件的变形实施抓取，实时性要求较低，深度相机1是测量深度相机标识点G的距离，深度相机标识点G是唯一的，在近距离(<500mm)的精度0.05mm、以及帧数60fps，标识点G在平面内运动为一条曲线，不同位置的标识点G相对于深度相机1的距离因角度不同，通过高精度角位移传感器进行标定、插值形成高精度的距离-中指节角位移β曲线。因此深度相机1在线状区域取图与识别达到高速度，换算成角位移精度和采样频率，能满足“柔性机械手”中指节角位移β的检测要求；同时深度相机1获取被抓物体形状与定位的信息，可以实现机械手的自主抓取功能。

非接触测距传感器2测量得出中指节AB(此处中指节AB根据图上相应铰链节点的相应标号来命名，与“中指节42”含义相同，为方便说明，下文以类似方式命名)上长杆在非接触测距传感器2方向上的距离，如激光测距传感器，就是激光方向指向中指节AB上长杆上光斑点，这个光斑点在中指节AB上长杆上的位置是变化的，通过高精度角位移传感器进行标定、插值形成高精度的距离-中指节角位移β曲线；其他原理的非接触测距传感器2，也是通过某种物质的发射与接受来判断其距离的远近；非接触测距传感器2换算成角位移精度和采样频率，更好满足“柔性机械手”中指节角位移β的检测要求。

对于定位的确定被抓物体，其抓持状态是捏取与可包络抓取的二种抓取方式、以及抓取位姿与接触力状态；其中“柔性机械手”的抓取位姿有七种：初始状态、无接触的接近过程、接触瞬时状态、物体静止的接触加载过程、物体运动的抓持过程、物体悬停的抓持状态、释放过程；“柔性机械手”抓持状态取决于机械手高度h、主动关节的指根节角位移α、主动关节的指尖节角位移θ、中指节角位移β这四个控制参数，主动关节的指根节角位移α、主动关节的指尖节角位移θ均通过电机编码器间接获得，机械手高度h从机械臂参数获得，测得中指节角位移β后，通过“柔性机械手”的几何方程、静力学方程与变形协调方程可判别“柔性机械手”抓持状态。

如附图4所示，在中指节AB的被动关节，即在带预紧扭弹簧中指节铰链A上装有角位移传感器，直接检测得到中指节角位移β；

或者中指节角位移β测量结构如附图2所示，柔性手指OABC的三个指节分别是指根节OA、中指节AB、指尖节BC，指根节铰链O、指尖节铰链B是主动关节、带预紧扭弹簧中指节铰链A是被动关节，扭弹簧3的二端分别固定在指根节OA与中指节AB上并预紧，中指节AB在预紧位置只能逆时针转动；指根四杆机构OAFH与中指四杆机构ADEF共同利用连杆AF，指根四杆机构OAFH中主动杆是杆OA，中指四杆机构ADEF中主动杆是杆AD，座铰链D固定在中指节AB上，连杆EF上固定了深度相机1的标识点G，深度相机1测得标识点G的距离，通过几何方程得到中指节角位移β，或者通过高精度角位移传感器标定的距离-中指节角位移β曲线直接得出；标识点G在平面内运动，因此深度相机1在线状区域取图与识别、以达到高速度；指根四杆机构OAFH与中指四杆机构ADEF，构成针对中指节角位移β的角位移缩小机构，保证在机械手高度h、主动关节的指根节角位移α、主动关节的指尖节角位移θ的工作范围内，标识点G在深度相机1的视角范围内；

或者中指节角位移β测量结构如附图3所示，柔性手指OABC的三个指节分别是指根节OA、中指节AB、指尖节BC，指根节铰链O、指尖节铰链B是主动关节、带预紧扭弹簧中指节铰链A是被动关节，扭弹簧3的二端分别固定在指根节OA与中指节AB上并预紧，中指节AB在预紧位置只能逆时针转动；中指节AB上一体的长杆随中指节AB运动，非接触测距传感器2测量得出中指节AB上长杆在非接触测距传感器2方向上的距离，通过几何方程得到中指节角位移β，或者通过高精度角位移传感器标定的距离-中指节角位移β曲线直接得出；中指节AB上长杆的长度，保证在机械手高度h、主动关节的指根节角位移α、主动关节的指尖节角位移θ的工作范围内，非接触测距传感器2均可测量。

如图1-8所示，在柔性机械手与机械臂的操作示教过程中，通过测量中指节角位移β、分析抓持状态，并通过人工智能的深度学习算法，但不进行复杂的动力学计算，从而更快、更好地完成施教效果。

七种抓取位姿实际上反应了七种中指节角位移β与“柔性机械手”抓持状态的关系：

①初始状态：读取被抓物体信息，深度相机1定位物体，指根节OA与中指节AB处在预紧扭弹簧限制位置、中指节角位移β不变，检测机械臂的机械手高度h、指根节OA的指根节角位移α、指尖节BC的指尖节角位移θ，达到初始位置；

②无接触的接近过程：机械臂的机械手高度h不变、中指节角位移β不变，指根节OA与指尖节BC协同顺时针转动，指尖节BC、中指节AB渐渐靠近被抓物体，开始测量中指节角位移β；

③接触瞬时状态：中指节角位移β突变，通过“柔性机械手”的几何方程、静力学方程与变形协调方程，可判别是指尖节BC还是中指节AB瞬间接触被抓物体；

④物体静止的接触加载过程：根据捏取还是包络抓取的策略，指根节OA与指尖节BC协同转动调节，中指节AB克服扭弹簧3扭矩、逆时针转动，中指节角位移β不断变小，接触力的状态(作用点、大小、方向)不断变化，并通过“柔性机械手”的几何方程、静力学方程与变形协调方程得到接触力状态，直到静态最大接触力；

⑤物体运动的抓持过程：被抓物体向上运动、瞬时脱离支撑面，中指节角位移β突变，指根节OA与指尖节BC协同、均顺时针转动，扭弹簧3扭矩增大从而增加接触力；运动过程加速，同样指根节OA与指尖节BC协同、均顺时针转动，中指节角位移β不断变小，中指节AB克服扭弹簧3扭矩、逆时针转动，扭弹簧3扭矩增大从而增加接触力；

⑥物体悬停的抓持状态：指根节OA与指尖节BC均不转动，中指节角位移β不变化，靠扭弹簧3扭矩抓持物体；

⑦释放过程；指根节OA与指尖节BC均逆时针转动，中指节角位移β变大；然后指根节OA与中指节AB处在预紧扭弹簧限制位置，中指节角位移β不再变化。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (7)

1.测距获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的方法，其特征在于：所述柔性机械手包括顶板(10)，顶板(10)下表面连接有至少两组柔性手指，所述至少两组柔性手指沿圆周方向均匀分布；

每组柔性手指的结构包括指根节(41)、中指节(42)和指尖节(43)，所述指根节(41)一端通过指根节铰链一O与顶板(10)连接，另一端通过带预紧扭弹簧中指节铰链A与中指节(42)的一端连接，中指节(42)的另一端通过指尖节铰链B与指尖节(43)连接；指根节铰链一O、指尖节铰链B是有驱动的主动关节、带预紧扭弹簧中指节铰链A是无驱动的被动关节，带预紧扭弹簧中指节铰链A上设置有扭弹簧(3)，其二端分别固定在指根节(41)与中指节(42)上并预紧，中指节(42)在预紧位置只能逆时针向掌心外转动；

柔性机械手的抓持状态的判别取决于机械手高度h、主动关节的指根节角位移α、主动关节的指尖节角位移θ、中指节角位移β这四个控制参数，主动关节的指根节角位移α、主动关节的指尖节角位移θ均通过电机编码器间接获得，机械手高度h从机械臂参数获得，测得中指节角位移β后，通过柔性机械手的几何方程、静力学方程与变形协调方程从而判别柔性机械手抓持状态；

中指节角位移β的测量采用直接测量或间接测量得出；

对于定位的确定被抓物体，柔性机械手的抓持状态是指：捏取与包络抓取的二种抓取方式、以及抓取位姿与接触力状态；

捏取与包络抓取的二种抓取方式的选择方法是：

在指尖节(43)接触面贴橡胶，包络抓取优先；平面接触捏取其次，线接触与点接触捏取尚可，掐取最后；因此，具体是：

球体、横卧的圆柱体与椭球体，机械手垂直包络抓取；

斜置的圆柱体与椭球体，机械手斜向包络抓取；

竖直的圆柱体，机械手水平包络抓取；

捏取是以机械手垂直抓取为主、水平抓取为辅；

机械手的指尖节(43)平面接触长方体是平面接触捏取，而指尖节(43)的末端接触长方体是掐取；

指尖节(43)捏取横卧或竖直的圆柱体是线接触捏取，指尖节(43)捏取球体、椭球体是点接触捏取，指尖节(43)的末端接触竖直的圆柱体是掐取；

柔性机械手的抓取位姿有七种：初始状态、无接触的接近过程、接触瞬时状态、物体静止的接触加载过程、物体运动的抓持过程、物体悬停的抓持状态、释放过程。

2.根据权利要求1所述的测距获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的方法，其特征在于：

所述柔性机械手的抓取位姿有七种，具体是：

①初始状态：指根节(41)与中指节(42)处在预紧扭弹簧(3)的限制位置、中指节角位移β不变，检测机械臂的机械手高度h、指根节(41)的指根节角位移α、指尖节(43)的指尖节角位移θ，达到初始位置；

②无接触的接近过程：机械臂的机械手高度h不变、中指节角位移β不变，指根节(41)与指尖节(43)协同顺时针转动，指尖节(43)、中指节(42)渐渐靠近被抓物体，开始测量中指节角位移β；

③接触瞬时状态：中指节角位移β突变，通过柔性机械手的几何方程、静力学方程与变形协调方程，可判别是指尖节(43)还是中指节(42)瞬间接触被抓物体；

④物体静止的接触加载过程：根据捏取还是包络抓取的策略，指根节(41)与指尖节(43)协同转动调节，中指节(42)克服扭弹簧(3)扭矩、逆时针转动，中指节角位移β不断变小，接触力的状态不断变化，并通过柔性机械手的几何方程、静力学方程与变形协调方程得到接触力状态，直到静态最大接触力；其中接触力为机械手与物体间的接触力，接触力的状态参数包括接触力的作用点、大小、方向；

⑤物体运动的抓持过程：被抓物体向上运动、瞬时脱离支撑面，中指节角位移β突变，指根节(41)与指尖节(43)协同、均顺时针转动，扭弹簧(3)扭矩增大从而增加接触力；运动过程加速，同样指根节(41)与指尖节(43)协同、均顺时针转动，中指节角位移β不断变小，中指节(42)克服扭弹簧3扭矩、逆时针转动，扭弹簧(3)扭矩增大从而增加接触力；

⑥物体悬停的抓持状态：指根节(41)与指尖节(43)均不转动，中指节角位移β不变化，靠扭弹簧(3)扭矩抓持物体；

⑦释放过程；指根节(41)与指尖节(43)均逆时针转动，中指节角位移β变大；然后指根节(41)与中指节(42)处在预紧扭弹簧限制位置，中指节角位移β不再变化。

3.实施如权利要求1或2所述方法的测距获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的结构，其特征在于：所述柔性机械手包括顶板(10)，顶板(10)下表面连接有至少两组柔性手指，所述至少两组柔性手指沿圆周方向均匀分布；

每组柔性手指的结构包括指根节(41)、中指节(42)和指尖节(43)，所述指根节(41)一端通过指根节铰链一O与顶板(10)连接，另一端通过带预紧扭弹簧中指节铰链A与中指节(42)的一端连接，中指节(42)的另一端通过指尖节铰链B与指尖节(43)连接；指根节铰链一O、指尖节铰链B是有驱动的主动关节、带预紧扭弹簧中指节铰链A是无驱动的被动关节，带预紧扭弹簧中指节铰链A上设置有扭弹簧(3)，其二端分别固定在指根节(41)与中指节(42)上并预紧，中指节(42)在预紧位置只能逆时针向掌心外转动；

带预紧扭弹簧中指节铰链A处安装有角位移传感器(5)；

通过安装在任一手指上带预紧扭弹簧中指节铰链A处的所述角位移传感器(5)，直接测得中指节角位移β。

4.实施如权利要求1或2所述方法的测距获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的结构，其特征在于：所述柔性机械手包括顶板(10)，顶板(10)下表面连接有至少两组柔性手指，所述至少两组柔性手指沿圆周方向均匀分布；

每组柔性手指的结构包括指根节(41)、中指节(42)和指尖节(43)，所述指根节(41)一端通过指根节铰链一O与顶板(10)连接，另一端通过带预紧扭弹簧中指节铰链A与中指节(42)的一端连接，中指节(42)的另一端通过指尖节铰链B与指尖节(43)连接；指根节铰链一O、指尖节铰链B是有驱动的主动关节、带预紧扭弹簧中指节铰链A是无驱动的被动关节，带预紧扭弹簧中指节铰链A上设置有扭弹簧(3)，其二端分别固定在指根节(41)与中指节(42)上并预紧，中指节(42)在预紧位置只能逆时针向掌心外转动；

在所述顶板(10)上装有深度相机(1)，通过深度相机(1)读取被抓物体信息和定位物体；

并且在深度相机(1)所测距的一组柔性手指的结构还包括指根四杆机构与中指四杆机构，所述指根四杆机构的结构包括顶板(10)、指根节(41)、共用连杆(61)和外连杆(62)，所述外连杆(62)一端通过指根节铰链二H与顶板(10)连接，另一端与所述共用连杆(61)一端铰接，共用连杆(61)另一端通过所述带预紧扭弹簧中指节铰链A与指根节(41)连接；所述中指四杆机构的结构包括固定连接在中指节(42)中部的座铰链D，座铰链D与第一中连杆(71)一端连接，第一中连杆(71)另一端与第二中连杆(72)一端铰接，第二中连杆(72)另一端与所述共用连杆(61)及外连杆(62)的端部同时铰接于一点；指根节铰链一O与指根节铰链二H间隔设置在顶板(10)底部；指根四杆机构与中指四杆机构共同利用所述共用连杆(61)，指根四杆机构中主动杆是指根节(41)，中指四杆机构中主动杆是中指节上位于带预紧扭弹簧中指节铰链A与座铰链D之间部分的杆，座铰链D固定在中指节(42)上，第二中连杆(72)上连接有短横杆(8)，其末端有深度相机(1)的标识点G；标识点G在平面内运动，因此深度相机(1)在线状区域取图与识别、以达到高速度；

指根四杆机构与中指四杆机构，构成针对中指节角位移β的角位移缩小机构，保证在机械手高度h、主动关节的指根节角位移α、主动关节的指尖节角位移θ的工作范围内，标识点G在深度相机(1)的视角范围内；

深度相机(1)测得标识点G的距离，再有：通过几何方程计算后得到中指节角位移β；或者在带预紧扭弹簧中指节铰链A上装有高精度角位移传感器，通过高精度角位移传感器标定的距离-中指节角位移β曲线直接得出，然后实际应用时拆除高精度角位移传感器，即中指节角位移β是根据深度相机(1)测得标识点G的距离而间接得出。

5.根据权利要求4所述的测距获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的结构，其特征在于：所述深度相机(1)的标识点G是外嵌第二中连杆(72)的上的短横杆(8)末端上表面的微球体或其横杆端部上表面上凸起的十字线或其横杆端部上表面上凹的十字线，便于光线反射而被拍摄。

6.实施如权利要求1或2所述方法的测距获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的结构，其特征在于：所述柔性机械手包括顶板(10)，顶板(10)下表面连接有至少两组柔性手指，所述至少两组柔性手指沿圆周方向均匀分布；

每组柔性手指的结构包括指根节(41)、中指节(42)和指尖节(43)，所述指根节(41)一端通过指根节铰链一O与顶板(10)连接，另一端通过带预紧扭弹簧中指节铰链A与中指节(42)的一端连接，中指节(42)的另一端通过指尖节铰链B与指尖节(43)连接；指根节铰链一O、指尖节铰链B是有驱动的主动关节、带预紧扭弹簧中指节铰链A是无驱动的被动关节，带预紧扭弹簧中指节铰链A上设置有扭弹簧(3)，其二端分别固定在指根节(41)与中指节(42)上并预紧，中指节(42)在预紧位置只能逆时针向掌心外转动；

在所述顶板(10)上装有非接触测距传感器(2)；并且在非接触测距传感器(2)所测距的一组柔性手指的结构还包括中指节(42)上连接长横杆(9)，长横杆(9)的长度保证在机械手高度h、主动关节的指根节角位移α、主动关节的指尖节角位移θ的工作范围内，非接触测距传感器(2)均可测量；

非接触测距传感器(2)测量得出中指节(42)上的长横杆(9)上某一点在非接触测距传感器(2)方向上的距离，再有：通过几何方程计算后得到中指节角位移β；或者在带预紧扭弹簧中指节铰链A上装有高精度角位移传感器，通过高精度角位移传感器标定的距离-中指节角位移β曲线直接得出，然后实际应用时拆除高精度角位移传感器，即中指节角位移β是根据非接触测距传感器(2)的测得距离而间接得出。

7.根据权利要求6所述的测距获取角位移而判别柔性机械手抓持状态的结构，其特征在于：所述非接触测距传感器(2)为激光测距传感器、超声波测距传感器、红外线测距传感器、24GHZ雷达传感器。

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