CN111906763A - 一种具有姿态监测及触觉反馈功能的遥操作柔性仿生手 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有姿态监测及触觉反馈功能的遥操作柔性仿生手，仿生手利用手部动作捕捉装置远程操作柔性仿生手进行复杂的操作任务，不仅能够满足手指各关节屈曲和手指外展运动范围的要求，还能产生足够的输出力，满足操作者在日常任务中所需的力要求。所述的屈曲执行器、外展执行器、触觉反馈执行器都是利用柔性材料通过3D打印制造，手部框架是利用刚性材料通过3D打印制造，将三维模型图直接打印制造，节省了时间和制造成本。柔性仿生手作为姿态控制及监测系统的输出设备，通过手部做出运动来操作柔性仿生手；作为触觉反馈系统的输入设备，将触觉反馈执行器作为触觉反馈系统的输出设备，通过柔性仿生手接触物体，传递触觉。

Description

一种具有姿态监测及触觉反馈功能的遥操作柔性仿生手
技术领域
本发明涉及遥操作、仿生、软体机器人技术领域，具体涉及一种具有姿态监测及触觉反馈功能的遥操作柔性仿生手。
背景技术
随着科学技术的进步以及人类活动范围的扩大，常需要利用机械手代替人手在危险场合中完成复杂的操作任务，这需要机械手具备遥操作系统，使得工作人员可以在安全的场所远距离执行任务。传统的刚性机械手虽然有较高的精度，难以满足复杂的操作任务对机械手的灵巧性、稳定性以及操作性等有较高的要求。柔性仿生手的研究较好地弥补了刚性机械手在人机环境交互性差、复杂环境适应性差、不灵活等方面存在的问题，柔性仿生手能够适应非结构化工作环境，但在精度方面存在不足。为了提高柔性仿生手执行复杂操作任务的能力，需要对仿生手的姿态进行监测以提高精度并增强工作人员执行任务时的“沉浸感”以提高工作质量，这要求仿生手具备姿态监测系统以及触觉反馈系统来调整执行操作任务过程中仿生手的动作姿态并传递接触对象的相关信息，然而现有的柔性仿生手与遥操作系统在这些方面存在不足。
发明内容
为了克服现有设备的缺点，本发明的目的在于提供了一种具有姿态监测及触觉反馈功能的遥操作柔性仿生手，首先，仿生手利用手部动作捕捉装置远程操作柔性仿生手进行复杂的操作任务，不仅能够满足手指各关节屈曲和手指外展运动范围的要求，还能产生足够的输出力，满足操作者在日常任务中所需的力要求；其次，仿生手利用手部动作捕捉装置与柔性弯曲传感器构建了姿态监测与控制系统来调整执行操作任务过程中仿生手的动作姿态，提高仿生手精度，弥补了柔性仿生手精度方面的不足；然后。仿生手利用压力传感器与触觉反馈执行器构建了触觉反馈系统，将仿生手指尖受到的压力传递给操作者的指尖，增加操作者“沉浸感”，提高工作质量；最后，仿生手执行器是利用柔性材料通过 3D打印制造的，省略了传统铸造过程中的成型阶段，将三维模型图直接打印制造，高效且简易地制造了复杂的结构，节省了时间和制造成本。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种具有姿态监测及触觉反馈功能的遥操作柔性仿生手，该仿生手具有15个自由度，包括屈曲执行器、外展执行器、传感器、手部框架、触觉反馈执行器、手部动作捕捉装置。屈曲执行器与外展执行器连接，外展执行器固定在手部框架上。传感器通过硅胶薄膜固定在屈曲执行器上。触觉反馈执行器与操作者手指指尖通过魔术贴、绑带或其他方式进行绑定，手部动作捕捉装置用于采集操作者手部运动信息。屈曲执行器、外展执行器、触觉反馈执行器通过气管与控制系统以及高压气源连接,传感器3与控制系统连接。
所述的屈曲执行器包括食指屈曲执行器、中指屈曲执行器、无名指屈曲执行器、小指屈曲执行器、拇指屈曲执行器、拇指掌腕关节屈曲执行器。所述的外展执行器包括拇指与食指间外展执行器、食指与中指间外展执行器、中指与无名指间外展执行器、无名指与小指间外展执行器。拇指屈曲执行器、食指屈曲执行器通过拇指与食指间外展执行器连接，食指屈曲执行器、中指屈曲执行器通过食指与中指间外展执行器连接，中指屈曲执行器、无名指屈曲执行器通过中指与无名指间外展执行器连接，无名指屈曲执行器、小指屈曲执行器通过外展执行器连接，拇指掌腕关节屈曲执行器与拇指屈曲执行器连接。
所述的传感器包括柔性弯曲传感器、压力传感器。柔性弯曲传感器通过硅胶薄膜固定在屈曲执行器关节处，压力传感器通过硅胶薄膜固定在屈曲执行器指尖。
所述的手部框架包括手掌框架、手背框架、底座。屈曲执行器与外展执行器固定在手掌框架上，手掌框架与手背框架连接并安装底座上。
所述的屈曲执行器、外展执行器、触觉反馈执行器都是利用柔性材料通过3D打印制造，手部框架是利用刚性材料通过3D打印制造。
所述的食指屈曲执行器、中指屈曲执行器、无名指屈曲执行器、小指屈曲执行器均由掌指关节气动单元、近节指骨段、近指关节气动单元、中节指骨段、远指关节气动单元、远节指骨段组成，掌指关节气动单元后部留有气道控制掌指关节气动单元运动，近节指骨段上部留有气道控制近指关节气动单元、远指关节气动单元运动；拇指屈曲执行器由掌指关节气动单元、近节指骨段、指间关节气动单元、远节指骨段组成，远节指骨段后部留有气道控制远节指骨段运动，近节指骨段上部留有气道控制指间关节气动单元运动；拇指掌腕关节屈曲执行器后部留有气道控制拇指掌腕关节屈曲执行器运动。
所述的掌指关节气动单元、近指关节气动单元、远指关节气动单元、掌指关节气动单元、指间关节气动单元、拇指掌腕关节屈曲执行器采用半波纹管结构，属于柔性关节执行器，该结构上半部分为半圆形，下半部分为方形，通入带有压力的气体时，由于半波纹管结构的不对称，使得上下部分刚度不同引起变形弯曲；近节指骨段、中节指骨段、远节指骨段、近节指骨段、远节指骨段属于刚性指节，不发生变形，在进行屈曲运动时贴合手指，当压力卸载时，屈曲执行器1带动手指进行伸展运动。柔性关节执行器与刚性指节为同一整体，二者结合可以综合刚性结构和柔性结构的优点，提高弯曲效果。
所述的拇指与食指间外展执行器、食指与中指间外展执行器、中指与无名指间外展执行器、无名指与小指间外展执行器采用梯形波纹结构，该结构整体呈梯形，通入带有压力的气体时，由于的梯形波纹结构不对称，使得上下部分刚度不同引起变形弯曲，使屈曲执行器带动手指进行外展运动，当压力卸载时，利用材料恢复力，外展执行器带动手指进行内收运动。
所述的触觉反馈执行器在侧壁留有气道，通入带有压力的气体时，由于工作面厚度远侧边和底面，使得工作面发生变形，其余面不变形，变形部分作用操作者手指指尖，产生接触力。
所述的屈曲执行器、外展执行器、触觉反馈执行器都是利用柔性材料通过3D打印制造，手部框架是利用刚性材料通过3D打印制造，省略了传统铸造过程中的成型阶段，将三维模型图直接打印制造，高效且简易地制造了复杂的结构，节省了时间和制造成本。
本发明通过将姿态监测和触觉反馈结合的方式操作柔性仿生手完成作业，当操作者需要操作柔性仿生手执行动作时，操作者需要佩戴触觉反馈执行器、手部动作捕捉装置。将手部动作捕捉装置作为姿态控制及监测系统的输入设备，柔性仿生手作为姿态控制及监测系统的输出设备，通过手部做出运动来操作柔性仿生手；柔性仿生手作为触觉反馈系统的输入设备，将触觉反馈执行器作为触觉反馈系统的输出设备，通过柔性仿生手接触物体，传递触觉。
在姿态控制与监测方面，本发明利用手部动作捕捉装置6采集操作者手部的运动数据并根据数据计算出仿生手各关节的角度，角度数据经过数据处理并发送至数据采集控制模块，数据采集控制模块将其转换为模拟量信号以此控制电磁比例阀。电磁比例阀与高压气源相连并根据模拟量信号按比例控制高压气源输出的气压以驱动执行器进行运动。柔性弯曲传感器位于屈曲执行器的底部并采集仿生手屈曲/伸展角度数据，再利用数据采集控制模块读取柔性屈曲传感器数值，计算出仿生手关节的实际角度，根据手部动作捕捉装置 6采集角度以及柔性屈曲传感器采集角度的误差进行PID控制。
在触觉反馈方面，本发明将压力传感器安装在屈曲执行器指尖，当柔性仿生手指尖与物体交互时，数据采集控制模块读取压力传感器数值，计算出柔性仿生手指尖受到的压力传输到数据采集控制模块，数据采集控制模块将其转换为模拟量信号以控制电磁比例阀。电磁比例阀与高压气源相连并根据模拟量信号按比例控制高压气源输出的气压使得触觉反馈执行器5变形，在操作者指尖产生压力以模拟触觉。
本发明的有益效果为：
1、在执行器设计方面，通过对手部结构进行分析，提出利用柔性关节执行器与刚性指节结合的屈曲执行器，综合了刚性结构和柔性结构的优点，提高弯曲效果。通过屈曲执行器可以执行手指各关节屈曲/伸展运动及拇指对掌运动、外展执行器可以执行各手指外展运动，二者的结合可以完成日常操作任务，有足够大的输出力和运动范围。此外，本发明具有15个自由度，比现有的柔性仿生手具有更多的自由度，可以更加灵活地执行动作。
2、在制造方面，区别于传统铸造方式，本发明采用3D打印技术制造仿生手屈曲执行器、外展执行器、手部框架，可以更加方便快捷地制造复杂的构件，为柔性仿生手的制造开拓了新道路。
3、在姿态控制及监测方面，本发明利用手部动作捕捉装置和柔性屈曲传感器构建姿态控制与监测系统。通过手部动作捕捉装置可以简单直观地利用手部运动信息控制仿生手，仿生手可以准确地根据工作人员的手部运动执行相应动作；将柔性屈曲传感器嵌入柔性仿生手，使得柔性屈曲传感器可以较好地贴合柔性仿生手的变形，通过传感器采集的仿生手角度数据进行姿态监测，利用PID控制方式形成角度控制闭环回路，提高了动作精度，弥补了现有柔性仿生手在精度方面的不足。
4、在触觉反馈方面，本发明利用压力传感器和触觉反馈执行器构建触觉再现系统。将压力传感器安装在柔性仿生手指尖采集仿生手指尖与物体间的接触力，根据压力传感器的数据使得触觉反馈执行器产生相应的变形，给工作人员提供触觉反馈，增加了遥操作时的“沉浸感”，提高工作质量。
5、在仿生手控制方面，本发明通过将姿态监测和触觉反馈结合的方式，弥补了现有的柔性仿生手的遥操作系统在这些方面的缺失，进一步提高仿生手的工作质量和遥操作系统的可操作性。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2(a)为本发明食指、中指、无名指与小指屈曲执行器示意图；图2(b)为本发明拇指屈曲执行器示意图；图2(c)为本发明拇指掌腕关节屈曲执行器示意图。
图3(a)为本发明拇指与食指间外展执行器示意图；图3(b)为本发明食指与中指间、中指与无名指间或无名指与小指间外展执行器示意图。
图4为本发明触觉反馈执行器结构示意图。
图5为本发明工作原理。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
参照图1，所示为一种具有姿态监测及触觉反馈功能的遥操作柔性仿生手，该仿生手具有15个自由度，包括屈曲执行器1、外展执行器2、传感器3、手部框架4、触觉反馈执行器5、手部动作捕捉装置6。屈曲执行器1与外展执行器2连接，外展执行器2固定在手部框架4上。传感器3通过硅胶薄膜固定在屈曲执行器1上。触觉反馈执行器5 与操作者手指指尖通过魔术贴、绑带或其他方式进行绑定，手部动作捕捉装置6(比如可直接穿戴在手部的数据手套或利用图像处理技术监测手部运动的leap motion等装置)用于采集操作者手部运动信息。屈曲执行器1、外展执行器2、触觉反馈执行器5通过气管与控制系统以及高压气源连接,传感器3与控制系统连接。
所述的屈曲执行器1包括食指屈曲执行器101、中指屈曲执行器102、无名指屈曲执行器103、小指屈曲执行器104、拇指屈曲执行器105、拇指掌腕关节屈曲执行器106。所述的外展执行器2包括拇指与食指间外展执行器201、食指与中指间外展执行器202、中指与无名指间外展执行器203、无名指与小指间外展执行器204。拇指屈曲执行器105、食指屈曲执行器101通过拇指与食指间外展执行器201连接，食指屈曲执行器101、中指屈曲执行器102通过食指与中指间外展执行器202连接，中指屈曲执行器102、无名指屈曲执行器103通过中指与无名指间外展执行器203连接，无名指屈曲执行器103、小指屈曲执行器104通过外展执行器204连接，拇指掌腕关节屈曲执行器106与拇指屈曲执行器 105连接。
所述的传感器3包括柔性弯曲传感器301、压力传感器302。柔性弯曲传感器301通过硅胶薄膜固定在屈曲执行器1关节处，压力传感器302通过硅胶薄膜固定在屈曲执行器 1指尖。
所述的手部框架包括手掌框架401、手背框架402、底座403。屈曲执行器1与外展执行器2固定在手掌框架401上，手掌框架401与手背框架402连接并安装底座403上。
所述的屈曲执行器1、外展执行器2、触觉反馈执行器5都是利用柔性材料(比如NinjaFlex 85A TPU等柔性3D打印材料)通过3D打印制造，手部框架4是利用刚性材料通过3D打印制造，省略了传统铸造过程中的成型阶段，将三维模型图直接打印制造，高效且简易地制造了复杂的结构，节省了时间和制造成本。
参照图2，图2(a)为本发明食指、中指、无名指与小指屈曲执行器示意图；图2 (b)为本发明拇指屈曲执行器示意图；图2(c)为本发明拇指掌腕关节屈曲执行器示意图。所述的食指屈曲执行器101、中指屈曲执行器102、无名指屈曲执行器103、小指屈曲执行器104均由掌指关节气动单元107、近节指骨段108、近指关节气动单元109、中节指骨段110、远指关节气动单元111、远节指骨段112组成，掌指关节气动单元107后部留有气道控制掌指关节气动单元107运动，近节指骨段108上部留有气道控制近指关节气动单元109、远指关节气动单元111运动；拇指屈曲执行器105由掌指关节气动单元113、近节指骨段114、指间关节气动单元115、远节指骨段116组成，远节指骨段112后部留有气道控制远节指骨段112运动，近节指骨段114上部留有气道控制指间关节气动单元 115运动；拇指掌腕关节屈曲执行器106后部留有气道控制拇指掌腕关节屈曲执行器106 运动。所述的掌指关节气动单元107、近指关节气动单元109、远指关节气动单元111、掌指关节气动单元113、指间关节气动单元115、拇指掌腕关节屈曲执行器106采用半波纹管结构，属于柔性关节执行器，该结构上半部分为半圆形，下半部分为方形，通入带有压力的气体时，由于半波纹管结构的不对称，使得上下部分刚度不同引起变形弯曲；近节指骨段108、中节指骨段110、远节指骨段112、近节指骨段114、远节指骨段116属于刚性指节，不发生变形，在进行屈曲运动时贴合手指，当压力卸载时，屈曲执行器1带动手指进行伸展运动。柔性关节执行器与刚性指节为同一整体，二者结合可以综合刚性结构和柔性结构的优点，提高弯曲效果。
参照图3，图3(a)为本发明拇指与食指间外展执行器示意图；图3(b)为本发明食指与中指间、中指与无名指间、无名指与小指间外展执行器示意图。所述的拇指与食指间外展执行器201、食指与中指间外展执行器202、中指与无名指间外展执行器203、无名指与小指间外展执行器204采用梯形波纹结构，该结构整体呈梯形，通入带有压力的气体时，由于的梯形波纹结构不对称，使得上下部分刚度不同引起变形弯曲，使屈曲执行器 2带动手指进行外展运动，当压力卸载时，利用材料恢复力，外展执行器2带动手指进行内收运动。
参照图4，所示为触觉反馈执行器。所述的触觉反馈执行器5在侧壁留有气道，通入带有压力的气体时，由于工作面厚度远侧边和底面，使得工作面发生变形，其余面不变形，变形部分作用操作者手指指尖，产生接触力。
参照图5，所示为本发明工作原理，本发明通过将姿态监测和触觉反馈结合的方式操作柔性仿生手完成作业，当操作者需要操作柔性仿生手执行动作时，操作者需要佩戴触觉反馈执行器5、手部动作捕捉装置6。将手部动作捕捉装置6作为姿态控制及监测系统的输入设备，柔性仿生手作为姿态控制及监测系统的输出设备，通过手部做出运动来操作柔性仿生手；柔性仿生手作为触觉反馈系统的输入设备，将触觉反馈执行器5作为触觉反馈系统的输出设备，通过柔性仿生手接触物体，传递触觉。在姿态控制与监测方面，本发明利用手部动作捕捉装置6采集操作者手部的运动数据并根据数据计算出仿生手各关节的角度，角度数据经过数据处理并发送至数据采集控制模块，数据采集控制模块将其转换为模拟量信号以此控制电磁比例阀。电磁比例阀与高压气源相连并根据模拟量信号按比例控制高压气源输出的气压以驱动执行器进行运动。柔性弯曲传感器301位于屈曲执行器1 的底部并采集仿生手屈曲/伸展角度数据，再利用数据采集控制模块读取柔性屈曲传感器 301数值，计算出仿生手关节的实际角度，根据手部动作捕捉装置6采集角度以及柔性屈曲传感器采集角度的误差进行PID控制。在触觉反馈方面，本发明将压力传感器302安装在屈曲执行器1指尖，当柔性仿生手指尖与物体交互时，数据采集控制模块读取压力传感器302数值，计算出柔性仿生手指尖受到的压力传输到数据采集控制模块，数据采集控制模块将其转换为模拟量信号以控制电磁比例阀。电磁比例阀与高压气源相连并根据模拟量信号按比例控制高压气源输出的气压使得触觉反馈执行器5变形，在操作者指尖产生压力以模拟触觉。
以上实例只为说明本发明的技术构思和特点，并不能以此限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，凡是根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰改进，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有姿态监测及触觉反馈功能的遥操作柔性仿生手，该仿生手具有15个自由度，包括屈曲执行器(1)、外展执行器(2)、传感器(3)、手部框架(4)、触觉反馈执行器(5)、手部动作捕捉装置(6)，其特征在于，屈曲执行器(1)与外展执行器(2)连接，外展执行器(2)固定在手部框架(4)上，传感器(3)通过硅胶薄膜固定在屈曲执行器(1)上，触觉反馈执行器(5)与操作者手指指尖通过魔术贴、绑带或其他方式进行绑定，手部动作捕捉装置(6)用于采集操作者手部运动信息，屈曲执行器(1)、外展执行器(2)、触觉反馈执行器(5)通过气管与控制系统以及高压气源连接,传感器(3)与控制系统连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有姿态监测及触觉反馈功能的遥操作柔性仿生手，其特征在于，屈曲执行器(1)包括食指屈曲执行器(101)、中指屈曲执行器(102)、无名指屈曲执行器(103)、小指屈曲执行器(104)、拇指屈曲执行器(105)、拇指掌腕关节屈曲执行器(106)，外展执行器(2)包括拇指与食指间外展执行器(201)、食指与中指间外展执行器(202)、中指与无名指间外展执行器(203)、无名指与小指间外展执行器(204)，拇指屈曲执行器(105)、食指屈曲执行器(101)通过拇指与食指间外展执行器(201)连接，食指屈曲执行器(101)、中指屈曲执行器(102)通过食指与中指间外展执行器(202)连接，中指屈曲执行器(102)、无名指屈曲执行器(103)通过中指与无名指间外展执行器(203)连接，无名指屈曲执行器(103)、小指屈曲执行器(104)通过外展执行器(204)连接，拇指掌腕关节屈曲执行器(106)与拇指屈曲执行器(105)连接。
3.根据权利要求1所述的一种具有姿态监测及触觉反馈功能的遥操作柔性仿生手，其特征在于，传感器(3)包括柔性弯曲传感器(301)、压力传感器(302)，柔性弯曲传感器(301)通过硅胶薄膜固定在屈曲执行器(1)关节处，压力传感器(302)通过硅胶薄膜固定在屈曲执行器(1)指尖。
4.根据权利要求(1)所述的一种具有姿态监测及触觉反馈功能的遥操作柔性仿生手，其特征在于，手部框架包括手掌框架(401)、手背框架(402)、底座(403)，屈曲执行器(1)与外展执行器(2)固定在手掌框架(401)上，手掌框架(401)与手背框架(402)连接并安装底座(403)上。
5.根据权利要求(1)所述的一种具有姿态监测及触觉反馈功能的遥操作柔性仿生手，其特征在于，屈曲执行器(1)、外展执行器(2)、触觉反馈执行器(5)都是利用柔性材料通过3D打印制造，手部框架(4)是利用刚性材料通过3D打印制造。
6.根据权利要求1所述的一种具有姿态监测及触觉反馈功能的遥操作柔性仿生手，其特征在于：所述的触觉反馈执行器(5)在侧壁留有气道。
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