CN112077879B - 一种基于仿人柔软指的转轴全工作域力学性能检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于仿人柔软指的转轴全工作域力学性能检测方法，应用仿人柔软指、机械臂、角度传感器，实现对转轴全工作域的力学性能检测；仿人柔软指安装固定于机械臂末端，由机械臂带动运动；仿人柔软指通过拨开动作过程、推动动作过程、换向动作过程，带动转轴在其全工作域运动；仿人柔软指首先反复尝试执行拨开动作过程，获取得到稳定挤压力，再依次重复执行拨开动作过程、推动动作过程、换向动作过程、推动动作过程，令所述转轴在其全工作域内进行周期式的往复运动，运动过程中实时进行所述推动动作过程中的力学性能检测。本发明使用仿人柔软指完成了对转轴进行全工作域力学性能的检测，能够自适应完成检测过程。

Description

一种基于仿人柔软指的转轴全工作域力学性能检测方法

技术领域

本发明属于转轴力学性能检测技术领域，更具体的说是涉及一种基于仿人柔软指的转轴全工作域力学性能检测方法。

背景技术

包含特定阻尼结构的精密机械转轴，在机器人系统、消费电子产品中广泛使用，其自身结构所具有的力学性能对设备整体的运动性能有直接影响，因此对其进行力学性能检测非常重要。

专利ZL2014102224644和专利ZL201910321260.1共同给出了使用机械臂对转轴结构的力学性能进行检测的基础方法，该方法中采用刚性夹片翻转转轴结构的运动形式高效、可靠，适合于工业实际应用。下一步，如何实现像人手一样，实现更为灵巧地翻转运动和同步力学测试，成为进一步将测试方法在更多规格种类转轴测试中进行有效推广应用的重要途经。

模拟人类手指头的机器人柔软指尖结构，通过与物体间的柔性接触可实现与人手指相似的操作能力，但柔性接触的非线性特征也为其应用带来了实际困难。

因此，基于仿人柔软指来对转轴在其全工作域中进行力学性能检测，成为本领域未来的重要技术方向。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于仿人柔软指的转轴全工作域力学性能检测方法，使用仿人柔软指完成了对转轴进行全工作域力学性能的检测，能够自适应完成检测过程。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于仿人柔软指的转轴全工作域力学性能检测方法，应用仿人柔软指、机械臂、角度传感器，实现对转轴全工作域的力学性能检测；所述仿人柔软指安装固定于所述机械臂末端，由所述机械臂带动运动；

所述转轴的旋转工作面，分别为转页A和转页B；

所述角度传感器，用于直接测量所述转页A和所述转页B间的相对转动角度值；

所述仿人柔软指，通过拨开动作过程、推动动作过程、换向动作过程，带动所述转轴在其全工作域运动；若所述转页B固定，则所述拨开动作过程，将所述转页A拨开并离开其初始位置，所述推动动作过程，推动所述转页A，使其在所述转轴全工作域区间内运动，所述换向动作过程，为在不改变所述转页A当前位置的条件下，改变推动所述转页A的方向，若所述转页A固定，则上述过程中关于转页A的动作均调整为关于转页B的动作；

所述仿人柔软指首先反复尝试执行所述拨开动作过程，获取得到稳定挤压力，再依次重复执行拨开动作过程、推动动作过程、换向动作过程、推动动作过程，令所述转轴在其全工作域内进行周期式的往复运动，运动过程中实时进行所述推动动作过程中的力学性能检测。

优选的，所述拨开动作过程，包括挤压动作子过程、抬升动作子过程、转托动作子过程；若所述转页B固定，则所述挤压动作子过程，为所述仿人柔软指挤压所述转页A边缘，所述抬升动作子过程，为所述仿人柔软指利用与所述转页A间的摩擦力抬起所述转页A，所述转托动作子过程，为所述仿人柔软指由抬升所述转页A的姿态转换为托住所述转页A的姿态。

优选的，所述挤压动作子过程中，挤压状态下所述仿人柔软指对所述转页A边缘提供的挤压力，记录为稳定挤压力，所对应的位移，记录为稳定挤压位移。

优选的，所述稳定挤压力，其取值被约束在较小的范围内，以既产生足够的摩擦力来克服所述转轴的阻力矩的作用，使得所述转页A被顺利抬起，又不超过对所述转页A产生破坏的阈值范围；

所述稳定挤压力，由所述仿人柔软指通过主动调节挤压位移的方式获得。

优选的，所述稳定挤压力，其获取的具体方法为：

定义当前挤压位移d_N、前次挤压位移d_L、初始挤压位移d_Init，令d_L＝d_N＝d_Init；

定义位移修正量Δd_N、初始位移修正量Δd_Init、位移修正量阈值Δd_min，令Δd_N＝Δd_Init；

其中，初始挤压位移d_Init、初始位移修正量Δd_Init均依据测试条件预先设定；

第一步，令所述仿人柔软指依据当前挤压位移d_N执行所述挤压动作子过程；

第二步，执行所述抬升动作子过程，判断该子过程是否成功，即判断所述转页A在动作执行过程中是否无滑落，若成功且有Δd_N＜Δd_min，则将当前挤压位移d_N作为所述稳定挤压位移，获取过程结束，若不成功，则继续进行第三步；

第三步，首先依据第二步中的抬升动作子过程是否成功进行判断，

若失败，且有d_N≥d_L，则令d_L＝d_N，d_N＝d_N+Δd_N；

若失败，且有d_N＜d_L，则令d_L＝d_N，Δd_N＝Δd_N/2，d_N＝d_N+Δd_N；

若成功，且有d_N＞d_L，则令d_L＝d_N，Δd_N＝Δd_N/2，d_N＝d_N-Δd_N；

若成功，且有d_N≤d_L，则令d_L＝d_N，d_N＝d_N-Δd_N；

第三步依据判断进行的设置完成后，重新执行第一步。

优选的，所述抬升动作子过程中，所述仿人柔软指与所述转页A边缘存在滑动量θ_slip；所述滑动量θ_slip是持续存在且变化的，若所述滑动量θ_slip过大，则导致所述仿人柔软指与所述转页A脱开接触；若所述滑动量θ_slip不超过滑动量阈值θ_max，则所述仿人柔软指可以通过后续的姿态调整来托住所述转页A；

若所述仿人柔软指的弹性变形材料为半径为R的半球形，则所述滑动量阈值θ_max的快速估算方法为θ_max≈R/l·50％，其中，l为所述转页A边缘至所述转轴的旋转轴线间的距离。

优选的，所述转轴全工作域的力学性能检测中，所述拨开动作过程的起始发生位置为所述转轴旋转所能够达到的最小转角处，所述换向动作过程的发生位置为所述转轴旋转所能够达到的最大转角处；

所述拨开动作过程和所述换向动作过程，为所述转轴在其全工作域中进行完整测试，提供了运动边界处的动作；所述推动动作过程，提供了所述全工作域的主体范围中的动作；

所述转轴旋转所能够达到的最小转角的值，最小为0度角；

所述转轴旋转所能够达到的最大转角的值，最大为360度角。

优选的，所述推动动作过程中的力学性能检测，其过程为实时获得所述仿人柔软指的位置、姿态转角θ_finger以及所述转页A的转角θ_A，由θ_finger和θ_A近似计算得到所述仿人柔软指中的弹性变形材料的变形情况，再依据所述仿人柔软指的变形数据计算获得所述仿人柔软指的操作力数据，进而依据该操作力数据计算所述转轴的当前受力状况；

所述仿人柔软指的位置和姿态转角θ_finger，其实时获取方式为依据所述机械臂的运动位姿获得；

所述转页A的转角θ_A，其实时获取方式为依据所述角度传感器的读数直接获得。

优选的，依据所述仿人柔软指的变形数据计算获得所述仿人柔软指的操作力数据的具体方法为，首先获得所述仿人柔软指的空间刚度模型，再基于该刚度模型、变形数据，计算得到所述仿人柔软指的操作力数据。

优选的，所述仿人柔软指和所述机械臂之间加装有空间多轴力传感器，通过空间多轴力传感器，为所述力学性能检测提供校准和反馈。

本发明的有益效果在于：

1、基于仿人柔软指将原有的转轴测试动作范围扩展至转轴的全工作域，可实现从0度角至360度角范围内的转轴全周向测试。

2、拨开动作过程采用了完全仿人手指的操作方式，所设计的反复挤压试探机制，既保证了测试过程能够成功完成，也使得操作力尽可能小，即用尽可能小的力度实现拨开动作，实现了对转轴结构的保护。

3、根据大量实际测试实验数据，给出了操作过程中仿人柔软指滑动量阈值的估算方法，为测试动作的详细工程设计提供了指导依据。

4、给出了力学性能检测的完整方案，该方案能够自适应完成测试过程，为未来实现更加智能化的测试应用提供了技术参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明仿人柔软指和转轴的结构示意图。

图2为本发明仿人柔软指带动转轴运动的运动过程示意图。

图3为本发明拨开动作过程的示意图。

图4为本发明稳定挤压力的获取方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于仿人柔软指的转轴全工作域力学性能检测方法，应用仿人柔软指1、机械臂、角度传感器，实现对转轴2全工作域的力学性能检测；仿人柔软指安装固定于机械臂末端，由机械臂带动运动。

如图1所示，转轴2为具有旋转功能的铰链结构、合页结构；转轴2的旋转工作面，分别为转页A5和转页B6。该铰链结构，可能存在多于1条的旋转轴，例如单轴铰链结构和双轴铰链结构。

转轴全工作域，为转轴旋转所能够达到的最小转角和最大转角所构成的区间，该区间值由转轴自身机械限位所决定。例如转轴的最小转角为0°，最大转角为135°，则区间[0°，135°]即为该转轴的全工作域。

力学性能检测，为对转轴的受力状况进行实时检测。

仿人柔软指1，由手指底座3及安装在手指底座3上的弹性变形材料4构成，具有与人的单根手指尖组成原理相似的结构，其中，弹性变形材料4用于模拟柔软的手指肚，手指底座3用于模拟坚硬的手指盖。

如图2所示，仿人柔软指，通过拨开动作过程、推动动作过程、换向动作过程，带动转轴在其全工作域运动；若转页B固定，则拨开动作过程，将转页A拨开并离开其初始位置，推动动作过程，推动转页A，使其在转轴全工作域区间内运动，换向动作过程，为在不改变转页A当前位置的条件下，改变推动转页A的方向，若转页A固定，则上述过程中关于转页A的动作均调整为关于转页B的动作。

测试的完整过程为：仿人柔软指首先反复尝试执行拨开动作过程，获取得到稳定挤压力，再依次重复执行拨开动作过程、推动动作过程、换向动作过程、推动动作过程，令转轴在其全工作域内进行周期式的往复运动，运动过程中实时进行推动动作过程中的力学性能检测。

如图3所示，拨开动作过程，包括挤压动作子过程、抬升动作子过程、转托动作子过程；若转页B固定，则挤压动作子过程，为仿人柔软指挤压转页A边缘，抬升动作子过程，为仿人柔软指利用与转页A间的摩擦力抬起转页A，转托动作子过程，为仿人柔软指由抬升转页A的姿态转换为托住转页A的姿态。

挤压动作子过程中，挤压状态下仿人柔软指对转页A边缘提供的挤压力，记录为稳定挤压力，所对应的位移，记录为稳定挤压位移。

稳定挤压力，其取值被约束在较小的范围内，以既产生足够的摩擦力来克服转轴的阻力矩的作用，使得转页A被顺利抬起，又不超过对转页A产生破坏的阈值范围。

稳定挤压力，由仿人柔软指通过主动调节挤压位移的方式获得。

如图4所示，稳定挤压力的获取方法具体为：

定义当前挤压位移d_N、前次挤压位移d_L、初始挤压位移d_Init，令d_L＝d_N＝d_Init。

定义位移修正量Δd_N、初始位移修正量Δd_Init、位移修正量阈值Δd_min，令Δd_N＝Δd_Init。

其中，初始挤压位移d_Init、初始位移修正量Δd_Init均依据测试条件预先设定。

第一步，令仿人柔软指依据当前挤压位移d_N执行挤压动作子过程。

第二步，执行抬升动作子过程，判断该子过程是否成功，即判断转页A在动作执行过程中是否无滑落，若成功且有Δd_N<Δd_min，则将当前挤压位移d_N作为稳定挤压位移，获取过程结束，若不成功，则继续进行第三步；

第三步，首先依据第二步中的抬升动作子过程是否成功进行判断，

若失败，且有d_N≥d_L，则令d_L＝d_N，d_N＝d_N+Δd_N；

若失败，且有d_N＜d_L，则令d_L＝d_N，Δd_N＝Δd_N/2，d_N＝d_N+Δd_N；

若成功，且有d_N＞d_L，则令d_L＝d_N，Δd_N＝Δd_N/2，d_N＝d_N-Δd_N；

若成功，且有d_N≤d_L，则令d_L＝d_N，d_N＝d_N-Δd_N；

第三步依据判断进行的设置完成后，重新执行第一步。

转轴结构中阻尼结构和外部磁吸附装置的采用，会使得仿人柔软指的动作受到影响而与转页A间产生滑动。抬升动作子过程中，仿人柔软指与转页A边缘存在滑动量θ_slip；滑动量θ_slip是持续存在且变化的，若滑动量θ_slip过大，则导致仿人柔软指与转页A脱开接触；若滑动量θ_slip不超过滑动量阈值θ_max，则仿人柔软指可以通过后续的姿态调整来托住转页A。

若仿人柔软指的弹性变形材料为半径为R的半球形，则滑动量阈值θ_max的快速估算方法为θ_max≈R/l·50％，其中，l为转页A边缘至转轴的旋转轴线间的距离。

转轴全工作域的力学性能检测中，拨开动作过程的起始发生位置为转轴旋转所能够达到的最小转角处，换向动作过程的发生位置为转轴旋转所能够达到的最大转角处。

拨开动作过程和换向动作过程，为转轴在其全工作域中进行完整测试，提供了运动边界处的动作；推动动作过程，提供了全工作域的主体范围中的动作。

转轴旋转所能够达到的最小转角的值，最小为0度角。

转轴旋转所能够达到的最大转角的值，最大为360度角。

推动动作过程中的力学性能检测，其过程为实时获得仿人柔软指的位置、姿态转角θ_finger以及转页A的转角θ_A，由θ_finger和θ_A近似计算得到仿人柔软指中的弹性变形材料的变形情况，再依据仿人柔软指的变形数据计算获得仿人柔软指的操作力数据，进而依据该操作力数据计算转轴的当前受力状况。

仿人柔软指的位置和姿态转角θ_finger，其实时获取方式为依据机械臂的运动位姿获得。

转页A的转角θ_A，其实时获取方式为依据角度传感器的读数直接获得。

依据仿人柔软指的变形数据计算获得仿人柔软指的操作力数据的具体方法为，首先获得仿人柔软指的空间刚度模型，再基于该刚度模型、变形数据，计算得到仿人柔软指的操作力数据。

仿人柔软指的空间刚度模型，包括整体刚度模型、空间刚度辨识模型。

仿人柔软指和机械臂之间通过加装空间多轴力传感器的方式，为力学性能检测提供校准和反馈。例如增加空间6轴力传感器，力传感器的一端与仿人柔软指连接，另一端与机械臂连接。

转轴的转页A和转页B，分别固连形状规则的外部机械结构，或转页A和转页B可分别包含各自连接的外部机械结构。例如笔记本电脑产品的转轴为铰链结构，屏幕组件与铰链结构的转页A固连，键盘组件与铰链结构的转页B固连，则屏幕组件即可作为转页A，键盘组件即可作为转页B。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于仿人柔软指的转轴全工作域力学性能检测方法，其特征在于，应用仿人柔软指、机械臂、角度传感器，实现对转轴全工作域的力学性能检测；所述仿人柔软指安装固定于所述机械臂末端，由所述机械臂带动运动；

所述转轴的旋转工作面，分别为转页A和转页B；

所述角度传感器，用于直接测量所述转页A和所述转页B间的相对转动角度值；

所述仿人柔软指，通过拨开动作过程、推动动作过程、换向动作过程，带动所述转轴在其全工作域运动；若所述转页B固定，则所述拨开动作过程，将所述转页A拨开并离开其初始位置，所述推动动作过程，推动所述转页A，使其在所述转轴全工作域区间内运动，所述换向动作过程，为在不改变所述转页A当前位置的条件下，改变推动所述转页A的方向，若所述转页A固定，则上述过程中关于转页A的动作均调整为关于转页B的动作；

所述仿人柔软指首先反复尝试执行所述拨开动作过程，获取得到稳定挤压力，再依次重复执行拨开动作过程、推动动作过程、换向动作过程、推动动作过程，令所述转轴在其全工作域内进行周期式的往复运动，运动过程中实时进行所述推动动作过程中的力学性能检测；

所述拨开动作过程，包括挤压动作子过程、抬升动作子过程、转托动作子过程；若所述转页B固定，则所述挤压动作子过程，为所述仿人柔软指挤压所述转页A边缘，所述抬升动作子过程，为所述仿人柔软指利用与所述转页A间的摩擦力抬起所述转页A，所述转托动作子过程，为所述仿人柔软指由抬升所述转页A的姿态转换为托住所述转页A的姿态；

所述挤压动作子过程中，挤压状态下所述仿人柔软指对所述转页A边缘提供的挤压力，记录为稳定挤压力，所对应的位移，记录为稳定挤压位移；

所述稳定挤压力，其取值被约束在较小的范围内，以既产生足够的摩擦力来克服所述转轴的阻力矩的作用，使得所述转页A被顺利抬起，又不超过对所述转页A产生破坏的阈值范围；

所述稳定挤压力，由所述仿人柔软指通过主动调节挤压位移的方式获得；

所述稳定挤压力，其获取的具体方法为：

定义当前挤压位移d_N、前次挤压位移d_L、初始挤压位移d_Init，令d_L＝d_N＝d_Init；

定义位移修正量Δd_N、初始位移修正量Δd_Init、位移修正量阈值Δd_min，令Δd_N＝Δd_Init；

其中，初始挤压位移d_Init、初始位移修正量Δd_Init均依据测试条件预先设定；

第一步，令所述仿人柔软指依据当前挤压位移d_N执行所述挤压动作子过程；

第二步，执行所述抬升动作子过程，判断该子过程是否成功，即判断所述转页A在动作执行过程中是否无滑落，若成功且有Δd_N＜Δd_min，则将当前挤压位移d_N作为所述稳定挤压位移，获取过程结束，若不成功，则继续进行第三步；

第三步，首先依据第二步中的抬升动作子过程是否成功进行判断，

若失败，且有d_N≥d_L，则令d_L＝d_N，d_N＝d_N+Δd_N；

若失败，且有d_N＜d_L，则令d_L＝d_N，Δd_N＝Δd_N/2，d_N＝d_N+Δd_N；

若成功，且有d_N＞d_L，则令d_L＝d_N，Δd_N＝Δd_N/2，d_N＝d_N-Δd_N；

若成功，且有d_N≤d_L，则令d_L＝d_N，d_N＝d_N-Δd_N；

第三步依据判断进行的设置完成后，重新执行第一步。

2.根据权利要求1所述的一种基于仿人柔软指的转轴全工作域力学性能检测方法，其特征在于，所述抬升动作子过程中，所述仿人柔软指与所述转页A边缘存在滑动量θ_slip；所述滑动量θ_slip是持续存在且变化的，若所述滑动量θ_slip过大，则导致所述仿人柔软指与所述转页A脱开接触；若所述滑动量θ_slip不超过滑动量阈值θ_max，则所述仿人柔软指可以通过后续的姿态调整来托住所述转页A；

若所述仿人柔软指的弹性变形材料为半径为R的半球形，则所述滑动量阈值θ_max的快速估算方法为θ_max≈R/l·50％，其中，l为所述转页A边缘至所述转轴的旋转轴线间的距离。

3.根据权利要求1所述的一种基于仿人柔软指的转轴全工作域力学性能检测方法，其特征在于，所述转轴全工作域的力学性能检测中，所述拨开动作过程的起始发生位置为所述转轴旋转所能够达到的最小转角处，所述换向动作过程的发生位置为所述转轴旋转所能够达到的最大转角处；

所述拨开动作过程和所述换向动作过程，为所述转轴在其全工作域中进行完整测试，提供了运动边界处的动作；所述推动动作过程，提供了所述全工作域的主体范围中的动作；

所述转轴旋转所能够达到的最小转角的值，最小为0度角；

所述转轴旋转所能够达到的最大转角的值，最大为360度角。

4.根据权利要求1所述的一种基于仿人柔软指的转轴全工作域力学性能检测方法，其特征在于，所述推动动作过程中的力学性能检测，其过程为实时获得所述仿人柔软指的位置、姿态转角θ_finger以及所述转页A的转角θ_A，由θ_finger和θ_A近似计算得到所述仿人柔软指中的弹性变形材料的变形情况，再依据所述仿人柔软指的变形数据计算获得所述仿人柔软指的操作力数据，进而依据该操作力数据计算所述转轴的当前受力状况；

所述仿人柔软指的位置和姿态转角θ_finger，其实时获取方式为依据所述机械臂的运动位姿获得；

所述转页A的转角θ_A，其实时获取方式为依据所述角度传感器的读数直接获得。

5.根据权利要求4所述的一种基于仿人柔软指的转轴全工作域力学性能检测方法，其特征在于，依据所述仿人柔软指的变形数据计算获得所述仿人柔软指的操作力数据的具体方法为，首先获得所述仿人柔软指的空间刚度模型，再基于该刚度模型、变形数据，计算得到所述仿人柔软指的操作力数据。

6.根据权利要求1所述的一种基于仿人柔软指的转轴全工作域力学性能检测方法，其特征在于，所述仿人柔软指和所述机械臂之间加装有空间多轴力传感器，通过空间多轴力传感器，为所述力学性能检测提供校准和反馈。

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