CN112123366A - 一种基于人工肌肉驱动的软体抓取装置、方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于人工肌肉驱动的软体抓取装置以及软体抓取方法，软体抓取装置包括手臂、手掌和多根软体手指，其中手掌设置在手臂上，多根软体手指均匀分布或者相对设置在手掌上，软体手指包括端盖、手指本体、弯曲传感器、人工肌肉，手指本体通过端盖连接在手掌上，手指本体内设有沿其轴线方向并行的第一槽孔、第二槽孔、第三槽孔，人工肌肉设置于第一槽孔中并位于手指本体的抓取正面，弯曲传感器设置于第二槽孔中并位于手指本体的抓取背面，连接用的线材设置于第三槽孔中并位于手指本体的中部，第一槽孔、第二槽孔、第三槽孔之间相互连通。本发明具有结构紧凑、抓取能力强的优点。

Description

一种基于人工肌肉驱动的软体抓取装置、方法

技术领域

本发明属于柔性机器人技术领域，具体涉及一种基于人工肌肉驱动的软体抓取装置、软体抓取方法。

背景技术

近年来，随着智能制造浪潮的兴起，抓取型机器人在医疗护理、家政服务、宇宙空间探索、工业自动化生产等领域的应用得到了越来越广泛的关注，而在抓取机器人系统中，刚性抓取手因其结构刚度较大，人机交互或者物体抓取过程中的存在潜在风险，而软体抓取手具有高度柔顺性和对物体表面的适应性，可以实现更灵活的变形，即使发生碰撞也不存在危险，在很多场合有广泛的应用前景。

软体抓取手常见的驱动方式有气动和人工肌肉两种，气动驱动方式需要气泵等大体积器件，难以满足结构微小型化的要求；而传统的人工肌肉如形状记忆合金丝、压电制动器、介电弹性体驱动器等，大多价格昂贵、驱动条件苛刻，不是经济理想的驱动方式。

2014年国外学者提出了一种尼龙人工肌肉，这种人工肌肉只需要对价格低廉的尼龙线进行扭转就能制作，通过简单加热就能驱动人工肌肉长度变化，同时具备可观的输出力和能承受相当于人类同等质量的肌肉所能承受的一百倍重的负载，并且寿命较长。是柔性机器人理想的驱动方式，本发明为基于尼龙人工肌肉驱动的软体抓取手，该抓取手可以自行适应物体表面形状进行抓取作业，不存在损坏物体表面的风险，同时得益于尼龙人工肌肉的优点，该抓取手驱动方便，体积小且结构简单。

中国专利201710346369.1采用软体吸附式的方式，通过气压驱动手指弯曲，同时通过软体手臂上吸盘的吸附力实现对物体的抓取，这种结构方式对被抓物体表面质量要求较高，如果表面凹凸不平则抓取效果大打折扣。

中国专利201821781114.4公开了一种工业用软体抓取机器人，通过在球形结构中充气，使内部颗粒物挤压被抓物体实现抓取，这种方式只能对小物体实现抓取，对体积大于球形结构的物体则束手无策；

中国专利201720365517.X公开了一种气体驱动柔性高分子软体机械手，采用外部气泵向软体抓取手中的气腔充气，使手指弯曲实现抓取，该方式受限于气泵庞大的体积，无法实现整体结构小型化。

中国专利201920352563.5公开了一种热膨胀流体复合异形腔体驱动型机器人软体手，采用热膨胀流体复合异性腔体和形状记忆合金结合的方式对手指进行驱动实现抓取，该方式成本高，制作复杂。

现有常见的软体抓取手中，采用吸盘吸附型在特定应用场合可以有很好的效果，但对被抓物体的表面要求很高，如果表面凹凸不平则抓取效果大打折扣；采用球形结构，气腔充气对物体进行挤压抓取的方式则要求被抓物体的体积要小于球形手抓的体积。

现有的软体抓取手驱动方式大多采用气动形式，这种方法可以实现手指的较大变形，但由于要依靠外在气泵和复杂的电磁阀回路实现控制，整体结构复杂庞大，难以实现小型化轻量化；采用形状记忆合金丝等方式驱动能够提供较大的输出力，但成本较高，不适合大规模应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于人工肌肉驱动的软体抓取装置以及软体抓取方法，具有结构紧凑、抓取能力强的优点。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于人工肌肉驱动的软体抓取装置，包括手臂、手掌和多根软体手指，其中手掌设置在手臂上，多根软体手指均匀分布或者相对设置在手掌上，软体手指包括端盖、手指本体、弯曲传感器、人工肌肉，手指本体通过端盖连接在手掌上，手指本体内设有沿其轴线方向并行的第一槽孔、第二槽孔、第三槽孔，人工肌肉设置于第一槽孔中并位于手指本体的抓取正面，弯曲传感器设置于第二槽孔中并位于手指本体的抓取背面，连接用的线材设置于第三槽孔中并位于手指本体的中部，第一槽孔、第二槽孔、第三槽孔之间相互连通。

在发明的上述技术方案中，多根软体手指之间互相配合以协同完成抓取过程，例如设置三个或者三个以上的软体手指，在软体手指的手指本体中设置特殊的第一槽孔、第二槽孔和第三槽孔结构，以分别完成弯曲传感器、人工肌肉以及连接用的线材的安装，将弯曲传感器和线材全部内藏在手指本体的内部，大大减少所占用的空间，手指本体的外观整洁度大大提高。

根据本发明的另一种具体实施方式，手指本体的端部进一步定位插槽，端盖上设有与定位插槽匹配的插脚，插脚插接在定位插槽中以将安装后的人工肌肉进行定位。

其中，在手指本体的两端部均设有定位插槽，优选在人工肌肉上设有连接用的两个卡环，其中一个卡环设置于手指本体远端的定位插槽中，另一个卡环设置于端盖上，人工肌肉穿过端盖与该另一个卡环连接，以实现端盖与手指本体之间的稳固连接。

根据本发明的另一种具体实施方式，手指本体进一步包括耐高温管，人工肌肉装载在耐高温管中后一并设置于第一槽孔中。

根据本发明的另一种具体实施方式，手指本体的抓取正面设置有若干凸起，若干凸起之间存在间隙以在人工肌肉受热收缩时降低手指本体朝向指定方向的弯曲阻力。

其中相邻的凸起之间的间隙优选为相同，具体间隙大小根据手指本体的设计尺寸而定。

根据本发明的另一种具体实施方式，手掌设有安装软体手指用的多个凹槽，凹槽的槽深方向与手掌的中垂线之间具有5°至20°的倾角，例如图为10°，以提高软体手指的抓取空间。

这里的凹槽的槽深方向与软体手指的长度方向接近或者完全重合。

根据本发明的另一种具体实施方式，手指本体的两侧面边缘形成为具有斜度或者坡度的过渡面。

其中，在手指本体的表面设计有适当斜度或坡度以改变手指本体不同位置的弯曲能力，以帮助软体手指重要的抓取受力点实现较大的变形。

本发明同时还提供了一种利用前述基于人工肌肉驱动的软体抓取装置的软体抓取方法，软体抓取方法包括在人工肌肉表面伴随缠绕有第一电阻丝和第二电阻丝，第一电阻丝用作对人工肌肉进行驱动加热，第一电阻丝的阻值在驱动加热过程中保持恒定，第二电阻丝用作检测人工肌肉的温度，第二电阻丝的阻值随着人工肌肉的温度而产生相应变化。

其中采用在尼龙人工肌肉表面伴随缠绕有两根材料不同的电阻丝，第一电阻丝加热效果好，但是电阻随温度变化不明显的，优选为直径0.15mm镍铬合金丝，利用第一电阻丝实现对人工肌肉的驱动加热；第二电阻丝阻值感温性能好，第二电阻丝的阻值随温度变化明显，优选为0.2mm的铜丝。

在本发明的上述技术方案中，通过第一电阻丝和第二电阻丝可以在进行对人工肌肉加热驱动的同时精准感知人工肌肉的温度，避免人工肌肉被烧毁的风险。

现有的尼龙人工肌肉测温方式中，采用红外测温传感器的方法，由于人工肌肉直径往往小于传感器探头的尺寸，并且人工肌肉较长，测温传感器无法覆盖人工肌肉全长，从而导致测温数据往往不准确；采用水浴的方式可以获得准确的温度数据，但是由于水浴要求复杂臃肿的外部设备，同时还要考虑密封的问题，这会导致尼龙人工肌肉驱动器结构尺寸庞大，无法实现小型化设计。

根据本发明的另一种具体实施方式，第二电阻丝的外周套装有耐高温绝缘层，绝缘层例如为耐高温绝缘漆。

根据本发明的另一种具体实施方式，通过弯曲传感器获得当前软体手指的弯曲角度、通过第二电阻丝获得当前人工肌肉的温度值，将所获得弯曲角度数据、温度值数据传输至PID控制器，分别对期望温度值和功率值进行调节。

根据本发明的另一种具体实施方式，第二电阻丝的阻值与人工肌肉的实时温度值的关系式为：

T＝25+(R－R_25℃)/(0.00246·R_25℃)；

其中，T为人工肌肉的实时温度值，R为第二电阻丝的阻值，R_25℃为25℃时第二电阻丝的阻值。

本发明具备以下有益效果：

本发明软体手指中设置多个槽孔结构，将角度传感器、连接用的线材和人工肌肉进行内置，整体结构紧凑，外观整洁度好，同时便于将线材等引至手臂，控制部分进行后置，更适用于小型化设计的需求。

此外，本发明采用具有一定倾斜的多根软体手指对物体进行抓取，可以适用于更多形状、更大体积的物体，尤其是不规则物体的抓取。

本发明通过第一电阻丝和第二电阻丝可以在进行对人工肌肉加热驱动的同时精准感知人工肌肉的温度，避免人工肌肉被烧毁的风险，测温方式简单，能够覆盖人工肌肉全长，相对于传统的测温方法有更好的测温精确度，同时不需要复杂的外部设备，可以实现人工肌肉驱动器的小型化。

本发明优选采用尼龙人工肌肉，该方式驱动条件简单，不依赖复杂庞大的外部器件和复杂的电路结构，仅仅需要对伴随人工肌肉缠绕的电阻丝通电使之对人工肌肉加热即可实现驱动，使得整体结构高度集成化、小型化。

此外，尼龙人工肌肉制作材料为价格低廉易得的尼龙钓鱼线或者缝纫线，并且制作工艺简单，不需要复杂的制作设备，这大大降低的软体抓取手制作的整体价格成本和时间成本。

本发明采用的人工肌肉温度、软体手指弯曲角度双闭环控制方法，相较于传统方法响应速度有很大提升，同时由于对温度进行实时的控制，不存在温度失控而烧毁人工肌肉的风险。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明软体抓取装置的结构示意图；

图2是本发明手掌的结构示意图；

图3是单个软体手指的结构示意图；

图4是单个软体手指的分解示意图；

图5是手指本体的剖面示意图；

图6是人工肌肉上所缠绕的第一电阻丝、第二电阻丝的示意图；

图7是第二电阻丝的电阻和温度的关系图；

图8是第二电阻丝实测值与计算值的对比图；

图9是人工肌肉温度、弯曲角度双PID闭环控制的框图；

图10是本发明方法的控制逻辑框图；

图11是本发明分别对5°和10°的阶跃弯曲角度信号响应情况；

图12是本发明对幅值为5°和10°，周期50s的方波信号的响应情况。

具体实施方式

一种基于人工肌肉驱动的软体抓取装置，如图1－6所示，包括手臂100、手掌200和三根软体手指300，手掌200设置在手臂100上，三根软体手指300以均匀分布的方式设置在手掌200上。

软体手指300包括端盖310、手指本体320、弯曲传感器330、人工肌肉340、耐高温管350，手指本体320通过端盖310连接在手掌200上，手指本体320内设有沿其轴线方向并行的第一槽孔321、第二槽孔322、第三槽孔323，如图4、5所示，其中，图5a是手指本体320的纵向剖视图，图5b是手指本体320的横向剖视图，人工肌肉340套装在耐高温管350内后设置于第一槽孔321中并位于手指本体320的抓取正面，弯曲传感器330设置于第二槽孔322中并位于手指本体320的抓取背面，连接用的线材设置于第三槽孔323中并位于手指本体320的中部，第一槽孔321、第二槽孔322、第三槽孔323之间相互连通。

手指本体320的远端和近端均设有定位插槽324，端盖310上设有与手指本体320的近端的定位插槽324匹配的插脚311，例如为图4中示出的三个插脚311，插脚311插接在定位插槽324中以将安装后的人工肌肉340进行定位。

具体的，手掌200设有安装软体手指300用的多个凹槽210，如图2所示，凹槽210的槽深方向与手掌200的中垂线之间具有5°至20°的倾角，例如为10°，多根软体手指300以一定的倾斜角度对物体进行抓取，可以适用于更多形状、更大体积的物体，尤其是不规则物体的抓取，提高软体手指300的抓取空间。

再具体的，人工肌肉340上设有两个卡环341，其中一个卡环341设置于手指本体320远端的定位插槽324中，另一个卡环341设置于端盖310上，人工肌肉340穿过端盖310与该另一个卡环341连接，以实现端盖310与手指本体320之间的稳固连接，如图3所示，其中图3a是软体手指300外部结构示意图，图3b是软体手指300的纵向剖视图，以显示内部的安装位置。

进一步的，手指本体320的抓取正面设置有若干凸起325，若干凸起325之间存在间隙以在人工肌肉340受热收缩时降低手指本体320朝向指定方向的弯曲阻力。

其中相邻的凸起325之间的间隙优选为相同，具体间隙大小根据手指本体320的设计尺寸而定。

再进一步的，手指本体320的两侧面边缘形成为具有斜度或者坡度的过渡面326，在手指本体320的表面设计有适当斜度或坡度或者弧度的过渡面326以改变手指本体320不同位置的弯曲能力，以帮助软体手指300重要的抓取受力点实现较大的变形。

本发明中的手掌200例如通过螺栓与手臂100相连，手臂100内部通过例如六块沿圆周均匀插入的小型电路板集成安装了软体手指300所需要的驱动MOS管元件、电阻传感器模块和弯曲传感器所需电路等，同时将所有电源口及控制端口通过接线端子的形式引出，方便于电源及单片机相连；各种传感及驱动器件封装集成在手臂100内，实现整体结构的集成化、小型化、轻量化设计。

其中，一种具体的手指主体为：材料优选为80度的软胶，采用3D打印制成，总体长度为130mm，最宽处为15mm，高度为13mm，总体重量只有13.6g，在手指本体320外部沿轴线方向设计了9个间隔3mm的凸起325结构，在人工肌肉340受热收缩时，该凸起325结构可以帮助软体手指300朝向指定方向弯曲，同时减少弯曲时的阻力；另外手指主体两侧有一定的斜度(或者弧面)，以帮助软体手指300在抓取时，减少指尖处的变形阻力，使指尖有更大的弯曲确保抓牢物体。

本发明基于人工肌肉340驱动的软体抓取方法包括在人工肌肉340表面伴随缠绕有第一电阻丝342和第二电阻丝343，如图6所示，第一电阻丝342用作对人工肌肉340进行驱动加热，第一电阻丝342的阻值在驱动加热过程中保持恒定，第二电阻丝343用作检测人工肌肉340的温度，第二电阻丝343的阻值随着人工肌肉340的温度而产生相应变化。

其中第一电阻丝342优选为直径0.15mm的镍铬合金丝，其加热效果好，并且电阻随温度变化不明显，利用第一电阻丝342实现对人工肌肉340的驱动加热；

第二电阻丝343优选为直径0.2mm的铜丝，其阻值感温性能好，并且阻值随温度变化明显，利用第二电阻丝343实现对人工肌肉340的测温。

第一电阻丝342和第二电阻丝343可以在进行对人工肌肉340加热驱动的同时精准感知人工肌肉340的温度，避免人工肌肉340被烧毁的风险。

其中为了防止第一电阻丝342和第二电阻丝343之间可能存在的干扰，第二电阻丝343的外周套装有耐高温绝缘层，绝缘层例如为耐高温绝缘漆。

本发明通过弯曲传感器330获得当前软体手指300的弯曲角度、通过第二电阻丝343获得当前人工肌肉340的温度值，将所获得弯曲角度数据、温度值数据传输至PID控制器，分别对期望温度值和功率值进行调节。

为了得到该第二电阻丝343的电阻和温度的具体关系，在恒温箱中对第二电阻丝343(含耐高温绝缘层)进行的标定实验，实验结果如图7所示，由该图可以知道所采用第二电阻丝343的电阻率温度系数为0.00246Ω·℃^－1，只要测得该第二电阻丝343在25℃时的电阻值R_25℃将实时电阻值R代入T＝25+(R－R_25℃)/(0.00246·R_25℃)即可知道人工肌肉340的实时温度值T，其中T为人工肌肉340的实时温度值，R为第二电阻丝343的阻值，R_25℃为25℃时第二电阻丝343的阻值。

如图8所示，其显示了第二电阻丝343的测温精度，可以看到在温度从20℃到180℃变化的范围内，最大的温度误差也不超过3℃。

如图9所示，其显示了软体手指300的人工肌肉340温度、弯曲角度双PID闭环控制的策略框图，通过所得到的当前弯曲角度值和当前人工肌肉340温度值，将两组数组分别送入各自的PID控制器，分别对期望温度值Td和功率值P进行调节，再通过施加在驱动电阻丝上的功率P实现对人工肌肉340的加热，驱动人工肌肉340长度缩短，进而实现对弯曲角度和温度的双闭环控制。

如图10所示，其显示了控制逻辑的框图，使用个人电脑作为上位机，上位机向下位机STM32发送控制指令，利用下位机获得三个软体手指300内部弯曲传感器330送回的弯曲角度信息，同时获得三个电阻传感器传回的三根人工肌肉340表面缠绕的第二电阻丝343的电阻数据，利用电阻数据计算得到温度数据，下位机进行数据处理后调节期望温度值并控制MOS管调节人工肌肉340温度，进而实现对软体手指300弯曲角度的调节。

图11为分别对5°和10°的阶跃弯曲角度信号响应情况，通过响应结果可以发现，本发明的软体抓取方法可以在较小超调的情况下稳定达到目标信号要求；图12为对幅值为5°和10°周期50s的方波信号的响应情况，通过该结果可以发现双闭环控制策略可以在较快响应速度的情况下跟踪到目标信号。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于人工肌肉驱动的软体抓取装置，其特征在于，包括手臂、手掌和多根软体手指，其中所述手掌设置在所述手臂上，多根所述软体手指均匀分布或者相对设置在所述手掌上，所述软体手指包括端盖、手指本体、弯曲传感器、人工肌肉，所述手指本体通过所述端盖连接在所述手掌上，所述手指本体内设有沿其轴线方向并行的第一槽孔、第二槽孔、第三槽孔，所述人工肌肉设置于所述第一槽孔中并位于所述手指本体的抓取正面，所述弯曲传感器设置于所述第二槽孔中并位于所述手指本体的抓取背面，连接用的线材设置于所述第三槽孔中并位于所述手指本体的中部，所述第一槽孔、所述第二槽孔、所述第三槽孔之间相互连通。

2.如权利要求1所述的基于人工肌肉驱动的软体抓取装置，其特征在于，所述手指本体的端部进一步定位插槽，所述端盖上设有与所述定位插槽匹配的插脚，所述插脚插接在所述定位插槽中以将安装后的人工肌肉进行定位。

3.如权利要求1所述的基于人工肌肉驱动的软体抓取装置，其特征在于，所述手指本体进一步包括耐高温管，所述人工肌肉装载在所述耐高温管中后一并设置于所述第一槽孔中。

4.如权利要求1所述的基于人工肌肉驱动的软体抓取装置，其特征在于，所述手指本体的抓取正面设置有若干凸起，若干所述凸起之间存在间隙以在人工肌肉受热收缩时降低所述手指本体朝向指定方向的弯曲阻力。

5.如权利要求1所述的基于人工肌肉驱动的软体抓取装置，其特征在于，所述手掌设有安装所述软体手指用的多个凹槽，所述凹槽的槽深方向与所述手掌的中垂线之间具有5°至20°的倾角。

6.如权利要求1所述的基于人工肌肉驱动的软体抓取装置，其特征在于，所述手指本体的两侧面边缘形成为具有斜度或者坡度的过渡面。

7.一种利用权利要求1－6任一项所述的基于人工肌肉驱动的软体抓取装置的软体抓取方法，其特征在于，所述软体抓取方法包括在人工肌肉表面伴随缠绕有第一电阻丝和第二电阻丝，所述第一电阻丝用作对人工肌肉进行驱动加热，所述第一电阻丝的阻值在驱动加热过程中保持恒定，所述第二电阻丝用作检测人工肌肉的温度，所述第二电阻丝的阻值随着人工肌肉的温度而产生相应变化。

8.如权利要求7所述的软体抓取方法，其特征在于，所述第二电阻丝的外周套装有耐高温绝缘层。

9.如权利要求7所述的软体抓取方法，其特征在于，通过弯曲传感器获得当前软体手指的弯曲角度、通过第二电阻丝获得当前人工肌肉的温度值，将所获得弯曲角度数据、温度值数据传输至PID控制器，分别对期望温度值和功率值进行调节。

10.如权利要求7所述的软体抓取方法，其特征在于，所述第二电阻丝的阻值与人工肌肉的实时温度值的关系式为：

T＝25+(R－R_25℃)/(0.00246·R_25℃)；

其中，T为人工肌肉的实时温度值，R为第二电阻丝的阻值，R_25℃为25℃时第二电阻丝的阻值。

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