CN112141232A - 一种智能吸附腔和可调节位姿的吸附装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能吸附腔和可调节位姿的吸附装置，属于机器人技术领域。包括：吸附腔主体和柔性唇边；吸附腔主体一端用于在吸附过程中，与抽真空装置连接，另一端为柔性唇边；柔性唇边一端与吸附腔主体连接，另一端内嵌至少一个传感器，用于与被吸附目标的表面紧密贴合，从而实现对被吸附表面的被动顺应，传感器用于根据被吸附表面的弯曲曲率，输出对应响应。本发明通过该柔性唇边实现被动顺应，实现紧密贴合被吸附表面，且表面光滑，降低移动过程中产生的摩擦阻力；内嵌传感器可以实现曲率感知，得到双向曲率信息，经处理后为吸附腔主动顺应提供法向量，保证吸附腔在吸附过程中同时实现被动顺应和主动顺应，保障与被接触表面的紧密贴合。

Description

一种智能吸附腔和可调节位姿的吸附装置

技术领域

本发明属于机器人技术领域，更具体地，涉及一种智能吸附腔和可调节位姿的吸附装置。

背景技术

在爬壁机器人领域，吸附技术是最重要的技术之一。相较于磁力吸附、推力吸附和仿生吸附等而言，真空吸附可以适应任意材质的吸附表面，且可以提供较大吸附力，保证爬壁机器人有足够大的负载，因此在爬壁机器人领域应用较多。

真空吸附腔对于真空吸附能力有着很大的影响，它能否紧密贴合被吸附表面是影响吸附力的决定性因素之一。现有吸附机构大多使用橡胶吸盘，其唇边仅有被动顺应能力，遇到曲率变化较大的表面时，其顺应能力无法满足曲率贴合要求，如对飞机蒙皮进行加工处理时，其表面曲率变化大，现有吸附腔无法实现顺应贴合。

可见，目前还没有一种吸附腔，既具有柔性被动顺应能力，又具有感知能力，为主动顺应提供曲率信息和法向矢量信息，以实现主动顺应。在法向量的测量方面，现有技术通常利用离散点拟合曲面信息，误差较大。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种智能吸附腔和可调节位姿的吸附装置，其目的在于通过吸附腔柔性唇边实现对被吸附表面的被动顺应，利用吸附腔唇边内嵌的FBG传感器实现吸附腔的智能感知，为吸附腔主动顺应提供被吸附表面曲率信息。获得测量的曲率信息后，通过插补拟合等处理，获得相应法向量可用于吸附腔位姿调整。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种智能吸附腔，智能吸附腔包括：吸附腔主体和柔性唇边；

吸附腔主体一端用于在吸附过程中，与抽真空装置连接，另一端为柔性唇边；

柔性唇边一端与吸附腔主体连接，另一端内嵌至少一个柔性传感器，用于在吸附过程中，与被吸附目标的表面紧密贴合，从而实现对被吸附表面的被动顺应，柔性传感器用于根据被吸附表面的弯曲曲率，输出对应响应信息。

益处：现有吸附腔仅靠柔性材料如橡胶等的被动顺应来保证吸附腔与被吸附表面的紧密接触，但是由于被吸附表面的曲率不一定是恒定的，吸附腔可能在曲率大的被吸附表面无法仅仅靠被动顺应来保证紧密吸附，而智能吸附腔在被动顺应的基础上增加了内嵌传感器来获取被吸附表面的曲率信息，从而获得法向信息，得到法向信息后，利用调整机构调整吸附腔位姿，保证吸附腔法向与测得的被吸附表面法向对齐，减小吸附腔需要适应的范围，防止发生脱附。

优选地，柔性唇边包括：基底部分和内嵌柔性传感器部分；基底部分由柔性材料倒模浇筑形成，用于保证柔性唇边紧密贴合接触表面的同时保护内嵌传感部分；内嵌柔性传感器部分在柔性基底进行浇筑之前固定在模具相应位置，从而实现内嵌。

优选地，内嵌传感器部分采用光纤布拉格光栅传感器，响应信息为光中心波长，用于当吸附腔吸附在不同吸附曲面时，内嵌光纤布拉格光栅传感器沿着被吸附表面的弯曲曲率发生弯曲，弯曲时输出光的中心波长发生相应变化。

益处：1.可以在一根FBG布拉格光纤光栅传感器上实现多点测量2.远距离传输能力强3.本身便是柔性的，内嵌入柔性基底后发生弯曲变形时不会产生损坏。

优选地，柔性唇边为双传感层结构，自上向下分为五层：顶层保护层、光纤光栅传感层、中间基板层、光纤光栅传感层和底层保护层。

益处：有利于区分在相反方向上的相同形状。

优选地，顶层保护层和底层保护层的厚度为1mm，光纤光栅传感层的厚度为5mm。

益处：1mm便可以对传感层进行很好地保护，5mm的厚度可以得到适宜的FBG输出相应。

优选地，柔性唇边两光纤光栅传感层中的光纤布拉格光栅传感器均对应分布，且分布个数相等，从而实现凹凸两个方向的曲面曲率感知。

益处：对应分布之后，只需确定一个传感器位置便可知其它传感器位置。

优选地，传感层的各个光纤布拉格光栅传感器的输出光中心波长各不相同，所有的光纤布拉格光栅传感器刻写在相同的光纤上，从而实现一次测量便可获得所有信息。

为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种可调节位姿的吸附装置，所述吸附装置包括：抽真空结构、计算模块、调整结构和如第一方面所述的智能吸附腔；

智能吸附腔一端与抽真空结构连接，一端用于贴合被吸附目标的表面；

抽真空结构用于对智能吸附腔抽真空；

计算模块用于实时测量传感器的输出响应信息，基于响应信息实时计算被吸附表面的曲率信息和法向量，将计算得到的被吸附表面的法向量实时发送给调整结构；

调整结构用于接收被吸附表面的法向量，实时调整吸附腔的位姿以保证吸附腔法向量与被吸附表面的法向量对齐，从而实现对吸附表面的主动顺应。

优选地，计算模块通过以下方式实现被吸附表面的法向量的计算：

(1)对不同测量点处的曲率信息进行插值拟合，得到多条拟合位置-曲率曲线；

(2)根据每一条拟合的位置-曲率曲线，计算其在吸附腔中心点处的法平面；

(3)多条拟合曲线计算出的多个法平面两两相交，得到吸附腔中心点处的多条法向矢量；

(4)对多条法向矢量进行加权处理，获得吸附腔中心点处的法向量。

优选地，步骤(1)具体包括：

(1.1)对两离散测量点的曲率ρ_i,ρ_i+1进行插补，得到连续位置-曲率曲线；

(1.2)将整条位置-曲率曲线等分为多个小圆弧段，第i个小圆弧段的曲率和倾角的表达式分别如下：

其中，ρ_i,ρ_i+1分别表示第i,i+1个小圆弧段处的曲率，s_i,s_i+1分别表示第i,i+1个小圆弧段处的弧长，两点之间的弧长间隔Δs＝s_i+1-s_i，c表示待求常量；

(1.3)相邻两离散点构成小段圆弧Δs＝ds_i，得到两相邻点坐标的递推公式：

θ_i＝Δs*ρ_i

其中，x_i,x_i+1分别表示第i,i+1离散点的x轴坐标，y_i,y_i+1分别表示第i,i+1离散点的y轴坐标，ds_i表示离散点i处的弦长，θ_i表示Δs对应的圆心角；

(1.4)得到曲线的曲线方程后，便可得到中心点处的坐标，即可获得该曲线在吸附腔中心点处的法平面。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明智能吸附腔的柔性唇边实现被动顺应，实现紧密贴合被吸附表面，且表面较为光滑，降低移动过程中产生的摩擦阻力；内嵌的传感器可以实现曲率感知，得到双向曲率信息，经处理后为吸附腔主动顺应提供法向量。本发明保证吸附腔在吸附过程中可同时实现被动顺应和主动顺应，保障了与被接触表面的紧密贴合。

(2)本发明采用双层传感器设计，具有双向曲率感知能力，实现更好的曲线拟合。

(3)由于现有利用离散点拟合曲面需要经过曲率拟合曲线，曲线再拟合曲面的过程，拟合过程越多误差越大，本发明对离散点曲率进行曲线拟合后，直接利用曲线的法平面相交得到法向量，减小拟合误差。

附图说明

图1为本发明提供的一种智能吸附腔结构示意图；

图2为本发明提供的柔性唇边的局部放大示意图；

图3为本发明提供的一对FBG传感器的局部放大示意图；

图4中的(a)为本发明提供的吸附腔唇边贴合于凸表面时双向弯曲示意图，图4中的(b)为本发明提供的吸附腔唇边贴合于凹表面双向弯曲示意图；

图5为本发明提供的吸附腔唇边贴合于凸表面时波长变化与曲率之间关系理论计算图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供了一种智能吸附腔，智能吸附腔包括：吸附腔主体1和柔性唇边2；所述吸附腔主体一端用于在吸附过程中，与抽真空装置连接，另一端为柔性唇边；所述柔性唇边一端与吸附腔主体连接，另一端内嵌至少一个传感器，用于在吸附过程中，与被吸附目标的表面紧密贴合，从而实现对被吸附表面的被动顺应，所述传感器用于根据被吸附表面的弯曲曲率，输出对应响应信息。

吸附腔主体的顶部为通气口，尺寸由抽真空装置决定；底部与柔性唇边相接，底部圆环内径为r mm，外径为(r+60)mm。

柔性唇边由柔性基底和内嵌传感器组成，保证吸附腔与接触表面的紧密贴合以及实现感知能力。

柔性基底由柔性基底材料材料(包括但不限于聚二甲基硅氧烷PDMS材料、Ecoflex材料等)通过倒模铸造技术制成，其尺寸及形状根据吸附腔主体的大小而定。形成柔性基底的材料的配比，根据柔性基底所需的硬度及杨氏模量可进行调整。

所述内嵌传感器选用光纤布拉格光栅传感器(FBG)，其以圆形方式内嵌于柔性基底，在柔性基底进行浇筑之前固定在模具相应位置。其中光纤所绕成的圆形直径为d＝50mm，单根光纤包含6个光纤布拉格光栅传感器(FBG)，呈均匀分布。

如图2所示，柔性唇边整体设计分为五层：顶部和底部的两层保护层、中间的基板层以及两层光纤光栅传感层。其中，保护层厚度为1mm，传感层厚度为5mm。

图2显示了6对光纤(圆环表示)，图3将其中1对(上下为1对)截取并放大。柔性唇边两传感层中的FBG单元均对应分布，且分布个数相等，实现凹凸两个方向的曲面曲率感知。

本发明具有双向感知能力，内嵌FBG单元在不同弯曲方向(凹凸)会出现拉伸与压缩两种现象。如图4中的(a)所示，当吸附腔唇边贴合于凸表面时，固定在顶层的FBG单元将会被拉伸，而固定在底层的FBG单元会被压缩，拉伸或压缩使得光纤光栅的布拉格波长λ_B增大或减小。当吸附腔唇边贴合于凹表面时如图4中的(b)所示。因此，通过测量顶层和底层两层中所有FBG传感器单元的输出光波长可以得到各个测量点的弯曲曲率，实现曲面双向感知。

传感层的各个光纤布拉格光栅传感器(FBG)单元的中心波长各不相同，所有的FBG单元都刻写在相同的光纤上，只需一次测量便可获得所有信息，其在柔性基底进行浇筑之前固定在模具相应位置，实现内嵌。

使用前通过校准实验获得光纤光栅和弯曲曲率之间的关系，使用时只需通过检测电路测量各FBG单元输出光的中心波长即可获得接触点曲率，实现感知能力。

本发明在使用前应通过校准实验获得光纤光栅和弯曲曲率之间的关系，将柔性唇边放在具有不同曲率的圆柱参考对象上，然后记录每个光纤光栅的波长相应的变化用于校准。使用时只需通过检测电路测量各FBG单元输出光的中心波长即可获得各FBG传感器单元接触点的曲率信息，实现感知能力。

本发明不仅可通过校准试验得到波长变化与曲率之间的关系，还可通过理论计算得到。单个FBG单元长度为L，有效折射率为n，光栅的周期为a，未拉伸和压缩时中心波长为λ；中性面距FBG的距离为h/2，中性面的长度为L。中性面如图5中虚线表示，若某时刻FBG传感器所测得波长变化Δλ，r为该点曲率半径，则有

r＝L/θ得

又λ＝2na，得

因此

结合λ＝2na，可得此点的曲率为

得到各感测点的曲率信息后，对其进行插值处理，然后进行曲线拟合。吸附腔感测到的是离散曲率信息，需要得到整条曲线上的曲率信息。设测得的两离散点的曲率为ρ_i,ρ_i+1，两点之间的弧长间隔Δs＝s_i+1-s_i，弦长为ds，θ_i为Δs对应的圆心角，Δx_i,Δy_i是两离散点的坐标增量。

本发明考虑两测得的离散点之间的曲率ρ与弧长s呈线性关系如下式所示：

通过上述插补，本发明得到曲线上的连续曲率信息，接着将这段曲线再等分为多个小圆弧段，对于第i小段，已知其曲率表达式为：

倾角表达式为：

其中c可由边界条件求出。

可推出θ_i＝Δs*ρ_i，

ds_i＝Δs(ρ＝0)

可得两相邻点坐标的递推公式：

由此可以获得曲线的坐标位置，可获得该曲线在吸附腔中心点的法平面N(x,y,z)＝0，多条拟合曲线的法平面两两相交可以得到中心点处多条法向量n_i，对n_i进行加权处理便可获得该中心点的法向量

可用于后续吸附腔调整位姿，实现智能吸附腔的主动顺应功能。得到最终法向量，可用于吸附腔调整位姿，实现主动顺应。

本发明提供一种可调节位姿的吸附装置，所述吸附装置包括：抽真空结构、计算模块、调整结构和如上述智能吸附腔；所述智能吸附腔一端与所述抽真空结构连接，一端用于贴合被吸附目标的表面；抽真空结构用于对智能吸附腔抽真空；计算模块用于实时测量传感器的输出响应信息，基于响应信息实时计算被吸附表面的曲率信息和法向量，将计算得到的被吸附表面的法向量实时发送给调整结构；调整结构用于接收被吸附表面的法向量，实时调整吸附腔的位姿以保证吸附腔法向量与被吸附表面的法向量对齐，从而实现对吸附表面的主动顺应。

本发明的可调节位姿的吸附装置的吸附过程具体如下：吸附腔通过无刷风机对其抽真空，使其吸附于接触曲面，在吸附的同时，通过3RRS机构对吸附腔进行调整，使其法向与被吸附曲面的法向对齐。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能吸附腔，其特征在于，所述智能吸附腔包括：吸附腔主体和柔性唇边；

所述吸附腔主体一端用于在吸附过程中，与抽真空装置连接，另一端为柔性唇边；

所述柔性唇边一端与吸附腔主体连接，另一端内嵌至少一个柔性传感器，用于在吸附过程中，与被吸附目标的表面紧密贴合，从而实现对被吸附表面的被动顺应，所述柔性传感器用于根据被吸附表面的弯曲曲率，输出对应响应信息。

2.如权利要求1所述的智能吸附腔，其特征在于，所述柔性唇边包括：基底部分和内嵌柔性传感器部分；所述基底部分由柔性材料倒模浇筑形成，用于保证柔性唇边紧密贴合接触表面的同时保护内嵌传感部分；所述内嵌柔性传感器部分在柔性基底进行浇筑之前固定在模具相应位置，从而实现内嵌。

3.如权利要求1或2所述的智能吸附腔，其特征在于，内嵌传感器部分采用光纤布拉格光栅传感器，所述响应信息为光中心波长，用于当吸附腔吸附在不同吸附曲面时，内嵌光纤布拉格光栅传感器沿着被吸附表面的弯曲曲率发生弯曲，弯曲时输出光的中心波长发生相应变化。

4.如权利要求3所述的智能吸附腔，其特征在于，所述柔性唇边为双传感层结构，自上向下分为五层：顶层保护层、光纤光栅传感层、中间基板层、光纤光栅传感层和底层保护层。

5.如权利要求4所述的智能吸附腔，其特征在于，顶层保护层和底层保护层的厚度为1mm，光纤光栅传感层的厚度为5mm。

6.如权利要求4或5所述的智能吸附腔，其特征在于，柔性唇边两光纤光栅传感层中的光纤布拉格光栅传感器均对应分布，且分布个数相等，从而实现凹凸两个方向的曲面曲率感知。

7.如权利要求6所述的智能吸附腔，其特征在于，传感层的各个光纤布拉格光栅传感器的输出光中心波长各不相同，所有的光纤布拉格光栅传感器刻写在相同的光纤上，从而实现一次测量便可获得所有信息。

8.一种可调节位姿的吸附装置，其特征在于，所述吸附装置包括：抽真空结构、计算模块、调整结构和如权利要求1至7任一项所述的智能吸附腔；

所述智能吸附腔一端与所述抽真空结构连接，一端用于贴合被吸附目标的表面；

抽真空结构用于对智能吸附腔抽真空；

计算模块用于实时测量传感器的输出响应信息，基于响应信息实时计算被吸附表面的曲率信息和法向量，将计算得到的被吸附表面的法向量实时发送给调整结构；

调整结构用于接收被吸附表面的法向量，实时调整吸附腔的位姿以保证吸附腔法向量与被吸附表面的法向量对齐，从而实现对吸附表面的主动顺应。

9.如权利要求8所述的吸附装置，其特征在于，所述计算模块通过以下方式实现被吸附表面的法向量的计算：

(1)对不同测量点处的曲率信息进行插值拟合，得到多条拟合位置-曲率曲线；

(2)根据每一条拟合的位置-曲率曲线，计算其在吸附腔中心点处的法平面；

(3)多条拟合曲线计算出的多个法平面两两相交，得到吸附腔中心点处的多条法向矢量；

(4)对多条法向矢量进行加权处理，获得吸附腔中心点处的法向量。

10.如权利要求9所述的吸附装置，其特征在于，步骤(1)具体包括：

(1.1)对两离散测量点的曲率ρ_i,ρ_i+1进行插补，得到连续位置-曲率曲线；

(1.2)将整条位置-曲率曲线等分为多个小圆弧段，第i个小圆弧段的曲率和倾角的表达式分别如下：

其中，ρ_i,ρ_i+1分别表示第i,i+1个小圆弧段处的曲率，s_i,s_i+1分别表示第i,i+1个小圆弧段处的弧长，两点之间的弧长间隔Δs＝s_i+1-s_i，c表示待求常量；

(1.3)相邻两离散点构成小段圆弧Δs＝ds_i，得到两相邻点坐标的递推公式：

θ_i＝Δs*ρ_i

其中，x_i,x_i+1分别表示第i,i+1离散点的x轴坐标，y_i,y_i+1分别表示第i,i+1离散点的y轴坐标，ds_i表示离散点i处的弦长，θ_i表示Δs对应的圆心角；

(1.4)得到曲线的曲线方程后，便可得到中心点处的坐标，即可获得该曲线在吸附腔中心点处的法平面。

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