CN113146665B - 一种带有触觉反馈和可变刚度的灵巧手及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有触觉反馈和可变刚度的灵巧手及其控制方法，方法包括：S1，控制第一激磁线圈的电流，使第一激磁线圈与弹簧相互配合，控制柔性件的凸起与收缩运动，使灵巧手抓握住被抓物体；控制第二激磁线圈，调节磁流变液，使磁流变液由液体转变为固体；S2，改变灵巧手的手指角度，增加抓握力度，通过手指角度的变化值推算出被抓物体的形变量，通过触觉感应电路，检测抓握的力度值；S3，根据多个触觉感应点位的力度值和被抓物体的形变量，估算出被抓物体的刚度；S4，根据预设的被抓物体的刚度阈值，调节磁流变液的刚度；灵巧手包括：灵巧手本体及其上设有的检测单元、由触觉感应电路构成的阵列。

Description

一种带有触觉反馈和可变刚度的灵巧手及其控制方法
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及了一种带有触觉反馈和可变刚度的灵巧手及其控制方法。
背景技术
随着科学技术的发展，越来越多的机器人应用到人们的日常生活和工作当中，机器人手作为机器人的执行终端之一，主要负责完成物体的抓取和释放功能。机器人手主要分为非拟人手和拟人手。非拟人手是指没有手指的抓持器，包括吸盘、磁铁等装置；拟人手是指具有手指的抓持器，主要可以分为：工业夹持器，欠驱动手和灵巧手。工业夹持器一般包括一个驱动器和两个手指，结构简单，但仅能实现少部分抓取功能；欠驱动手是指手指驱动器数量小于自由度；灵巧手是指三个以上手指和九个以上自由度的多指机器人手，具有自由度高，动作灵巧等优点，可以模拟人手的抓取释放动作。在实际应用过程中，灵巧手由于没有很好的刚性适应性，抓取物体时可能会对手和被抓物体造成损害，或者无法稳定抓取，例如抓取蔬菜水果等较为柔软的物体时可能会由于果蔬的表皮脆弱而导致果蔬损伤。
磁流变液是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。在无磁场环境时，磁流变液呈现低粘度的牛顿流体特性。在外加磁场时呈现为高粘度、低流动性的宾汉流体特性。这种转换能耗低，易于控制，反应迅速，因此磁流变液是一种性能优良的智能材料。
发明内容
为解决现有技术的不足，通过抓握测试估算被抓取物体的刚度并自主调节自身刚度，实现良好的抓取效果，通过磁流变液在灵巧手上的应用使得灵巧手抓握更加易于控制，减少了抓握过程对灵巧手和被抓物体的损耗，本发明采用如下的技术方案：
一种带有触觉反馈和可变刚度的灵巧手控制方法，包括如下步骤：
S1，控制第一激磁线圈的电流，使第一激磁线圈与弹簧相互配合，控制柔性件的凸起与收缩运动，使灵巧手刚好抓握住被抓物体；控制第二激磁线圈，调节磁流变液，使磁流变液由液体转变为固体，此时其刚度为最大；
S2，略微改变灵巧手的手指角度，增加抓握力度，通过手指角度的变化值推算出被抓物体微小的形变量，通过触觉感应电路，检测抓握的力度值；
S3，根据多个触觉感应点位的力度值和被抓物体的形变量，估算出被抓物体的刚度；
S4，根据预设的被抓物体的刚度阈值，调节磁流变液的刚度，从而实现对被抓物体良好的抓握效果，同时，根据被抓物体的不同，灵巧手表面多个封装有磁流变液的半球形柔性件的凸起，会随着磁流变液的刚度变化而产生不同柔软程度的变化，以减少对于灵巧手或被抓物体的损害。
进一步地，所述步骤S1中，对第一激磁线圈施加电压，使第一激磁线圈里产生电流，进而在第一激磁线圈上产生与电流成比例的力，使第一激磁线圈在气隙内沿轴向运动，通过第一激磁线圈的电流方向控制其运动方向。
进一步地，所述步骤S1中，对第二激磁线圈施加电压，在第二激磁线圈里产生电流，进而产生磁场，磁流变液在磁场作用下由液态转换为固态，当停止施加电压时，电流消失，磁场消失，磁流变液恢复为液态的初始状态。
进一步地，所述步骤S2中被抓取物体的形变量的推算，当手指关节弯曲抓取物体时，若绕关节的转动角变化量为Δθ，关节转动点到抓取物的距离为l，则被抓取物体的形变量近似为：
Δx＝l*sin(Δθ) (1)。
进一步地，所述步骤S2中抓握的力度值的检测，所述触觉感应电路是手指关节表面覆盖的压阻型薄膜型触觉传感器，当表面施加的力增加时其电阻会降低，施加力F与电阻R对应的函数关系为：
R＝f(F) (2)
其中，函数f根据不同的触觉传感器有不同的函数表达式，在进行抓取时，若测量到的触觉传感器阵列的电阻为：
R1，R2…Rm (3)
其中，m为测量到阻值的触觉传感器数量，则每个传感器所受的力为：
F1＝f-1(R1)，F2＝f-1(R2)…Fm＝f-1(Rm) (4)
抓握的力度值，即抓握的总力Ft为：
Ft＝F1+F2+…+Fm (5)。
进一步地，所述步骤S3中被抓物体的刚度：
k＝Ft/Δx (6)
若弹性特性类似于弹簧的物体，所述k为被抓物体的弹簧刚度，Δx是从手指接触到被抓物体，到手指停止运动时的形变量，Ft是抓握的力度值，即抓握的总力。
一种带有触觉反馈和可变刚度的灵巧手，包括：灵巧手本体，所述灵巧手本体上设有检测单元，以及由触觉感应电路构成的阵列，触觉感应电路分别与包裹有磁流变液的柔性件和第二激磁线圈连接，第二激磁线圈与设置弹簧的第一激磁线圈连接，第一激磁线圈、第二激磁线圈分别与线圈控制单元连接；
通过线圈控制单元控制第一激磁线圈，使第一激磁线圈与弹簧配合，控制柔性件的凸起与收缩运动，使灵巧手本体刚好能抓握住被抓物体；
通过线圈控制单元控制第二激磁线圈，调节磁流变液的固液转变，从而调节磁流变液刚度；
所述触觉感应电路，用于测量灵巧手本体抓取时对应触觉感应点位的力度值；
所述检测单元，用于检测灵巧手本体抓握时各手指角度的变化。
进一步地，所述阵列包括指尖触觉感应阵列、指中触觉感应阵列和掌中触觉感应阵列，分别设置在灵巧手本体的指尖、指中和掌中。
进一步地，所述柔性件为半球形。
进一步地，所述柔性件采用布、网或膜的薄壁结构。
本发明的优势和有益效果在于：
本发明提出的一种带有触觉反馈和可变刚度的灵巧手及其控制方法，可以根据被抓物体的不同，测算被抓物体的刚度，并利用磁流变液自动调节灵巧手表面的刚度，解决了抓握柔软物体损害被抓物体，或者抓握坚硬物体损害灵巧手等问题。
附图说明
图1是本发明的灵巧手的结构示意图。
图2是本发明的控制方法流程图。
图3是本发明中触觉感应点位的侧视剖面图。
图4是本发明中触觉感应点位分布图。
图5是本发明中触觉感应点位外观图。
其中：1-灵巧手本体，2-指尖触觉感应阵列，3-指中触觉感应阵列，4-触觉感应点位，5-掌中触觉感应阵列，6-第一激磁线圈，7-弹簧，8-第二激磁线圈，9-触觉感应电路，10-磁流变液，11-柔性件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1、图3-图5所示，带有触觉反馈和可变刚度的灵巧手，包含灵巧手本体1，灵巧手本体 1上设有指尖触觉感应阵列2、指中触觉感应阵列3和掌中触觉感应阵列5，每个阵列包含一组触觉感应点位4，每个触觉感应点位4包含：第一激磁线圈6、第二激磁线圈8、线圈控制单元、弹簧7、触觉感应电路9，柔性件11和磁流变液10。在单个触觉感应点位4中，第一激磁线圈6与弹簧7共同作用下完成该点位柔性件11的凸起与收缩，第二激磁线圈8与磁流变液10的共同作用下完成该点位刚度的调节，触觉感应电路9位于柔性件11内侧，用于测量抓取时对应点位的压力值。
如图2所示，工作步骤如下：
通过控制第一激磁线圈6的电流，控制对应触觉感应点位4的柔性件11的凸起与收缩运动状况，使灵巧手刚好能抓握住被抓物体；调节第二激磁线圈8的控制单元调节磁流变液10 的物理特性使得磁流变液10由液体转变为固体，此时其刚度为最大。略微改变灵巧手各手指的角度，使得抓握力度增加，通过手指角度的变化值推算出被抓物体微小的形变量，通过触觉感应电路9检测得到抓握时对应点位的力度值。根据多个点位力度值和被抓物体的形变量估算得到被抓物体的刚度。根据设置好的被抓物体的刚度阈值范围调节磁流变液10的刚度，从而实现对物体良好的抓握效果。
工作原理如下：
给第一激磁线圈6施加电压在线圈里产生电流，进而在线圈上产生与电流成比例的力，使线圈在气隙内沿轴向运动，通过线圈的电流方向控制其运动方向。给第二激磁线圈8施加电压在线圈里产生电流，从而产生磁场，磁流变液10在磁场作用下物理特性与物理状态发生改变，当停止施加电流时，磁场消失，磁流变液10恢复为液态的初始状态。
具体来说，带有触觉反馈和可变刚度的灵巧手抓握物体时，首先通过抓握测试对被抓握物体进行刚度检测，而后根据设置好的被抓物体的刚度阈值范围通过激磁线圈调节磁流变液的物理状态，从而实现良好的抓握效果。
本发明提出的一种带有触觉反馈和可变刚度的灵巧手可以根据被抓物体的不同测算被抓物体的刚度，并利用磁流变液10自动调节灵巧手表面的刚度，解决了抓握柔软物体损害被抓物体或者抓握坚硬物体损害灵巧手等问题。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种带有触觉反馈和可变刚度的灵巧手控制方法，其特征在于灵巧手本体(1)上设有检测单元，以及由触觉感应电路(9)构成的阵列，触觉感应电路(9)分别与包裹有磁流变液(10)的柔性件(11)和第二激磁线圈(8)连接，第二激磁线圈(8)与设置弹簧(7)的第一激磁线圈(6)连接，第一激磁线圈(6)、第二激磁线圈(8)分别与线圈控制单元连接，控制方法包括如下步骤：
S1，控制第一激磁线圈(6)的电流，通过线圈控制单元控制第一激磁线圈(6)，使第一激磁线圈(6)在气隙内沿轴向运动，第一激磁线圈(6)与弹簧(7)相互配合，控制柔性件(11)的凸起与收缩运动，使灵巧手抓握住被抓物体；控制第二激磁线圈(8)，调节磁流变液(10)，使磁流变液(10)由液体转变为固体；
S2，改变灵巧手的手指角度，增加抓握力度，通过手指角度的变化值推算出被抓物体的形变量，通过触觉感应电路(9)，检测抓握的力度值；
S3，根据多个触觉感应电路(9)的力度值和被抓物体的形变量，估算出被抓物体的刚度；
S4，根据预设的被抓物体的刚度阈值，调节磁流变液(10)的刚度。
2.如权利要求1所述的一种带有触觉反馈和可变刚度的灵巧手控制方法，其特征在于所述步骤S1中，对第一激磁线圈(6)施加电压，使第一激磁线圈(6)里产生电流，进而在第一激磁线圈(6)上产生与电流成比例的力，使第一激磁线圈(6)在气隙内沿轴向运动，通过第一激磁线圈(6)的电流方向控制其运动方向。
3.如权利要求1所述的一种带有触觉反馈和可变刚度的灵巧手控制方法，其特征在于所述步骤S1中，对第二激磁线圈(8)施加电压，在第二激磁线圈(8)里产生电流，进而产生磁场，磁流变液(10)在磁场作用下由液态转换为固态，当停止施加电压时，电流消失，磁场消失，磁流变液(10)恢复为液态的初始状态。
4.如权利要求1所述的一种带有触觉反馈和可变刚度的灵巧手控制方法，其特征在于所述步骤S2中被抓取物体的形变量的推算，当手指关节弯曲抓取物体时，若绕关节的转动角变化量为Δθ，关节转动点到抓取物的距离为l，则被抓取物体的形变量近似为：
Δx＝l*sin(Δθ) (1)。
5.如权利要求1所述的一种带有触觉反馈和可变刚度的灵巧手控制方法，其特征在于所述步骤S2中抓握的力度值的检测，所述触觉感应电路(9)是压阻型薄膜型触觉传感器，当施加的力增加时其电阻会降低，施加力F与电阻R对应的函数关系为：
R＝f(F) (2)
在进行抓取时，若测量到的触觉传感器阵列的电阻为：
R1，R2…Rm (3)
其中，m为测量到阻值的触觉传感器数量，则每个传感器所受的力为：
F1＝f-1(R1)，F2＝f-1(R2)…Fm＝f-1(Rm) (4)
抓握的力度值，即抓握的总力Ft为：
Ft＝F1+F2+…+Fm (5)。
6.如权利要求1所述的一种带有触觉反馈和可变刚度的灵巧手控制方法，其特征在于所述步骤S3中被抓物体的刚度：
k＝Ft/Δx (6)
所述k为被抓物体刚度，Δx是被抓物体的形变量，Ft是抓握的力度值。
7.一种带有触觉反馈和可变刚度的灵巧手，包括：灵巧手本体(1)，其特征在于所述灵巧手本体(1)上设有检测单元，以及由触觉感应电路(9)构成的阵列，触觉感应电路(9)分别与包裹有磁流变液(10)的柔性件(11)和第二激磁线圈(8)连接，第二激磁线圈(8)与设置弹簧(7)的第一激磁线圈(6)连接，第一激磁线圈(6)、第二激磁线圈(8)分别与线圈控制单元连接；
通过线圈控制单元控制第一激磁线圈(6)，使第一激磁线圈(6)与弹簧(7)配合，控制柔性件(11)的凸起与收缩运动；
通过线圈控制单元控制第二激磁线圈(8)，调节磁流变液(10)的固液转变；
所述触觉感应电路，用于测量灵巧手本体(1)抓取时对应触觉感应电路(9)的力度值；
所述检测单元，用于检测灵巧手本体(1)抓握时各手指角度的变化。
8.如权利要求7所述的一种带有触觉反馈和可变刚度的灵巧手，其特征在于所述阵列包括指尖触觉感应阵列(2)、指中触觉感应阵列(3)和掌中触觉感应阵列(5)，分别设置在灵巧手本体(1)的指尖、指中和掌中。
9.如权利要求7所述的一种带有触觉反馈和可变刚度的灵巧手，其特征在于所述柔性件(11)为半球形。
10.如权利要求7所述的一种带有触觉反馈和可变刚度的灵巧手，其特征在于所述柔性件(11)采用布、网或膜的薄壁结构。
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