CN117226818A - 一种基于视觉的力位融合测量的灵巧机械手 - Google Patents
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Abstract
一种基于视觉的力位融合测量的灵巧机械手，它涉及机器人的机械系统设计领域。本发明为解决现有机器人力和位置感知环节导致机械手系统中整体机构臃肿的问题。本发明包括大拇指、食指、中指、无名指、小拇指、手掌、两个深度相机和多个驱动测量单元，多个驱动测量单元呈圆台状均布设置，两个深度相机对称设置在多个驱动测量单元的后侧，且每个深度相机分别沿圆台母线方向设置，手掌设置在多个驱动测量单元的前端，大拇指、食指、中指、无名指和小拇指设置在手掌的前端，大拇指、食指、中指、无名指和小拇指分别与驱动测量单元连接。本发明用于力位融合测量机械手。
Description
技术领域
本发明涉及机器人的机械系统设计领域，具体涉及一种基于视觉的力位融合测量的灵巧机械手。
背景技术
随着机器人技术的不断发展，对机器人与环境进行复杂交互的能力提出了更高的要求。灵巧手因其拟人的超高自由度和灵巧性将逐步取代传统的末端夹持工具，进而在航天、制造业、仓储、智慧医疗、机器人服务业等领域都有至关重要的作用。灵巧手要实现对目标的灵巧操作与控制离不开对自身力和位置信息的感知，传统方案往往是在灵巧手的每个关节安装角度编码器、力矩传感器。然而，灵巧手通常具备超多自由度，这就需要购买同等数量的位置传感器和力传感器，这会带来很高的成本；另一方面，这些传感器的安装与走线方式需要额外进行机构设计、供电消耗也会增大，而且会制约机构体积大小，以及增加整个控制系统的复杂性。因此急需一种全新的测量灵巧手力和位置的设计方案与装置。关于力和位置融合测量的机构目前已经有部分研究者提出，但是仅仅是单个关节的原理验证，还没有应用在实际的机器人系统中。因此本发明的主要贡献是提出一款力和位置融合测量的低成本灵巧手整体设计方案与结构装置。
发明内容
本发明为了解决现有机器人力和位置感知环节导致机械手系统中整体机构臃肿的问题，进而提出一种基于视觉的力位融合测量的灵巧机械手。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种基于视觉的力位融合测量的灵巧机械手包括大拇指、食指、中指、无名指、小拇指、手掌、两个深度相机和多个驱动测量单元，多个驱动测量单元呈圆台状均布设置，两个深度相机对称设置在多个驱动测量单元的后侧，且每个深度相机分别沿圆台母线方向设置，手掌设置在多个驱动测量单元的前端，大拇指、食指、中指、无名指和小拇指设置在手掌的前端，大拇指、食指、中指、无名指和小拇指分别与驱动测量单元连接。
进一步地，所述大拇指、食指和中指均为三驱动手指机构，三驱动手指机构分别与三个驱动测量单元连接，无名指和小拇指均为两驱动手指机构，两驱动手指机构分别与两个驱动测量单元连接。
进一步地，所述驱动测量单元包括绳索、拉伸弹簧、固定框架、驱动单元和直线移动单元，驱动单元固接在固定框架上，驱动单元的输出端与直线移动单元的输入端连接，拉伸弹簧通过滑动组件与固定框架滑动连接，直线移动单元的执行端与拉伸弹簧的后端固接，拉伸弹簧的前端与绳索的一端固接，绳索的另一端与手指关节固接，深度相机朝向拉伸弹簧设置。
进一步地，所述拉伸弹簧前后两端均固接有连接端头，连接端头与滑动组件滑动连接，后端的连接端头的一侧垂直固接有弹簧B端标记点，前端的连接端头的一侧垂直固接有弹簧A端标记点。
进一步地，所述直线移动单元包括导轨、T型螺杆和T型螺母，导轨固接在固定框架上，T型螺杆与导轨并列平行设置，T型螺杆的后端与驱动单元的输出端连接，T型螺母旋装在T型螺杆上，且T型螺杆的外侧套装在导轨的上，拉伸弹簧的后端与T型螺母的前端固接。
进一步地，所述后端连接端头的后端面与T型螺母的前端面之间垂直固接有连接杆，连接杆插装在中间连接板上，且与中间连接板滑动连接。
进一步地，所述两驱动手指机构包括两驱动第一弯曲关节、两驱动第一弯曲指节、两驱动第二弯曲关节、两驱动第二弯曲指节、两驱动第三弯曲关节和两驱动第三弯曲指节，两驱动第一弯曲关节设置在手掌上，两驱动第一弯曲关节的外侧壁与一个驱动测量单元的绳索固接，两驱动第一弯曲关节的前端与两驱动第一弯曲指节的后端固接，两驱动第二弯曲关节设置在两驱动第一弯曲指节的前端，两驱动第二弯曲关节的外侧壁与另一个驱动测量单元的绳索固接，两驱动第二弯曲关节的前端与两驱动第二弯曲指节的后端固接，两驱动第三弯曲关节设置在两驱动第二弯曲指节的前端，两驱动第三弯曲关节的外侧壁通过两驱动被动绳索与两驱动第二弯曲关节的外侧壁固接，两驱动第三弯曲关节的前端与两驱动第三弯曲指节的后端固接，两驱动第三弯曲指节的两侧分别各与一个两驱动复位绳索的一端固接，两驱动复位绳索的另一端绕过两驱动第二弯曲关节和两驱动第一弯曲关节的外侧后分别与一个两驱动复位弹簧的一端固接，两驱动复位弹簧的另一端固接在手掌上。
进一步地，所述两驱动手指机构还包括三个两驱动导向滑轮，三个两驱动导向滑轮均设置在手掌的前端，一个两驱动导向滑轮设置在两驱动第一弯曲关节的后侧，另外两个两驱动导向滑轮分别设置在两驱动第一弯曲关节轴心的两侧，与两驱动第二弯曲关节的外侧壁固接的绳索依次绕过三个两驱动导向滑轮且通过两驱动第一弯曲关节的轴心。
进一步地，所述三驱动手指机构包括侧向摆动底座、侧向摆动关节、三驱动第一弯曲关节、三驱动第一弯曲指节、三驱动第二弯曲关节、三驱动第二弯曲指节、三驱动第三弯曲关节和三驱动第三弯曲指节，侧向摆动底座固接在手掌上，侧向摆动关节设置在侧向摆动底座上，侧向摆动关节的外侧壁与一个驱动测量单元的绳索固接，侧向摆动关节的前端与三驱动第一弯曲关节连接，三驱动第一弯曲关节的外侧壁与另一个驱动测量单元的绳索固接，三驱动第一弯曲关节的前端与三驱动第一弯曲指节的后端固接，三驱动第二弯曲关节设置在三驱动第一弯曲指节的前端，三驱动第二弯曲关节的外侧壁与第三个驱动测量单元的绳索固接，三驱动第二弯曲关节的前端与三驱动第二弯曲指节的后端固接，三驱动第三弯曲关节设置在三驱动第二弯曲指节的前端，三驱动第三弯曲关节的外侧壁通过三驱动被动绳索与三驱动第二弯曲关节的外侧壁固接，三驱动第三弯曲关节的前端与三驱动第三弯曲指节的后端固接，三驱动第三弯曲指节的两侧分别各与一个三驱动复位绳索的一端固接，三驱动复位绳索的另一端绕过三驱动第二弯曲关节和三驱动第一弯曲关节的外侧后分别与一个三驱动复位弹簧的一端固接，三驱动复位弹簧的另一端固接在手掌上。
进一步地，所述三驱动手指机构还包括三个三驱动导向滑轮，三个三驱动导向滑轮均设置在手掌的前端，一个三驱动导向滑轮设置在三驱动第一弯曲关节的后侧，另外两个三驱动导向滑轮分别设置在三驱动第一弯曲关节轴心的两侧，与三驱动第二弯曲关节的外侧壁固接的绳索依次绕过三个三驱动导向滑轮且通过三驱动第一弯曲关节的轴心。
本发明与现有技术相比包含的有益效果是：
本发明为了解决传统方案里的灵巧手力和位置感知环节，存在着测量单元成本高、占用空间大、机构设计复杂、供电消耗增多、降低控制稳定性等问题，而目前已有研究者提出的类似解决方案，还没有应用在实际机器人系统中，因此本发明主要是提出了一种力和位置融合测量的五指灵巧手系统方案与装置。
本发明针对肌腱传动式的灵巧手系统，提出了一种新的设计方案。首先设计了一款具备13个自由度的灵巧手机构，每个关节都通过肌腱拉伸，在肌腱与电机之间串联一个拉伸弹簧，然后通过视觉来测量弹簧的形变量来计算绳子拉力，继而得到相应的关节扭矩。同时，视觉可以测量与弹簧顶端(与肌腱相连的一端)相对初始时刻的位移，通过换算可以得到关节转动角度；通过对全部肌腱的走线进行特殊排列，最终可以使视觉单元的视野范围内包含同时灵巧手的全部弹簧，从而同时测量到全部关节的力矩和位置信息。这种全新的灵巧手设计方案新设计方法仅需一个双目相机就可以得到灵巧手全部关节的扭矩和角度信息，从而省去14个手指关节上的角度传感器、力矩传感器等器件，节省机构成本，缩小机构体积。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中多个驱动测量单元I的后端面的结构示意图；
图3是本发明中手部本体的主视图；
图4是本发明中两驱动手指机构的结构示意图；
图5是图4中的局部放大图；
图6是本发明中三个两驱动导向滑轮35的结构示意图；
图7是本发明中两驱动手指机构的绕线示意图；
图8是本发明中三驱动手指机构的结构示意图；
图9是本发明中三驱动手指机构的绕线示意图；
图10是本发明中驱动测量单元I的整体结构的主视图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施方式一：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述一种基于视觉的力位融合测量的灵巧机械手包括大拇指21、食指22、中指23、无名指24、小拇指25、手掌20、两个深度相机10和多个驱动测量单元I，多个驱动测量单元I呈圆台状均布设置，两个深度相机10对称设置在多个驱动测量单元I的后侧，且每个深度相机10分别沿圆台母线方向设置，手掌20设置在多个驱动测量单元I的前端，大拇指21、食指22、中指23、无名指24和小拇指25设置在手掌20的前端，大拇指21、食指22、中指23、无名指24和小拇指25分别与驱动测量单元I连接。
在视觉融合测量机构中提供了全新的机械布局，将视觉设备嵌入前臂的末端，然后将多个测量单元I进行巧妙的环形排布，使得视觉设备可以同时观测到全部测量单元I的弹簧伸长量信息，以便间接测量到关节角度、力矩及电机编码器数据，同时可以大幅缩小机构体积。
本发明可以解决传统方案中测量单元成本高、电路连接复杂、耗电功率增加、控制复杂性增大的问题。除此之外，本发明与现有的同类力/位融合测量装置相比，它有两方面优势：
1、本发明可以大大减小机构的整体尺寸，这对于绳驱灵巧手或者绳驱机械臂的小型化具有重要意义。这主要得益于本发明灵活地调整了视觉测量单元和驱动单元的位置。具体来说，本发明通过将驱动单元布局改造为圆台形，并将视觉测量单元置于圆台形的底部，可以使相机完全观测到全部关节串联的弹簧形变信息，从而得到所有关节的力和位置信息；然而现有的同类装置如果用于大量关节的力/位置测量，它的机构尺寸会大大增加，需要使用多个相机或者牺牲精度(将相机与目标的距离拉大)，因此它的体积、成本和精度均不如本发明带来的效果。
2、本发明改进了弹簧两端的标记点的固定方式。现有技术中的弹簧形变量识别通常采用的识别算法为弹簧本身的特征(如弹簧挂钩或者弹簧颜色)识别和弹簧上粘贴圆形标记点，通过识别圆形标记点来反映弹簧形变量。直接识别轮廓要比识别球形标记点复杂，因而对处理器的性能要求较高；而识别球形标记点，只需要识别圆形这种简单的几何特征，因而识别快而且精度高。但是现有技术中的弹簧与绳索和T型螺母直接串联，导致标记点一般只能采用双面胶粘贴的方式来固定。然而这带来的另一个困难是：在绳索拉伸过程中，由于弹簧挂钩没有与T型螺母完全固定，这会导致粘贴在弹簧上的标记点容易发生滑落和左右偏转，将大大影响视觉检测单元的准确性；
而本发明的方案是在弹簧的挂钩两端通过销钉从而与正方形滑块相固定，正方形滑块上方有圆形标记点。正方形滑块的两端设有小孔，小孔可穿入导轨，从而保证弹簧发生形变时，标记点不会发生偏移，而是沿着弹簧形变的方向。
根据灵巧手的自由度需求，共需要13个电机完成驱动。因此传动单元由13个驱动模组组成。每个驱动模组由电机、减速机、T型螺杆、T型螺母、拉伸弹簧、绳索、标记物组成。为了在缩小机构体积的同时，保障测量单元对弹簧的测量精度，驱动模组的排布方式变得尤为重要。共有三种方案：
方案一：如果全部驱动模组圆柱形排布，那弹簧的拉伸量在单目相机中将无法测量(因为在一条直线上，而单目相机无法输出深度信息)，只能采用双目相机。市面上精度和帧率较高的双目相机很少，只能用两台单目相机进行组合。圆柱形排布方式，其体积大小依赖于相机大小和相机之间的距离；
方案二：如果全部驱动模组呈圆台形排布，这个时候由于弹簧的形变量和相机不处于一个直线上，可以使用单目相机。但是对圆台的倾斜角度有要求，显然倾斜角度越接近45度，识别的精度越高，但是这么大的倾斜角度会使圆台的下底面直径变得非常大，此时机构的体积也受制于倾斜角度。
方案三：如果全部驱动模组呈圆台形排布，使用双目相机进行测量，此时组成双目的两台单目相机可以选择正放和沿着母线方向两侧摆放。此时倾斜角度的影响较小，可以根据期望的机构体积与精度进行综合考虑。正放的优势是软件处理简单，无需进行矫正；缺点就是有效信息只会出现在相机一部分的视野里，从而使得有效信息占用的单像素误差较高。而沿着母线方向两侧摆放相机，两个单目相机重合视野较大，单像素误差相比正放要小很多。
综合对比三种方案，显然第三种方案的测放布局在精度和体积这两项指标上更具优势。
本发明通过独特的关节传动与肌腱排布设计，使得测量单元(如相机)可以同时识别到全部拉伸弹簧的形变量，从而通过计算可以得到每个关节的扭矩和角度。这种方案仅使用一个双目相机就可以替换掉很多组力(或力矩)传感器以及角度传感器才能观测到的力和位置信息。因此它可以解决传统方案中测量单元成本高、电路连接复杂、耗电功率增加、控制复杂性增大的问题。
测量单元相比现有技术，由2个工业相机组成双目视觉测量方案，比商业的双目相机分辨率和帧率都要更高；现有技术通常采用单目相机识别弹簧的形变量，其相比较双目而言一方面精度较低，另一方面单目方案对各个传动模组的摆放倾斜角度要求较高，由于摆放倾斜角度越大，灵巧手的前臂整体尺寸就会越大，不利于机构的轻巧化。
具体实施方式二：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述大拇指21、食指22和中指23均为三驱动手指机构，三驱动手指机构分别与三个驱动测量单元I连接，无名指24和小拇指25均为两驱动手指机构，两驱动手指机构分别与两个驱动测量单元I连接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一相同。
本申请共采用13个驱动测量单元I，每个驱动测量单元I分别与一个手指主动弯曲关节连接。
具体实施方式三：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述驱动测量单元I包括绳索17、拉伸弹簧5、固定框架12、驱动单元和直线移动单元，驱动单元固接在固定框架12上，驱动单元的输出端与直线移动单元的输入端连接，拉伸弹簧5通过滑动组件与固定框架12滑动连接，直线移动单元的执行端与拉伸弹簧5的后端固接，拉伸弹簧5的前端与绳索17的一端固接，绳索17的另一端与手指关节固接，深度相机10朝向拉伸弹簧5设置。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式二相同。
所述拉伸弹簧5设置在直线移动单元的前侧。
具体实施方式四：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述拉伸弹簧5前后两端均固接有连接端头14，连接端头14与滑动组件滑动连接，后端的连接端头14的一侧垂直固接有弹簧B端标记点8，前端的连接端头14的一侧垂直固接有弹簧A端标记点4。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式三相同。
所述深度相机10通过相机支架11固接在驱动单元的后侧，弹簧A端标记点4的高度高于弹簧B端标记点8的高度。
具体实施方式五：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述直线移动单元包括导轨13、T型螺杆7和T型螺母3，导轨13固接在固定框架12上，T型螺杆7与导轨13并列平行设置，T型螺杆7的后端与驱动单元的输出端连接，T型螺母3旋装在T型螺杆7上，且T型螺杆7的外侧套装在导轨13的上，拉伸弹簧5的后端与T型螺母3的前端固接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式三相同。
所述固定框架12包括底板、后连接板、中间连接板和前连接板，后连接板、中间连接板和前连接板由后至前依次垂直固接在底板的上端面上，驱动单元固接在后连接板的后端，导轨13垂直固接在中间连接板与后连接板之间，T型螺杆7设置在中间连接板与后连接板之间，且与中间连接板和后连接板转动连接，拉伸弹簧5设置在前连接板与中间连接板之间。
所述滑动组件包括两个滑杆16，两个滑杆16并列垂直固接在前连接板与中间连接板之间，连接端头14套装在两个滑杆16的外侧，且与滑杆16滑动连接。
具体实施方式六：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述后端连接端头14的后端面与T型螺母3的前端面之间垂直固接有连接杆15，连接杆15插装在中间连接板上，且与中间连接板滑动连接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式五相同。
所述驱动单元包括驱动电机1、减速机6和联轴器2，驱动电机1的电机轴与减速机6的输入轴连接，减速机6的输出轴通过联轴器2与直线移动单元的输入端连接。
所述固定框架12的前端设有引导滑轮组9，绳索17的另一端绕过引导滑轮组9后与手指关节固接。
具体实施方式七：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述两驱动手指机构包括两驱动第一弯曲关节26、两驱动第一弯曲指节27、两驱动第二弯曲关节28、两驱动第二弯曲指节29、两驱动第三弯曲关节30和两驱动第三弯曲指节31，两驱动第一弯曲关节26设置在手掌20上，两驱动第一弯曲关节26的外侧壁与一个驱动测量单元I的绳索17固接，两驱动第一弯曲关节26的前端与两驱动第一弯曲指节27的后端固接，两驱动第二弯曲关节28设置在两驱动第一弯曲指节27的前端，两驱动第二弯曲关节28的外侧壁与另一个驱动测量单元I的绳索17固接，两驱动第二弯曲关节28的前端与两驱动第二弯曲指节29的后端固接，两驱动第三弯曲关节30设置在两驱动第二弯曲指节29的前端，两驱动第三弯曲关节30的外侧壁通过两驱动被动绳索32与两驱动第二弯曲关节28的外侧壁固接，两驱动第三弯曲关节30的前端与两驱动第三弯曲指节31的后端固接，两驱动第三弯曲指节31的两侧分别各与一个两驱动复位绳索33的一端固接，两驱动复位绳索33的另一端绕过两驱动第二弯曲关节28和两驱动第一弯曲关节26的外侧后分别与一个两驱动复位弹簧34的一端固接，两驱动复位弹簧34的另一端固接在手掌20上。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式三相同。
无名指、小拇指采用相同的机构，都具有3个自由度，分别由2个电机驱动。根据人类手指的仿生学研究，无名指和小拇指在抓握环节中起辅助作用，因此本发明中它们不具备侧向摆动的自由度。两驱动第二弯曲关节28和两驱动第一弯曲关节26为主动弯曲关节，两驱动第三弯曲关节30为被动关节。当关节弯曲时，两驱动复位弹簧34会被拉长；当关节要复位时，两驱动复位弹簧34会提供回复力。
具体实施方式八：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述两驱动手指机构还包括三个两驱动导向滑轮35，三个两驱动导向滑轮35均设置在手掌20的前端，一个两驱动导向滑轮35设置在两驱动第一弯曲关节26的后侧，另外两个两驱动导向滑轮35分别设置在两驱动第一弯曲关节26轴心的两侧，与两驱动第二弯曲关节28的外侧壁固接的绳索17依次绕过三个两驱动导向滑轮35且通过两驱动第一弯曲关节26的轴心。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式七相同。
通过三个两驱动导向滑轮35的特殊排列，使绳索通过两驱动第一弯曲关节26的轴心O，从而与两驱动第一弯曲关节26解耦，即两驱动第一弯曲关节26的转动不会影响两驱动第二弯曲关节28的角度，不会对指根关节产生力的耦合和角度的耦合，无需再用额外控制手段进行关节间的控制解耦。
具体实施方式九：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述三驱动手指机构包括侧向摆动底座36、侧向摆动关节37、三驱动第一弯曲关节38、三驱动第一弯曲指节39、三驱动第二弯曲关节40、三驱动第二弯曲指节41、三驱动第三弯曲关节42和三驱动第三弯曲指节43，侧向摆动底座36固接在手掌20上，侧向摆动关节37设置在侧向摆动底座36上，侧向摆动关节37的外侧壁与一个驱动测量单元I的绳索17固接，侧向摆动关节37的前端与三驱动第一弯曲关节38连接，三驱动第一弯曲关节38的外侧壁与另一个驱动测量单元I的绳索17固接，三驱动第一弯曲关节38的前端与三驱动第一弯曲指节39的后端固接，三驱动第二弯曲关节40设置在三驱动第一弯曲指节39的前端，三驱动第二弯曲关节40的外侧壁与第三个驱动测量单元I的绳索17固接，三驱动第二弯曲关节40的前端与三驱动第二弯曲指节41的后端固接，三驱动第三弯曲关节42设置在三驱动第二弯曲指节41的前端，三驱动第三弯曲关节42的外侧壁通过三驱动被动绳索44与三驱动第二弯曲关节40的外侧壁固接，三驱动第三弯曲关节42的前端与三驱动第三弯曲指节43的后端固接，三驱动第三弯曲指节43的两侧分别各与一个三驱动复位绳索45的一端固接，三驱动复位绳索45的另一端绕过三驱动第二弯曲关节40和三驱动第一弯曲关节38的外侧后分别与一个三驱动复位弹簧46的一端固接，三驱动复位弹簧46的另一端固接在手掌20上。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式三相同。
大拇指、食指和中指采用同样的机构，各包含4个自由度，分别由3个电机驱动，侧向摆动关节37、三驱动第一弯曲关节38和三驱动第二弯曲关节40为主动弯曲关节，三驱动第三弯曲关节42为被动弯曲关节。当关节弯曲时，三驱动复位弹簧46会被拉长；当关节要复位时，三驱动复位弹簧46会提供回复力。
具体实施方式十：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述三驱动手指机构还包括三个三驱动导向滑轮47，三个三驱动导向滑轮47均设置在手掌20的前端，一个三驱动导向滑轮47设置在三驱动第一弯曲关节38的后侧，另外两个三驱动导向滑轮47分别设置在三驱动第一弯曲关节38轴心的两侧，与三驱动第二弯曲关节40的外侧壁固接的绳索17依次绕过三个三驱动导向滑轮47且通过三驱动第一弯曲关节38的轴心。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式九相同。
通过三个三驱动导向滑轮47的特殊排列，使绳索通过三驱动第一弯曲关节38的轴心，从而与三驱动第一弯曲关节38解耦，即三驱动第一弯曲关节38的转动不会影响三驱动第二弯曲关节40的角度，不会对指根关节产生力的耦合和角度的耦合，无需再用额外控制手段进行关节间的控制解耦。
本申请中的弯曲关节和摆动关节均为扭矩传导轮结构，扭矩传导轮上开设有线槽用于安装缠绕绳索。
如10所示，装有减速机的电机带动T型螺杆转动，然后通过T型螺母沿导轨滑动来带动牵引绳。当牵引绳受到拉力时，会带动相应的关节发生转动；本发明同时提出了提供了全新的机械布局，将视觉设备嵌入前臂的末端，然后将多个单关节模组进行巧妙的环形排布，使得视觉设备可以同时观测到全部关节模组的弹簧伸长量信息。
所述一种基于视觉的力位融合测量的灵巧机械手的测量方法包括如下步骤：
步骤一：获取弹簧变化量：驱动电机1通过减速机6和联轴器2带动T型螺杆7转动，T型螺母3沿导轨13滑动带动绳索17，绳索17拉动关节执行端转动，通过深度相机10观测拉伸弹簧5的位置变化；
步骤二：测量关节执行端的转动数值：根据拉伸弹簧5的伸长量计算出关节力矩，根据拉伸弹簧5尾端相对于初始时刻移动的距离计算出关节角度，根据拉伸弹簧5首端相对于初始时刻移动的距离计算出电机转动角度。
关节力矩的测量方法包括如下步骤：
关节力矩测量第一步：在绳索的一端安装有拉伸弹簧5，通过深度相机10捕捉弹簧B端标记点8和弹簧A端标记点4的图像，观测拉伸弹簧5的伸长量VL；
关节力矩测量第二步：拉伸弹簧5的刚度k为已知量，由于拉伸弹簧5与绳索相连，所以拉伸弹簧5受到的力Fk与绳索受到的拉力Fl相等，计算公式如下：
Fl＝Fk＝k·VL (1)
关节力矩测量第三步：绳索17受到拉力Fl时，会带动扭矩传导轮18转动，已知扭矩传导轮18的半径为r，则关节扭矩τ的计算公式为：
τ＝Fl·r (2)
如此设计以实现提供关节力矩传感器的功能。
关节角度的测量方法包括如下步骤：
关节角度测量第一步：拉伸弹簧5与绳索17连接的这一端记为拉伸弹簧5的尾端即弹簧A端标记点4，在初始时刻t0，通过深度相机10测量到拉伸弹簧5的弹簧A端标记点4相对于世界坐标系的位置x0；
关节角度测量第二步：在关节转动角度θ后，此时处于t1时刻，用深度相机10测量到拉伸弹簧5的弹簧A端标记点4相对于世界坐标系的位置x1；
关节角度测量第三步：由于绳索17与拉伸弹簧5尾端相连，绳索17的长度为固定值，所以拉伸弹簧5尾端移动的距离就是绳索17带动扭矩传导轮18上转动的距离，拉伸弹簧5尾端在t0～t1过程中移动的距离为x1-x0，那么关节角度θ与x1-x0的关系为：
x1-x0＝θ·r (3)
其中r为扭矩传导轮18的半径，通过变换可以得到关节角度的计算公式为：
如此设计以实现提供关节角度编码器的功能。
电机转动角度的测量方法包括如下步骤：
电机转动角度测量第一步：拉伸弹簧5与T型螺母3固连的这一端记为拉伸弹簧5的首端即弹簧B端标记点8，在初始时刻t0，通过深度相机10测量到拉伸弹簧5的弹簧B端标记点8相对于世界坐标系的位置y0；
电机转动角度测量第二步：在关节转动角度θ后，此时处于t1时刻，用深度相机10测量到拉伸弹簧5的弹簧B端标记点8相对于世界坐标系的位置y1；
电机转动角度测量第三步：由于T型螺母3与拉伸弹簧5首端相连，所以拉伸弹簧5首端移动的距离就是T型螺母3在T型螺杆7上移动的距离，拉伸弹簧5首端在t0～t1过程中移动的距离为y1-y0，已知T型螺杆7的行程为转一圈移动距离为l，电机的减速比为n:1，那么可以推导出电机转动角度φ为
如此设计以实现提供电机编码器的功能。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种基于视觉的力位融合测量的灵巧机械手，其特征在于：它包括大拇指(21)、食指(22)、中指(23)、无名指(24)、小拇指(25)、手掌(20)、两个深度相机(10)和多个驱动测量单元(I)，多个驱动测量单元(I)呈圆台状均布设置，两个深度相机(10)对称设置在多个驱动测量单元(I)的后侧，且每个深度相机(10)分别沿圆台母线方向设置，手掌(20)设置在多个驱动测量单元(I)的前端，大拇指(21)、食指(22)、中指(23)、无名指(24)和小拇指(25)设置在手掌(20)的前端，大拇指(21)、食指(22)、中指(23)、无名指(24)和小拇指(25)分别与驱动测量单元(I)连接。
2.根据权利要求1所述一种基于视觉的力位融合测量的灵巧机械手，其特征在于：所述大拇指(21)、食指(22)和中指(23)均为三驱动手指机构，三驱动手指机构分别与三个驱动测量单元(I)连接，无名指(24)和小拇指(25)均为两驱动手指机构，两驱动手指机构分别与两个驱动测量单元(I)连接。
3.根据权利要求2所述一种基于视觉的力位融合测量的灵巧机械手，其特征在于：所述驱动测量单元(I)包括绳索(17)、拉伸弹簧(5)、固定框架(12)、驱动单元和直线移动单元，驱动单元固接在固定框架(12)上，驱动单元的输出端与直线移动单元的输入端连接，拉伸弹簧(5)通过滑动组件与固定框架(12)滑动连接，直线移动单元的执行端与拉伸弹簧(5)的后端固接，拉伸弹簧(5)的前端与绳索(17)的一端固接，绳索(17)的另一端与手指关节固接，深度相机(10)朝向拉伸弹簧(5)设置。
4.根据权利要求3所述一种基于视觉的力位融合测量的灵巧机械手，其特征在于：所述拉伸弹簧(5)前后两端均固接有连接端头(14)，连接端头(14)与滑动组件滑动连接，后端的连接端头(14)的一侧垂直固接有弹簧B端标记点(8)，前端的连接端头(14)的一侧垂直固接有弹簧A端标记点(4)。
5.根据权利要求3所述一种基于视觉的力位融合测量的灵巧机械手，其特征在于：所述直线移动单元包括导轨(13)、T型螺杆(7)和T型螺母(3)，导轨(13)固接在固定框架(12)上，T型螺杆(7)与导轨(13)并列平行设置，T型螺杆(7)的后端与驱动单元的输出端连接，T型螺母(3)旋装在T型螺杆(7)上，且T型螺杆(7)的外侧套装在导轨(13)的上，拉伸弹簧(5)的后端与T型螺母(3)的前端固接。
6.根据权利要求5所述一种基于视觉的力位融合测量的灵巧机械手，其特征在于：所述后端连接端头(14)的后端面与T型螺母(3)的前端面之间垂直固接有连接杆(15)，连接杆(15)插装在中间连接板上，且与中间连接板滑动连接。
7.根据权利要求3所述一种基于视觉的力位融合测量的灵巧机械手，其特征在于：所述两驱动手指机构包括两驱动第一弯曲关节(26)、两驱动第一弯曲指节(27)、两驱动第二弯曲关节(28)、两驱动第二弯曲指节(29)、两驱动第三弯曲关节(30)和两驱动第三弯曲指节(31)，两驱动第一弯曲关节(26)设置在手掌(20)上，两驱动第一弯曲关节(26)的外侧壁与一个驱动测量单元(I)的绳索(17)固接，两驱动第一弯曲关节(26)的前端与两驱动第一弯曲指节(27)的后端固接，两驱动第二弯曲关节(28)设置在两驱动第一弯曲指节(27)的前端，两驱动第二弯曲关节(28)的外侧壁与另一个驱动测量单元(I)的绳索(17)固接，两驱动第二弯曲关节(28)的前端与两驱动第二弯曲指节(29)的后端固接，两驱动第三弯曲关节(30)设置在两驱动第二弯曲指节(29)的前端，两驱动第三弯曲关节(30)的外侧壁通过两驱动被动绳索(32)与两驱动第二弯曲关节(28)的外侧壁固接，两驱动第三弯曲关节(30)的前端与两驱动第三弯曲指节(31)的后端固接，两驱动第三弯曲指节(31)的两侧分别各与一个两驱动复位绳索(33)的一端固接，两驱动复位绳索(33)的另一端绕过两驱动第二弯曲关节(28)和两驱动第一弯曲关节(26)的外侧后分别与一个两驱动复位弹簧(34)的一端固接，两驱动复位弹簧(34)的另一端固接在手掌(20)上。
8.根据权利要求7所述一种基于视觉的力位融合测量的灵巧机械手，其特征在于：所述两驱动手指机构还包括三个两驱动导向滑轮(35)，三个两驱动导向滑轮(35)均设置在手掌(20)的前端，一个两驱动导向滑轮(35)设置在两驱动第一弯曲关节(26)的后侧，另外两个两驱动导向滑轮(35)分别设置在两驱动第一弯曲关节(26)轴心的两侧，与两驱动第二弯曲关节(28)的外侧壁固接的绳索(17)依次绕过三个两驱动导向滑轮(35)且通过两驱动第一弯曲关节(26)的轴心。
9.根据权利要求3所述一种基于视觉的力位融合测量的灵巧机械手，其特征在于：所述三驱动手指机构包括侧向摆动底座(36)、侧向摆动关节(37)、三驱动第一弯曲关节(38)、三驱动第一弯曲指节(39)、三驱动第二弯曲关节(40)、三驱动第二弯曲指节(41)、三驱动第三弯曲关节(42)和三驱动第三弯曲指节(43)，侧向摆动底座(36)固接在手掌(20)上，侧向摆动关节(37)设置在侧向摆动底座(36)上，侧向摆动关节(37)的外侧壁与一个驱动测量单元(I)的绳索(17)固接，侧向摆动关节(37)的前端与三驱动第一弯曲关节(38)连接，三驱动第一弯曲关节(38)的外侧壁与另一个驱动测量单元(I)的绳索(17)固接，三驱动第一弯曲关节(38)的前端与三驱动第一弯曲指节(39)的后端固接，三驱动第二弯曲关节(40)设置在三驱动第一弯曲指节(39)的前端，三驱动第二弯曲关节(40)的外侧壁与第三个驱动测量单元(I)的绳索(17)固接，三驱动第二弯曲关节(40)的前端与三驱动第二弯曲指节(41)的后端固接，三驱动第三弯曲关节(42)设置在三驱动第二弯曲指节(41)的前端，三驱动第三弯曲关节(42)的外侧壁通过三驱动被动绳索(44)与三驱动第二弯曲关节(40)的外侧壁固接，三驱动第三弯曲关节(42)的前端与三驱动第三弯曲指节(43)的后端固接，三驱动第三弯曲指节(43)的两侧分别各与一个三驱动复位绳索(45)的一端固接，三驱动复位绳索(45)的另一端绕过三驱动第二弯曲关节(40)和三驱动第一弯曲关节(38)的外侧后分别与一个三驱动复位弹簧(46)的一端固接，三驱动复位弹簧(46)的另一端固接在手掌(20)上。
10.根据权利要求9所述一种基于视觉的力位融合测量的灵巧机械手，其特征在于：所述三驱动手指机构还包括三个三驱动导向滑轮(47)，三个三驱动导向滑轮(47)均设置在手掌(20)的前端，一个三驱动导向滑轮(47)设置在三驱动第一弯曲关节(38)的后侧，另外两个三驱动导向滑轮(47)分别设置在三驱动第一弯曲关节(38)轴心的两侧，与三驱动第二弯曲关节(40)的外侧壁固接的绳索(17)依次绕过三个三驱动导向滑轮(47)且通过三驱动第一弯曲关节(38)的轴心。
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