CN117426913A - 一种具有触觉感知功能的气动软体仿生手及触觉感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有触觉感知功能的气动软体仿生手及触觉感知方法，所述具有触觉感知功能的气动软体仿生手包括五个气动软体手指和手掌，所述气动软体手指连接于所述手掌上；所述气动软体手指包括手背面的气动网络和手心面的柔性传感结构；所述气动网络包括多个相互串联的梯形凸台，每个所述梯形凸台均含有中空的气腔，各所述气腔皆由气道贯通连接，所述气动软体手指根部设有进/出气孔，所述进/出气孔通过气管与气泵连接。本发明提供的具有触觉感知功能的气动软体仿生手，具有触觉感知能力。

Description

一种具有触觉感知功能的气动软体仿生手及触觉感知方法

技术领域

本发明涉及软体仿生手技术领域，具体涉一种具有触觉感知功能的气动软体仿生手。

背景技术

目前，全世界超过500万上肢截肢者。对于上肢截肢患者而言，失去一只或两只手严重限制了他们的日常活动能力。虽然部分人工假肢已经成功应用于截肢患者，并帮助患者实现了一些简单的功能。但这些人工假肢通常依赖于电动机和复杂的刚性部件，其笨重的结构、高额的成本及不安全的人机交互等限制了这些刚性人工假肢的进一步应用。

随着软体材料学和仿生学的不断发展，利用软体材料的被动适应性和安全性并通过仿生设计提出了一些新型人工假肢。如专利CN219152903U提出了一种可外展内收的单关节驱动软体机器人仿生手，包括仿生手掌和仿生小臂，仿生手掌上设有5根仿生气动软体手指，具有抓取、弯曲等仿生功能。专利CN109431765B公开了一种FBG传感的柔性自适应仿生手，利用FBG传感元件有望感知手与目标物体的摩擦力。

总体而言，软体仿生手的出现极大的弥补了刚性人工假肢的缺点，有望解决上肢截肢患者所面临的生活难题。但现阶段的软体仿生手与真实手仍具有很大区别，最重要的是它们缺乏触觉感知能力。为了拓展软体仿生手在上肢截肢患者的应用，并促进其产品化，需要从材料和结构方面进行创新设计，开发具有触觉感知能力的软体仿生手。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种具有触觉感知功能的气动软体仿生手，用以解决传统的软体仿生手无法具有触觉感知能力的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种具有触觉感知功能的气动软体仿生手，所述具有触觉感知功能的气动软体仿生手包括：

五个气动软体手指和手掌，所述气动软体手指连接于所述手掌上；

所述气动软体手指包括手背面的气动网络和手心面的柔性传感结构；所述气动网络包括多个相互串联的梯形凸台，每个所述梯形凸台均含有中空的气腔，各所述气腔皆由气道贯通连接，所述气动软体手指根部设有进/出气孔，所述进/出气孔通过气管与气泵连接。

在一个实施例中，所述柔性传感结构包括磁响应智能材料和螺旋缠绕在所述磁响应智能材料上的导线。

在一个实施例中，磁响应智能材料包括硅胶和磁性粉末。

在一个实施例中，所述手掌包含底盖和上盖，所述上盖与所述底盖扣合；

所述底盖的上设有四个第一凹槽，四个所述第一凹槽内分别安装有一个所述气动软体手指，所述第一凹槽的两侧分别设有第一凸台，所述第一凸台与所述气动软体手指上的连接槽相匹配；

所述底盖上还设有一个第二凹槽，所述第二凹槽的两侧设置有第二凸台，所述第二凸台与作为大拇指的所述气动软体手指的连接槽相匹配；

所述第二凹槽的一侧设有卡槽，所述第二凹槽另一侧设有圆孔，大拇指挡板的左端插入所述卡槽，所述大拇指挡板的右端设置有第一通孔，所述第一通孔与所述圆孔对齐，所述第一通孔与所述圆孔内设置有螺栓，通过所述螺栓将所述大拇指挡板固定在所述底盖上；所述大拇指挡板的前端设有两个第三凸台，所述第三凸台用于固定作为大拇指的所述气动软体手指。

在一个实施例中，所述底盖上设有四个第二通孔，所述底盖的末端设有两个半圆孔，所述半圆孔用于软体仿生手的安装。

在一个实施例中，所述上盖的外表面呈现弧形，所述上盖的上设有四个第四凸台，所述第四凸台与所述气动软体手指的所述连接槽配合，以固定所述气动软体手指；

所述上盖上设置有四个沉头孔，所述沉头孔与所述底盖的所述第二通孔对应，所述沉头孔与所述第二通孔内设置有螺栓，所述底盖与上盖通过螺栓进行连接。

在一个实施例中，所述上盖的中间设有多个方形孔。

本发明的另一个目的在于提供一种气动软体仿生手的触觉感知方法，采用了上述实施例中任意一项所述的具有触觉感知功能的气动软体仿生手，气动软体仿生手根据气动软体手指反馈的电压信号实现对目标物体的接触感知和大小感知，具体包括以下步骤：

S1、利用检测设备测试各气动软体手指反馈的电压信号，并实时计算不同气动软体手指反馈信号的变化，当气动软体手指反馈电压信号小于给定值 ，则表示气动软体手指还未与目标物体开始接触，则继续增加气动软体手指的驱动压力，直到反馈电压信号大于给定值 ，此时说明气动软体手指已经与目标物体开始接触；

S2、当各气动软体手指开始与目标物体开始接触时，记录当前气动软体手指的反馈的信号，并通过实验数据进行人工训练从而得到气动软体手指变形与反馈电压信号的关系，根据当前的反馈电压信号从而反推气动软体手指的变形，并得到气动软体手指末端位置，进而根据末端位置来确定目标物体的大小。

本发明实施例中上述的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例提供的具有触觉感知能力的软体仿生手，通过采用气动软体手指和手掌进行组装形成，并且通过在气动软体手指的手背面设置气动网络，在气动软体手指的手心面设置柔性传感结构，利用气动网络驱动气动软体手指进行弯曲动作，同时利用柔性传感结构实时记录受到的压力值情况，当气动软体手指弯曲至与目标物体接触时，柔性传感结构受到的压力值变大，进而判断出气动软体手指接触到了目标物体，进而实现使软体仿生手具有触觉感知能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的具有触觉感知能力的软体仿生手的三维结构示意图。

图2为气动软体手指整体结构示意图。

图3为气动软体手指内部结构示意图。

图4为气动软体手指截面结构示意图。

图5为柔性传感结构示意图。

图6为手掌示意图。

图7为底盖的正面示意图。

图8为底盖的反面示意图。

图9为大拇指挡板示意图。

图10为上盖的正面示意图。

图11为上盖的反面示意图。

图12为上盖的侧面示意图。

图13为软体仿生手触觉感知实现原理图。

图中：1、气动软体手指；2、手掌；101、进/出气孔；102、梯形凸台；103、连接槽；104、螺旋导线引出线；105、气腔；106、气道；107、柔性传感结构；108、磁响应智能材料；109、导线；201、底盖；202、上盖；203、第一凹槽；204、第一凸台；205、第二通孔；206、半圆孔；207、卡槽；208、圆孔；209、第二凸台；210、大拇指挡板；211、第一通孔；212、第三凸台；213、第四凸台；214、沉头孔；215、方形孔。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供的一种具有触觉感知能力的软体仿生手，包括五个气动软体手指1和手掌2，气动软体手指1连接于手掌2上。根据人体手的结构特征与大小，气动软体手指1分别为大拇指、食指、中指、无名指和小拇指，食指、中指、无名指和小拇指处于同一平面位置，大拇指所在平面与另外四个气动软体手指1所在平面呈一定角度配置。手掌2的形状与大小也基本相似。通过控制五个气动软体手指1的变形可以实现类人体手的一些基本动作。

如图2-5所示，软体仿生手的气动软体手指1包含上部分（手背面）的气动网络和位于底层（手心面）的柔性传感结构107。其中气动网络包括多个相互串联的梯形凸台102，每个梯形凸台102均含有中空的气腔105，气腔105的横截面同样为梯形，各气腔105底部皆由气道106贯通连接，并在气动软体手指1的根部设有进/出气孔101。利用气泵产生高压气体，高压气流经由气管传递到进/出气孔101，并通过气道106将高压气体输送到各气腔105，由于梯形凸台102的侧壁壁厚较薄，顶部与底部的壁厚较厚，在高压气体的作用下梯形凸台102将会在轴向方向上产生膨胀变形，且由于底部柔性传感结构107的轴向刚度大，致使气动软体手指1产生弯曲运动。

其中柔性传感结构107包括磁响应智能材料108和螺旋缠绕在其上的导线109。磁响应智能材料108的主体材料为硅胶和磁性粉末，其中硅胶为软体材料，而磁性粉末的硬度较高，由于硅胶基体材料的柔性，使得固化后的磁响应智能材料108具有良好的柔顺性，而气动网络的主体材料同为硅胶，所以二者在制作的过程中可以通过硅胶的固化牢靠的融合在一起。在柔性传感结构107中，磁响应智能材料108将在周围产生局部磁场，伴随着气动软体手指1的弯曲变形柔性传感结构107将会被动弯曲，磁响应智能材料108的磁感应强度分布也随之发生变化，从而导致穿过每个导线109的磁通量改变。根据法拉第电磁感应定律，穿过线圈回路中的磁通量发生变化时，回路中将会产生感应电动势，而利用该感应电压可以实现软体仿生手对目标物体的接触感知和大小感知。

如图6所示，软体仿生手的手掌2包含底盖201和上盖202。

其中底盖201如图7-9所示，底盖201的上端设有四个第一凹槽203，四个第一凹槽203分别用于安装四个气动软体手指1，第一凹槽203的两侧分别设有两个第一凸台204，第一凸台204与气动软体手指1的第一凸台204相匹配，第一凸台204的设计便于四个气动软体手指1的定位与固定。底盖201的上还设有一个第二凹槽，第二凹槽的两侧设有第二凸台209，第二凸台209用于与作为大拇指的气动软体手指1的连接槽103相匹配，进而固定作为大拇指的气动软体手指1。同时第二凹槽的一侧（图7中为左侧）设有卡槽207，第二凹槽的另一侧（图7中为右侧）设有圆孔208，所述卡槽207和圆孔208的设计方便大拇指挡板210的安装，大拇指挡板210的左端插入卡槽207，挡板的右端设有第一通孔211，第一通孔211与圆孔208对齐，通过一个螺栓即可将大拇指挡板210固定在底盖201上，且大拇指挡板210的前端设有两个第三凸台212，第三凸台212的设计是为了固定气动软体大拇指。

另外，底盖201上设有四个第二通孔205，底盖201的末端设有两个半圆孔206，半圆孔206可用于整个软体仿生手的安装。

可选的，上盖202的结构如图10-12所示，上盖202结构外表面呈现弧形，上盖202的上设有四个第四凸台213，第四凸台213与气动软体手指1的连接槽103配合，从而实现对四个气动软体手指1的固定。上盖202上设有四个沉头孔214，沉头孔214与底盖201上的第二通孔205对应，沉头孔214与第二通孔205内设置有螺栓，底盖201与上盖202通过螺栓进行连接。

可选的，上盖202的中间设有多个方形孔215，方形孔215的四周进行倒圆角处理。

如图13所示，软体仿生手触觉感知方法具体可为：利用气动软体手指1产生的反馈电压信号来实现软体仿生手的触觉感知。首先对各气动软体手指1施加初始压力，利用检测设备测试各气动软体手指1反馈的电压信号，并根据不同气动软体手指1反馈信号的变化来判断气动软体手指1是否与目标物体接触。当气动软体手指1反馈电压信号小于给定值 ，则表示气动软体手指1还未与目标物体开始接触，则继续增加气动软体手指1的驱动压力，直到反馈电压信号大于给定值 ，此时说明气动软体手指1已经与目标物体开始接触。此时记录当前气动软体手指1的反馈的信号（包括电压信号），并通过实验数据进行人工训练从而得到气动软体手指1变形与反馈电压信号的关系，根据当前的反馈电压信号从而反推气动软体手指1的变形，并得到气动软体手指1末端位置，进而根据末端位置来确定目标物体的大小。

本发明实施例提供的具有触觉感知能力的软体仿生手具有以下优点：

1.制作简单。本发明提出的软体仿生手结构简单、制备要求低，使用简单的分步浇筑成型可以完成气动软体手指1的制作，而手掌2可以通过3D打印完成，通过手掌2的设计可以实现气动软体手指1的快速定位与安装。

2.便于更换。结构采用模块化设计与制作，在使用过程中若软体气动软体手指1损坏可以进行更换，无需更换整个软体仿生手。

3.具备触觉感知能力。本发明提出的一种具有触觉感知能力的软体仿生手在进行抓取的过程中，伴随着气动软体手指1的弯曲变形还能够产生反馈电压，利用产出的反馈电压信号可以感知抓手是否与物体接触，并基于反馈信号的大小可以实现对目标物体的大小感知。

通过采用气动软体手指1和手掌2进行组装形成，并且通过在气动软体手指1的手背面设置气动网络，在气动软体手指1的手心面设置柔性传感结构107，利用气动网络驱动气动软体手指1进行弯曲动作，同时利用柔性传感结构107实时记录受到的压力值情况，当气动软体手指1弯曲至与目标物体接触时，柔性传感结构107受到的压力值变大，进而判断出气动软体手指1接触到了目标物体，进而实现使软体仿生手具有触觉感知能力。

总之，本发明提供的具有触觉感知能力的软体仿生手在柔性抓取、医疗康复和软体机器人等领域有着广泛的应用前景。

以上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 (8)

1.一种具有触觉感知功能的气动软体仿生手，其特征在于：

包括五个气动软体手指（1）和手掌（2），所述气动软体手指（1）连接于所述手掌（2）上；

所述气动软体手指（1）包括手背面的气动网络和手心面的柔性传感结构（107）；所述气动网络包括多个相互串联的梯形凸台（102），每个所述梯形凸台（102）均含有中空的气腔（105），各所述气腔（105）皆由气道（106）贯通连接，所述气动软体手指（1）根部设有进/出气孔（101），所述进/出气孔（101）通过气管与气泵连接。

2.根据权利要求1所述的具有触觉感知功能的气动软体仿生手，其特征在于：

所述柔性传感结构（107）包括磁响应智能材料（108）和螺旋缠绕在所述磁响应智能材料（108）上的导线（109）。

3.根据权利要求2所述的具有触觉感知功能的气动软体仿生手，其特征在于：

磁响应智能材料（108）包括硅胶和磁性粉末。

4.根据权利要求1所述的具有触觉感知功能的气动软体仿生手，其特征在于：

所述手掌（2）包含底盖（201）和上盖（202），所述上盖（202）与所述底盖（201）扣合；

所述底盖（201）的上设有四个第一凹槽（203），四个所述第一凹槽（203）内分别安装有一个所述气动软体手指（1），所述第一凹槽（203）的两侧分别设有第一凸台（204），所述第一凸台（204）与所述气动软体手指（1）上的连接槽（103）相匹配；

所述底盖（201）上还设有一个第二凹槽，所述第二凹槽的两侧设置有第二凸台（209），所述第二凸台（209）与作为大拇指的所述气动软体手指（1）的连接槽（103）相匹配；

所述第二凹槽的一侧设有卡槽（207），所述第二凹槽另一侧设有圆孔（208），大拇指挡板（210）的左端插入所述卡槽（207），所述大拇指挡板（210）的右端设置有第一通孔（211），所述第一通孔（211）与所述圆孔（208）对齐，所述第一通孔（211）与所述圆孔（208）内设置有螺栓，通过所述螺栓将所述大拇指挡板（210）固定在所述底盖（201）上；所述大拇指挡板（210）的前端设有两个第三凸台（212），所述第三凸台（212）用于固定作为大拇指的所述气动软体手指（1）。

5.根据权利要求4所述的具有触觉感知功能的气动软体仿生手，其特征在于：

所述底盖（201）上设有四个第二通孔（205），所述底盖（201）的末端设有两个半圆孔（206），所述半圆孔（206）用于软体仿生手的安装。

6.根据权利要求5所述的具有触觉感知功能的气动软体仿生手，其特征在于：

所述上盖（202）的外表面呈现弧形，所述上盖（202）的上设有四个第四凸台（213），所述第四凸台（213）与所述气动软体手指（1）的所述连接槽（103）配合，以固定所述气动软体手指（1）；

所述上盖（202）上设置有四个沉头孔（214），所述沉头孔（214）与所述底盖（201）的所述第二通孔（205）对应，所述沉头孔（214）与所述第二通孔（205）内设置有螺栓，所述底盖（201）与上盖（202）通过螺栓进行连接。

7.根据权利要求4所述的具有触觉感知功能的气动软体仿生手，其特征在于：

所述上盖（202）的中间设有多个方形孔（215）。

8.一种气动软体仿生手的触觉感知方法，采用了权利要求1-7中任意一项所述的具有触觉感知功能的气动软体仿生手，其特征在于，气动软体仿生手根据气动软体手指反馈的电压信号实现对目标物体的接触感知和大小感知，具体包括以下步骤：

S1、利用检测设备测试各气动软体手指反馈的电压信号，并实时计算不同气动软体手指反馈信号的变化，当气动软体手指反馈电压信号小于给定值 ，则表示气动软体手指还未与目标物体开始接触，则继续增加气动软体手指的驱动压力，直到反馈电压信号大于给定值 ，此时说明气动软体手指已经与目标物体开始接触；

S2、当各气动软体手指开始与目标物体开始接触时，记录当前气动软体手指的反馈的信号，并通过实验数据进行人工训练从而得到气动软体手指变形与反馈电压信号的关系，根据当前的反馈电压信号从而反推气动软体手指的变形，并得到气动软体手指末端位置，进而根据末端位置来确定目标物体的大小。