CN210616562U - 一种基于电子皮肤的滑动检测机器人夹爪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于电子皮肤的滑动检测机器人夹爪，包括基座和电子皮肤，所述基座上具有能够进行相对直线位移的两滑块，每一滑块上均固设有一夹持件，且两夹持件均具有相向且平行设置的一夹持平面；所述电子皮肤内具有压敏传感阵列，该电子皮肤且平铺固设于其中一夹持件的夹持平面上，以提供一种结构简单、传感阵列密度大的滑动检测机器人夹爪。
Description
技术领域
本实用新型涉及触觉感知机器人领域，具体是涉及一种基于电子皮肤的滑动检测机器人夹爪。
背景技术
目前机器人对目标物的抓取已经由传统基于视觉的位置控制，转变为基于力反馈的位置控制抓取。在基于力反馈的夹爪位置控制中，判断末端执行器与目标物之间是否滑动，是机器人抓取策略的核心。因此能够感知接触面相互作用力的机器人夹爪相对于现有基于视觉的位置控制的夹爪更具有优势。
清华大学阎绍泽等提出了一种由异形记忆合金制作的弹簧驱动的夹爪，实现了有触觉反馈的控制。但是该夹爪最大夹取力仅为1.5N，且输出力难以控制。日本神户大学的Futoshi Kobayashi提出了一种带有力/力矩传感器的通用机械手，实现了基于滑动检测的抓取放置操作。但是仅能通过增减抓取手指数量来改变夹取力，不能做到精准的力控制。日本东京电气通信大学的Seiichi Teshigawara和东京大学的Masatoshi Ishikawa描述了一种使用轻质、柔软、高灵敏指尖滑觉传感器的多指机械手，实现了利用滑觉传感器对质量逐渐增加的目标物进行夹取力改变以完成夹取。但是，不能在动态操作过程中实现夹取力调整。
此外，现今有滑动检测传感器的机器人夹爪，所选用或制备的传感器，结构复杂，体积较大，且传感单元数量较少，无法表征接触面的完整信息。为了提高机器人夹爪在力控制方面的灵敏度，精准度和抗干扰能力，需要对滑觉检测机器人夹爪进行改善。
实用新型内容
本实用新型主要针对现有机器人夹爪及其滑动检测传感器的不足之处，提供一种结构简单、传感阵列密度大的滑动检测机器人夹爪。
具体方案如下：
一种基于电子皮肤的滑动检测机器人夹爪，包括：
基座，所述基座上具有能够进行相对直线位移的两滑块，每一滑块上均固设有一夹持件，且两夹持件均具有相向且平行设置的一夹持平面；
电子皮肤，所述电子皮肤内具有压敏传感阵列，该电子皮肤且平铺固设于其中一夹持件的夹持平面上。
进一步的，所述电子皮肤与夹持平面之间还内衬有一弹性衬垫。
进一步的，所述弹性衬垫为硅胶衬垫。
进一步的，还包括两直线运动机构，每一直线运动机构与两滑块的其一驱动连接。
本实用新型提供的基于电子皮肤的滑动检测机器人夹爪与现有技术相比较具有以下优点：
1、本实用新型提供的滑动检测机器人夹爪的力反馈是基于电子皮肤上的压敏传感阵列实现的，电子皮肤上的压敏传感器结构简单、体积小、传感阵列密度大，能清晰详尽的感测接触面的相互作用力情况，可提高了滑动检测的灵敏度，缩短了滑动检测响应的时间。并且基于电子皮肤传感阵列高密度特性，充分发挥其可以感测接触面面力的优势，对接触面相互作用力的变化进行实时监控，以实现滑动检测。
2、本实用新型提供的滑动检测机器人夹爪在电子皮肤和夹持面之间衬设有一弹性衬垫，该弹性衬垫可以有效提升电子皮肤与目标物之间的接触质量，确保在接触面上相互作用力的变化能被清晰的捕捉到。
附图说明
图1示出了基于电子皮肤的滑动检测机器人夹爪的立体示意图。
图2示出了基于电子皮肤的滑动检测机器人夹爪的剖面图。
图3示出了基于电子皮肤的滑动检测机器人夹爪工作流程图。
图4a示出了夹取500g不锈钢材料砝码在电子皮肤上T0时刻的触觉图像。
图4b示出了夹取500g不锈钢材料砝码在电子皮肤上T0+t时刻的触觉图像。
图4c示出了图4a和图4b两帧触觉图像的差值
图5a示出了夹取100g不锈钢材料砝码在电子皮肤上由静止开始滑动的合力信号。
图5b示出了夹取100g不锈钢材料砝码在电子皮肤上由静止开始滑动的帧间标准差信号。
图6a示出了夹取1*3*6cm立方木块并增加50至150g的负荷时的合力信号。
图6b示出了夹取1*3*6cm立方木块并增加50至150g的负荷时的帧间标准差信号。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本实用新型提供有附图。这些附图为本实用新型揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本实用新型的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。
如图1和图2所示的，本实施例提供了一种基于电子皮肤的滑动检测机器人夹爪，包括基座1、位于基座1上可相对进行直线位移的两滑块10、分别固定于两滑块10上的夹持件20、以及固定于其中一夹持件20上的电子皮肤30。两夹持件20均具有相向且平行设置的夹持平面200，以形成一种平行颚机器人夹爪，两夹持件20之间的间距由两滑块10之间的间距来确定。而两滑块10之间的位移可以通过直线运动机构驱动(图中未示出)来实现，例如电动丝杆等直线运动机构。
电子皮肤30平铺固设于其中一夹持件20的夹持平面200上。这里所说的电子皮肤30是一种高密度压敏传感阵列，当与目标物接触时，可以表征整个接触面的压力情况，返回一个与传感器阵列大小一致的触觉图像矩阵信号。
本实施例提供的滑动检测机器人夹爪的力反馈是基于电子皮肤上的压敏传感阵列实现的，电子皮肤上的压敏传感器结构简单、体积小、传感阵列密度大，能清晰详尽的感测接触面的相互作用力情况，可提高了滑动检测的灵敏度，缩短了滑动检测响应的时间。并且基于电子皮肤传感阵列高密度特性，充分发挥其可以感测接触面面力的优势，对接触面相互作用力的变化进行实时监控，以实现滑动检测。
其中优选的，电子皮肤30与其固定的夹持平面200之间还具有一弹性衬垫40，该弹性衬垫40以作为电子皮肤30的缓冲件，以有效提升电子皮肤与目标物之间的接触质量，确保在接触面上相互作用力的变化能被清晰的捕捉到，需明确的是，弹性衬垫40的面积比小于电子皮肤30的面积，以保证电子皮肤30的各点均由弹性衬垫40进行支撑。进一步优选的，该弹性衬垫40为硅胶衬垫。
参考图3，图3示出的是基于电子皮肤的滑动检测机器人夹爪工作流程图。当机器人夹爪开始工作，首先开始闭合夹爪，并根据电子皮肤所测量的压力判断是否接触到目标物。当接触到目标物后，电子皮肤可感测接触面上的全部法向作用力信息，并且输出一个与电子皮肤行列数一致的矩阵，矩阵中元素的值即为该元素所在行列位置的作用力大小。
由此，将电子皮肤在T0时刻采集到的触觉图像信号F1和在T0+t时刻采集到的触觉图像F2作为滑动检测算法的输入，其中t为采样最小间隔时间。然后，对电子皮肤传感器采集到的前后两帧触觉图像信号做差得到帧间差dF信号。随后，计算帧间差dF信号的标准差，并判断其标准差是否超过设定的阈值。若超过阈值，则可认为目标物与电子皮肤之间发生滑动。
参考图4a-图4c，图4a-图4c是当机器人夹爪从轴向夹取500g不锈钢砝码不同时刻的触觉图像。其中，图4a为电子皮肤采集到在T0时刻采集到的触觉图像F1，图4b为电子皮肤采集到在T0+t时刻采集到的触觉图像F2,图4c为前后两帧触觉图像的差值。根据滑动检测算法流程，计算触觉图像差值的标准差，并以此结果作为判断是否滑动的依据。
参考图5a和图5b，图5a和图5b是机器人夹爪从径向夹取100g不锈钢砝码后，以0.5mm/s的速度逐渐松开夹爪，直至砝码发生滑动脱落时接触面所受压力的和值。图5a为电子皮肤与目标物接触时，接触面所受压力的和值。由图5a可见，机器人夹爪完成对目标物的抓取后，逐渐缓慢的松开夹爪，夹取力随之减小，直至不足以使目标物稳定而产生滑动。在2100帧附近发生第一次滑动，并在2200帧左右最终脱落夹爪。由滑动检测算法对夹取力改变过程实时监控，从图5b中可见，在稳定状态下，合力的变化并不会引起帧间标准差的大幅改变，但是当发生滑动时，其幅值激增。这证明所述机器人夹爪具有较高的灵敏性。且根据横轴帧数显示，信号反应及时，具有较好的实时性。
请参见图6a和图6b，图6a和图6b是夹取1*3*6cm立方木块并增加50至150g的负荷时的合力信号及帧间标准差信号。图6a为电子皮肤与目标物接触时，接触面所受压力的和值。由图6a可见，夹爪完成对目标物的抓取后，夹取合力维持在一个平稳状态。每次增加砝码的冲击，会对夹取力的造成一定的干扰，接触面需要以新的摩擦力抵消砝码重力。最终，原有加持力不足以平衡木块和砝码的重力，发生滑动。从图6b中可见，增加砝码时引起的冲击，并未造成较大幅值变化，可见该算法的抗干扰性。而在真实发生滑动时，约1600帧附近，随即出现显著的幅值上升。因此，本滑动检测机器人夹爪有一定的抗干扰能力。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本实用新型做出各种变化，均为本实用新型的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于电子皮肤的滑动检测机器人夹爪，其特征在于，包括：
基座，所述基座上具有能够进行相对直线位移的两滑块，每一滑块上均固设有一夹持件，且两夹持件均具有相向且平行设置的一夹持平面；
电子皮肤，所述电子皮肤内具有压敏传感阵列，该电子皮肤且平铺固设于其中一夹持件的夹持平面上。
2.根据权利要求1所述的滑动检测机器人夹爪，其特征在于：所述电子皮肤与夹持平面之间还内衬有一弹性衬垫。
3.根据权利要求2所述的滑动检测机器人夹爪，其特征在于：所述弹性衬垫为硅胶衬垫。
4.根据权利要求1所述的滑动检测机器人夹爪，其特征在于：还包括两直线运动机构，每一直线运动机构与两滑块的其一驱动连接。
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