基于触觉形状感知的柔性机械手及触觉形状感知装置制造方法及图纸

一种基于触觉形状感知的柔性机械手及触觉形状感知装置，该柔性机械手包括弹性软囊和摄像机，弹性软囊内充有透明流体介质，表面均匀分布有角度感知靶标，角度感知靶标包括微透镜阵列和位于微透镜阵列下方的图案层，微透镜阵列中的微透镜和图案层中的图案对应地构成多个靶点，当弹性软囊接触到物体时，柔性薄膜变形，角度感知靶标中的靶点随之发生相应的角度变化，由此所带来的靶点图案的变化由摄像机拍摄捕捉，其中，根据靶点图案的变化确定靶点的角度变化，进而确定物体的形状，柔性机械手根据所确定的物体形状进行物体抓取。本发明专利技术为机械手提供了一种触觉形状感知反馈机制，尤其可以帮助机器人在视觉受限情况下建立对环境、被操作物的感知。被操作物的感知。被操作物的感知。

【技术实现步骤摘要】
基于触觉形状感知的柔性机械手及触觉形状感知装置


[0001]本专利技术涉及机器人抓取技术，特别是涉及一种基于触觉形状感知的柔性机械手及触觉形状感知装置。

技术介绍

[0002]视觉受限环境下的感知、抓取与操作一直是机器人领域的难点，却在特种机器人领域有极大的应用前景。在泥浆、石油等环境下，完全无法使用摄像机、激光雷达等光学设备条件下，触觉成为唯一的精确环境感知方式。在深水、洞穴、管道等环境下，光学设备视场受限且被浑浊悬浮物、灰尘等干扰，也难以最大限度发挥作用，触觉是最可靠的环境感知方式。在机械手抓取时，触觉传感的反馈为抓取行为的闭环控制提供了必要信息。
[0003]传统触觉传感器依靠光纤光栅、阵列柔性压阻或电容传感器等，价格昂贵易损坏，较难在各种工况下使用，对于形变较大的形状传感效果也不好。
[0004]一种触觉感知方案，平面的硅胶膜上有黑色的阵列点，硅胶膜周边有三种不同颜色led灯，当没有接触物体时，三种灯颜色混合为白色，当接触物体时，由于薄膜变形，向内突起的薄膜被相应方向led灯照射，因此颜色的改变被后面的相机成像，通过分析颜色能得到受力的变化，另外黑色的斑点位置的变化也被记录，通过分析斑点位置变化可得到接触物的形状。因为需要周边三种led灯掠射过硅胶膜，当无物体接触时不能出现光照不均匀，另外上面的标记黑点也要保证无接触时呈均匀阵列，因此要求硅胶膜必须完全平整，因此硅胶膜较厚硬度较大尺寸也较小，仅能对小物体或纹理进行检测。
[0005]另一种触觉机械手方案，采用颗粒聚集夹爪，夹爪由软体的外包覆球和内部的小颗粒组成，当夹持物体时，外包覆球形成物体表面的形状，这时抽干内部空气，内部小颗粒聚集后形状固定。通过外部激光扫描外包覆球的外形可以得到所抓取物体的形状。由于需要抓取后再取下物体，通过外部激光扫描获取物体表面信息，实际中并不实用，且检测周期较长，另外激光扫描成本较高。
[0006]需要说明的是，在上述
技术介绍
部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

[0007]本专利技术的主要目的在于克服上述
技术介绍
的缺陷，提供一种基于触觉形状感知的柔性机械手及触觉形状感知装置。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]一种基于触觉形状感知的柔性机械手，包括弹性软囊和摄像机，所述弹性软囊包括形成囊体的柔性薄膜，所述弹性软囊内充有透明流体介质，所述柔性薄膜的表面均匀分布有角度感知靶标，所述角度感知靶标包括微透镜阵列和位于所述微透镜阵列下方的图案层，所述微透镜阵列中的微透镜和所述图案层中的图案对应地构成多个靶点，当所述弹性软囊接触到物体时，所述柔性薄膜变形，所述角度感知靶标中的靶点随之发生相应的角度
变化，由此所带来的靶点图案的变化由所述摄像机拍摄捕捉，其中，根据所述靶点图案的变化确定靶点的角度变化，进而确定所述物体的形状，所述柔性机械手根据所确定的物体形状进行物体抓取。
[0010]进一步地：
[0011]所述微透镜阵列中的微透镜对应所述图案层中的一个像素集，每个像素集包含3
‑
4个像素点，每个角度只有其中一个像素点的光从对应的微透镜中出射。
[0012]所述图案层包括多个中心圆点，所述中心圆点与周围背景形成对比色，在角度变化时所述中心圆点的位置发生变化，通过处理拍摄的图像获得所述中心圆点的中心位置坐标，从而确定靶点的角度变化。
[0013]所述角度感知靶标提供随角度变色的图案。
[0014]所述弹性软囊内充有固体颗粒与液体的透明混合液，抓取物体时将所述弹性软囊内的液体抽出，产生颗粒聚集效应，使所述固体颗粒阻塞聚团，所述弹性软囊根据所述物体的表面形状自适应地改变形状，并通过所述固体颗粒的阻塞聚团作用夹紧物体，实现物体抓取。
[0015]所述固体颗粒与液体混合成密度与水相近的悬浮液，密度为0.9
‑
1.1g/cm3，优选为1.03g/cm3。
[0016]所述固体颗粒为聚十二内酰胺材料，所述液体为NaCl溶液或糖水溶液；优选地，所述NaCl溶液按重量份含0.9份NaCl与100份水；优选地，所述固液混合液由50到80份所述固体颗粒与100份的所述NaCl溶液混合而成。
[0017]还包括用于进行抓取的机械夹爪，所述透明流体介质为透明气体或透明液体。
[0018]所述弹性软囊作为机械手手掌设置在所述柔性机械手的中央，所述机械夹爪设置在所述弹性软囊的侧边。
[0019]一种触觉形状感知装置，包括弹性软囊和摄像机，所述弹性软囊包括形成囊体的柔性薄膜，所述弹性软囊充有透明流体介质，所述柔性薄膜的表面均匀分布有角度感知靶标，所述角度感知靶标包括微透镜阵列和位于所述微透镜阵列下方的图案层，所述微透镜阵列中的微透镜和所述图案层中的图案对应地构成多个靶点，当所述弹性软囊接触到物体时，所述柔性薄膜变形，所述角度感知靶标中的靶点随之发生相应的角度变化，由此所带来的靶点图案的变化由所述摄像机拍摄捕捉，其中，根据所述靶点图案的变化确定靶点的角度变化，进而确定所述物体的形状。
[0020]本专利技术具有如下有益效果：
[0021]本专利技术提供一种基于触觉传感具备形状感知功能的柔性机械手，其触觉形状感知装置包括充有透明流体介质的弹性软囊，弹性软囊上设置包括微透镜阵列和图案层的角度感知靶标，当弹性软囊接触到物体，自适应地根据物体的表面形状改变软囊的形状，角度感知靶标中的靶点随之发生相应的角度变化，通过摄像机获取靶点角度信息，根据靶标的角度可以拟合接触到的物体的形状，由此，通过微透镜阵列关联视觉信号与靶点角度变化，实现了物体形状的感知，其适合在大部分视觉受限工况下使用，适合对复杂形体或环境进行检测，同时成本低廉易于生产。
[0022]本专利技术为机械手提供了一种触觉形状感知反馈机制，通过触觉形状感知，尤其可以帮助机器人在视觉受限情况下(如无光、泥浆、烟雾等)建立对环境、被操作物的感知，并
利于对较大的形状进行感知，还可以帮助机械手在抓取时调整姿态或抓取力。
[0023]本专利技术相比其它触觉传感器结构简单、成本低廉、易于制造。
[0024]在一种优选的方案中，所述弹性软囊内充有固体颗粒与液体的透明混合液，利用液体抽取时产生的颗粒聚集阻塞效应，弹性软囊在进行物体形状感知的同时也能够充当夹爪。基于固液混合物颗粒阻塞的柔性夹爪，通过改变液体含量使夹爪刚度变化来达到柔性夹取的目的，特别适合对形状与表面特性较复杂的物品的抓取。由于此方案不需要另外的机械夹爪，也减小了柔性机械手的尺寸和复杂度。
附图说明
[0025]图1a为本专利技术一种实施例的触觉形状感知装置的结构示意图。
[0026]图1b为本专利技术一种实施例的触觉形状感知装置的使用状态图。
[0027]图2为本专利技术一种实施例中的微透镜阵列显示靶标的变化原理图。
[0028]图3为本专利技术一种实施例中的靶标图案及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于触觉形状感知的柔性机械手，其特征在于，包括弹性软囊和摄像机，所述弹性软囊包括形成囊体的柔性薄膜，所述弹性软囊内充有透明流体介质，所述柔性薄膜的表面均匀分布有角度感知靶标，所述角度感知靶标包括微透镜阵列和位于所述微透镜阵列下方的图案层，所述微透镜阵列中的微透镜和所述图案层中的图案对应地构成多个靶点，当所述弹性软囊接触到物体时，所述柔性薄膜变形，所述角度感知靶标中的靶点随之发生相应的角度变化，由此所带来的靶点图案的变化由所述摄像机拍摄捕捉，其中，根据所述靶点图案的变化确定靶点的角度变化，进而确定所述物体的形状，所述柔性机械手根据所确定的物体形状进行物体抓取。2.如权利要求1所述的柔性机械手，其特征在于，所述微透镜阵列中的微透镜对应所述图案层中的一个像素集，每个像素集包含3
‑
4个像素点，每个角度只有其中一个像素点的光从对应的微透镜中出射。3.如权利要求1所述的柔性机械手，其特征在于，所述图案层包括多个中心圆点，所述中心圆点与周围背景形成对比色，在角度变化时所述中心圆点的位置发生变化，通过处理拍摄的图像获得所述中心圆点的中心位置坐标，从而确定靶点的角度变化。4.如权利要求1所述的柔性机械手，其特征在于，所述角度感知靶标提供随角度变色的图案。5.如权利要求1至4任一项所述的柔性机械手，其特征在于，所述弹性软囊内充有固体颗粒与液体的透明混合液，抓取物体时将所述弹性软囊内的液体抽出，产生颗粒聚集效应，使所述固体颗粒阻塞聚团，所述弹性软囊根据所述物体的表面形状自...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁斌，尹向辉，李寿杰，王学谦，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：