一种软体关节弯曲角度传感器及刚柔混合手感知测量方法技术

本发明专利技术提供了一种软体关节弯曲角度传感器及刚柔混合手感知测量方法。将电阻微变信号通过电桥提升信号灵敏度，并将电桥两端毫伏级别的压差通过高倍放大后，以高输入阻抗输入到单端ADC中采集信号，并通过SPI传输至主控。本发明专利技术利用液态金属传感器反馈闭环，实时反馈当前状态至上位机。前状态至上位机。前状态至上位机。

【技术实现步骤摘要】
一种软体关节弯曲角度传感器及刚柔混合手感知测量方法


[0001]本专利技术属于机器人手领域；具体涉及一种软体关节弯曲角度传感器及刚柔混合手感知测量方法。

技术介绍

[0002]现有的机器人灵巧手多为刚性构件及运动副关节组成的复杂机电系统。由于其复杂的结构，这些灵巧手在抗冲击性能上存在不足，控制复杂且价格昂贵。在一些对柔软易变形物体的抓握或操作任务中存在一定的劣势。如何使软体关节弯曲角度检测更灵敏，检测程度更高，成为刚柔混合手亟待解决的问题。
[0003]与刚性手不同，目前的软体手一般缺乏传感器，缺乏本体感知功能。即在缺乏外部传感器信息的时候难以判断手指的动作。传统机器人使用的位置传感器缺乏柔性，不能随软体手变形，或对变形产生较大的阻碍作用。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种软体关节弯曲角度传感器及刚柔混合手感知测量方法，如何使软体关节弯曲角度检测更灵敏，检测程度更高，成为刚柔混合手亟待解决的问题，本专利技术利用液态金属传感器反馈闭环，实时反馈当前状态至上位机。
[0005]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0006]一种软体关节弯曲角度传感器，将电阻微变信号通过电桥提升信号灵敏度，并将电桥两端毫伏级别的压差通过高倍放大后，以高输入阻抗输入到单端ADC中采集信号，并通过SPI传输至主控；
[0007]所述传感器的信号调理电路为开尔文电桥小电阻测量电路，所述开尔文电桥小电阻测量电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、变阻器R7、电阻RS、放大器AD、ADC芯片和放大器OP，所述输入电压+5V与电阻R1的一端和电阻R2的一端相连接，所述电阻R1的另一端与电阻R3的一端和放大器AD的正输入端相连接，所述电阻R1的另一端与电阻R3的一端、电阻RS的一端、电阻R5的一端和电阻R6的一端相连接，所述电阻R3的另一端与电阻RS的另一端连接后接地，
[0008]所述电阻R5的另一端与电阻R6的另一端和放大器AD的负输入端相连接，
[0009]所述放大器AD的4号端与输入电压+5V和变阻器R7的一端相连接，所述变阻器R7的另一端与输入电压
‑
5V和放大器AD的5号端相连接，所述放大器AD的Ref端和放大器OP的输出端与负输入端相连接，所述放大器OP的正输入端与变阻器R7的第三端相连接。
[0010]一种软体关节弯曲角度传感器的刚柔混合手感知测量方法，所述刚柔混合手感知测量方法包括电阻测量和手指接触力测量；
[0011]所述电阻测量使用高精度测量中的四线电阻测量方法，使用开尔文电桥提高测量电路的灵敏度；
[0012]所述手指接触力测量是由于关节的低刚度及柔顺性特性，当手指抓握物体时，物
体与手指产生的力会导致关节弯曲角度的变化；相同的输入气压下，不同接触力及接触位置的分布会导致不同的弯曲角度；通过各气腔输入气压与关节实际转角反映出手指与物体的不同接触部位的不同接触力分布。
[0013]进一步的，所述电阻测量具体为，所述液态金属传感器通过FPC线以四线接法接入开尔文电桥，电桥电阻满足关系：R1/R5＝R3/R6。设仪表放大器的放大倍率为M
AMP
，电桥VCC为U
i
，则电路输出U0为：
[0014][0015]进一步的，选用AD8426四通道仪表放大器，放大倍数选取1000倍放大；选用
±
5V隔离电源供电；对应输出饱和电压为
±
4.8V；各路通道通过电位计调节参考电压并经过OP2177电压跟随器匹配阻抗，输入REF引脚进行调零；电源设置电容去除高频杂波，输出通道加入低通滤波使之直接驱动单输入ADC；放大后的电压信号通过四通道复用ADC：ADS1220转换成数字信号并通过隔离SPI通信。
[0016]进一步的，关节转角测量具体为，关节在弯曲时视为均匀曲率的弯曲，根据电路测得的电阻值，联立以下两式分别求得IP及MCP关节的弯曲角度；
[0017][0018][0019]进一步的，所述手指接触力测量具体为，由于关节的低刚度及柔顺性特性，当手指抓握物体时，物体与手指产生的力会导致关节弯曲角度的变化；相同的输入气压下，不同接触力及接触位置的分布会导致不同的弯曲角度；因此，通过各气腔输入气压与关节实际转角能反映出手指与物体的不同接触部位的不同接触力分布；
[0020]在检测手指接触力时，检测每个指骨区域接触力的方向及大小；因此每根手指需要检测输出三个位置垂直方向压力，一共3个力数值组成的向量；其输入为4个气腔的输入气压与4个关节弯曲角度组成的向量；因此采用三层全连接神经网络对其函数关系进行拟合；
[0021]在训练网络时，在手指指骨区域粘贴FSR测量接触力，测量不同手指关节弯曲角度及气压输入时的接触力数据形成训练集，用得到的训练集训练网络得到函数关系的非线性近似。
[0022]本专利技术的有益效果是：
[0023]本专利技术能够同时测量关节弯曲角度及接触力。
[0024]本专利技术小电阻测量精度更高，理论测量精度可达1
‰
。
[0025]本专利技术的关节能在小尺寸内实现大曲率弯曲，接近人手关节运动特点。本专利技术所使用的传感器能够减少对软体关节变形的影响。
附图说明
[0026]附图1是本专利技术的驱动感知一体化刚柔软混合手指示意图。
[0027]附图2是本专利技术的开尔文电桥小电阻测量电路图。
[0028]附图3是本专利技术的IP关节弯曲角度示意图。
[0029]附图4是本专利技术的MCP关节弯曲角度示意图。
[0030]附图5是本专利技术的接触力计算示意图。
[0031]附图6是本专利技术的接触力示意图。
具体实施方式
[0032]下面将结合本专利技术实施例中的附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0033]本专利技术提供了一种将多通道柔性传感器集成进刚柔软手指的方法，使手指能够识别关节弯曲角度及接触力，为手指闭环控制提供反馈信号。其中，两个IP关节传感器分别检测两个IP关节弯曲角度。MCP关节使用对称两通道传感器，通过对信号解耦获得关节的弯曲与侧摆角度信息。通过气压与关节角度的关系，通过训练的多层网络获得接触力信息。
[0034]一种刚柔混合手指，所述刚柔混合手指包括IP指间关节1、MCP掌指关节2、DP指骨3、MP指骨4、PP指骨5、弯曲传感器6和基座7；所述IP指间关节1包括DIP指间关节8与PIP指间关节9；
[0035]所述DP指骨3、DIP指间关节8、MP指骨4、PIP指间关节9、PP指骨5、MCP掌指关节2和基座7依次连接，所述弯曲传感器6缠绕在IP指间关节1和MCP掌指关节2；
[0036]所述DP指骨3、DIP本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种软体关节弯曲角度传感器，其特征在于，将电阻微变信号通过电桥提升信号灵敏度，并将电桥两端毫伏级别的压差通过高倍放大后，以高输入阻抗输入到单端ADC中采集信号，并通过SPI传输至主控；所述传感器的信号调理电路为开尔文电桥小电阻测量电路，所述开尔文电桥小电阻测量电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、变阻器R7、电阻RS、放大器AD、ADC芯片和放大器OP，所述输入电压+5V与电阻R1的一端和电阻R2的一端相连接，所述电阻R1的另一端与电阻R3的一端和放大器AD的正输入端相连接，所述电阻R1的另一端与电阻R3的一端、电阻RS的一端、电阻R5的一端和电阻R6的一端相连接，所述电阻R3的另一端与电阻RS的另一端连接后接地，所述电阻R5的另一端与电阻R6的另一端和放大器AD的负输入端相连接，所述放大器AD的4号端与输入电压+5V和变阻器R7的一端相连接，所述变阻器R7的另一端与输入电压
‑
5V和放大器AD的5号端相连接，所述放大器AD的Ref端和放大器OP的输出端与负输入端相连接，所述放大器OP的正输入端与变阻器R7的第三端相连接。2.根据权利要求1所述一种软体关节弯曲角度传感器的刚柔混合手感知测量方法，其特征在于，所述刚柔混合手感知测量方法包括电阻测量和手指接触力测量；所述电阻测量使用高精度测量中的四线电阻测量方法，使用开尔文电桥提高测量电路的灵敏度；所述手指接触力测量是由于关节的低刚度及柔顺性特性，当手指抓握物体时，物体与手指产生的力会导致关节弯曲角度的变化；相同的输入气压下，不同接触力及接触位置的分布会导致不同的弯曲角度；通过各气腔输入气压与关节实际转角反映出手指与物体的不同接触部位的不同接触力分布。3.根据权利要求2所述一种软体关节弯曲角度传感器的刚柔混合手感知测量方法，其特征在于，所述电阻测量具体为，所述液态金属传感器通过FPC线以四线接法接入开尔文电桥，电桥电阻满...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜力，甄睿辰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：