基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂制造技术

本发明专利技术公开了基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂，包括跨模态触觉传感器、软体气动手指、方形固定板、三角形支撑板和气泡驱动器。本发明专利技术具有安全的人机交互性与无限自由度，提高了机械臂的运动能力；同时搭载具有跨膜态触觉感知的软体气动手指，不仅能实现自适应抓取，同时可利用跨膜态触觉传感器，实现多功能感知，感知软体机械手是否接触物体；感知软体气动手指是否成功抓取物体，且在执行抓取物品及搬运过程中，对物体抓取的稳定性进行实时监测；可感知抓取过程中的接触力，并可精确控制输出的抓取力，从而实现对物体的安全抓取。安全抓取。安全抓取。

Software manipulator based on cross modal tactile sensor and bubble actuator

【技术实现步骤摘要】
基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂


[0001]本专利技术涉及机械臂与机器手
，具体涉及基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂。

技术介绍

[0002]与传统刚性机器人相比，软体机器人具有柔性、自适应性、人机交互安全性和生物兼容性，在农牧、食品和医疗等行业中具有广阔的应用前景，易碎易伤物品的(例如水果，蔬菜及生物组织)的抓取要求软体夹持器及操作臂能自适应抓取并实现自动化搬运操作；同时多指手作为人手的替代工具，需要表现出足够的柔性和具备触觉感知功能，以适应非结构化的复杂接触环境。
[0003]对于机械臂驱动器，传统机械臂由于刚性材料的限制，导致其自由度较少，而增加自由度需要增加相应的传感器，从而增加了系统的复杂程度，在人机交互的过程中存在较大的安全隐患；对于末端执行器，软体手与刚性机械手最大的区别就是本体材料是柔性的，由于软材料比刚性材料具有更加复杂丰富的响应特性，这不仅带来功能上的灵活性和顺应性，在软体手的设计和控制方法上也具有了更多可能。作为软体机器人领域的一个分支，软体手正在迅速发展，凭借良好的的主被动适应性、安全性以及复杂环境适应性等性能优势，必将在生产生活的诸多领域发挥重要的应用价值，在软体触觉传感方面，现有的触觉传感技术的应用和商用化明显滞后，所取得的研究成果大多停留在实验室阶段，与视觉传感技术相比这种不足更明显，到现在国内外市场上基本上没有出现耐用、可靠、具有通用性的软体触觉传感器，为此现在提出基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂，以解决技术中的上述不足之处。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂，包括方形亚克力固定板、三角形亚克力支撑板和气泡驱动器，所述气泡驱动器设置在三角形亚克力支撑板相互之间，气泡驱动器相互之间均设置有弹簧，且弹簧的两端与三角形亚克力支撑板相互靠近的一侧固定连接，最顶部所述三角形亚克力支撑板的侧壁与方形亚克力固定板的表面固定连接，最底部所述三角形亚克力支撑板的底部表面通过螺钉固定安装有三个软体气动手指，且软体气动手指的顶部均设置有气动手指进气口，软体气动手指相互靠近的一侧均设置有软体薄膜，软体薄膜相互靠近的一侧均设置有多个等距离排列的软体薄膜内部柱状突起物，且软体薄膜相互远离的一侧均设置有摄像头模块。
[0006]作为本专利技术一种优选的方案，所述气泡驱动器的顶部和底部分别设置有气泡驱动器出气口和气泡驱动器进气口。
[0007]作为本专利技术一种优选的方案，所述三条气泡驱动器绕中心等距分布在三角形亚克
力支撑板的三个顶点的位置，且气泡驱动器的气压调节不能过高，否则会使气泡驱动器失效。
[0008]作为本专利技术一种优选的方案，所述三条弹簧分布在三角形亚克力支撑板边线中心的位置，起到支撑作用。
[0009]作为本专利技术一种优选的方案，所述三个软体气动手指绕中心等距分布在最底部所述三角形亚克力支撑板的底部三个顶点的位置。
[0010]作为本专利技术一种优选的方案，所述摄像头模块连接机械臂的控制系统，软体气动手指上端的气动手指进气口连接气压调节装置，气压调节装置控制气压大小从而避免破坏被抓物体。
[0011]作为本专利技术一种优选的方案，所述摄像头模块集成了照明装置，在无外部光源的情况下也能够捕捉图像。
[0012]作为本专利技术一种优选的方案，所述摄像头模块还包括有线缆、安装架、摄像头、灯珠、亚克力片、透明凝胶和白色圆形标记物，线缆安装再安装架远离软体薄膜的一侧，摄像头安装在安装架的内腔中，且亚克力片、灯珠和透明凝胶均设置在安装架的内腔中，亚克力片位于灯珠和透明凝胶之间，白色圆形标记物设置在软体薄膜内部柱状突起物远离软体薄膜的一端上。
[0013]作为本专利技术一种优选的方案，还包括有如下的使用流程：
[0014]由三条气泡驱动器绕中心等距分布在三角形亚克力支撑板的三个顶点的位置，起到驱动作用，气泡驱动器采用PE塑料膜作为主体材料，利用通孔后的三角形亚克力支撑板将PE塑料膜分成很多个可伸缩的小气泡，三条弹簧分布在三角形亚克力支撑板边线中心的位置，起到支撑作用，通过对单条气泡驱动器进行充放气可实现轴向的伸缩，而多条气泡驱动器组成的驱动系统则可通过提供不同的进气速率使其弯曲一定的角度，从而实现机械臂无限自由度的弯曲运动；
[0015]其次是搭载了跨膜态触觉传感器系统、摄像头模块和软体薄膜内部柱状突起物)的软体气动手指部分：三个软体气动手指绕中心等距分布，软体气动手指指尖搭载跨膜态触觉传感器系统、软体薄膜内部柱状突起物，指尖背面安装了采集光学信号的摄像头模块)，摄像头模块连接机械臂的控制系统，软体气动手指通过气动手指进气口连接气压调节装置，气压调节装置控制气压大小从而避免破坏被抓物体，软体薄膜利用摄像头模块采集其中软体薄膜内部柱状突起物的变形图像，通过触觉模态到视觉模态的变换，感知软体气动手指是否接触物体，同时可感知是否成功抓取物体与物体的掉落与否，在了解物体的质地后，能够根据触觉传感器本身形变量的多少来判断抓取力的大小，从而调节输入软体气动手指的气压实现不同的抓取力度；
[0016]有关跨膜态触觉传感器系统的补充：摄像头模块本身集成了照明装置，在无外部光源的情况下也能够捕捉图像，软体薄膜的侧面设有数个柱状突起，摄像头模块与控制系统连接，在抓取物体时，软体气动手指指尖上的软体薄膜受到挤压，导致软体薄膜发生形变带动其内部的柱状突起发生位移，此时摄像头模块拍摄到软体薄膜内部柱状突起物突起发生位移后的图像，随后将该图像传输给控制系统，控制系统利用图像处理的方法可获取接触力的大小以及物体的几何信息。
[0017]在上述技术方案中，本专利技术提供的技术效果和优点：
[0018]1、首先，对于驱动部分，气泡驱动器的主要材料采用PE塑料膜，相较于传统的刚性机械臂的制作材料，其具有低成本、重量轻等优点。气泡驱动器制作方法简单，利用带有通孔的亚克力板，形成“气泡形状”，并创建一系列可收缩单元，经实验分析，其最大收缩量可达43.1％，最大应力可达894MPa，相当于气泡驱动器可提升1000倍于自身重量(5.39g)的负载；其次，末端执行器为搭载跨模态触觉传感器的软体气动手指，该触觉传感器成本低廉、简单制造和易于组装，利用了3D打印技术进行制造，具有触觉超分辨率，填补了目前在廉价、兼容、可定制触觉传感器领域的空白，该末端执行器整体具有自适应性，降低了抓取易碎易伤物品过程中的损坏率。
[0019]2、本专利技术具有安全的人机交互性与无限自由度，提高了机械臂的运动能力；同时搭载具有跨膜态触觉感知(通过软体形变视觉图像信息对触觉信息表征的软体触觉感知方法)的软体气动手指，不仅能实现自适应抓取，同时可利用跨膜态触觉传感器，实现对物体的感知，且具备以下感知功能：感知软体机械手是否接触物体；感知软体气动手指是否成功抓取物体，且抓取物品进行放置的过程中，对物体抓取的稳定性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂，包括方形亚克力固定板(1)、三角形亚克力支撑板(2)和气泡驱动器(3)，其特征在于：所述气泡驱动器(3)设置在三角形亚克力支撑板(2)相互之间，气泡驱动器(3)相互之间均设置有弹簧(4)，且弹簧(4)的两端与三角形亚克力支撑板(2)相互靠近的一侧固定连接，最顶部所述三角形亚克力支撑板(2)的侧壁与方形亚克力固定板(1)的表面固定连接，最底部所述三角形亚克力支撑板(2)的底部表面通过螺钉固定安装有三个软体气动手指(5)，且软体气动手指(5)的顶部均设置有气动手指进气口(10)，软体气动手指(5)相互靠近的一侧均设置有软体薄膜(6)，软体薄膜(6)相互靠近的一侧均设置有多个等距离排列的软体薄膜内部柱状突起物(11)，且软体薄膜(6)相互远离的一侧均设置有摄像头模块(7)。2.根据权利要求1所述的基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂，其特征在于：所述气泡驱动器(3)的顶部和底部分别设置有气泡驱动器出气口(9)和气泡驱动器进气口(8)。3.根据权利要求1所述的基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂，其特征在于：所述三条气泡驱动器(3)绕中心等距分布在三角形亚克力支撑板(2)的三个顶点的位置，且气泡驱动器(3)的气压调节不能过高，否则会使气泡驱动器(3)失效。4.根据权利要求1所述的基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂，其特征在于：所述三条弹簧(4)分布在三角形亚克力支撑板(2)边线中心的位置，起到支撑作用。5.根据权利要求1所述的基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂，其特征在于：所述三个软体气动手指(5)绕中心等距分布在最底部所述三角形亚克力支撑板(2)的底部三个顶点的位置。6.根据权利要求1所述的基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂，其特征在于：所述摄像头模块(7)连接机械臂的控制系统，软体气动手指(5)上端的气动手指进气口(10)连接气压调节装置，气压调节装置控制气压大小从而避免破坏被抓物体。7.根据权利要求1所述的基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂，其特征在于：所述摄像头模块(7)集成了照明装置，在无外部光源的情况下也能够捕捉图像。8.根据权利要求1所述的基于跨模态触觉传感器与气泡驱动器的软体操作臂，其特征在于：所述跨膜态触觉传感器系统包括摄像头模块(7)、柱状突起物(11)、白色圆形标记物(18)...

【专利技术属性】
技术研发人员：项超群，云涛，彭俊杰，李靖，孙志华，王淳锋，管贻生，朱海飞，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：