一种内嵌视觉的气驱软体手指制造技术

本发明专利技术提出的一种内嵌视觉的气驱软体手指，属于软体机器人技术领域，包括嵌固在密封装置上的手指本体；手指本体由外壳和容纳于外壳内部的弹性腔体组成，手指本体处于伸直状态下，弹性腔体上侧壁沿手指长度方向的内表面为一向上侧凸起的圆弧面，沿手指长度方向将弹性腔体分为三个区域，相邻两区域的RGB值不同；密封装置的一端内部设有牙型气密结构，密封装置的另一端内部设有与弹性腔体共轴的摄像头，在手指本体的指根端与摄像头之间形成一与弹性腔体连通的空腔，在空腔上方的密封装置内固定有气动阀。本发明专利技术将视觉感知应用于软体手指，实现了弯曲方向的识别和弯曲度的测量，具有密封性高、视野广、识别准确率高等优点。

An air driven soft finger with embedded vision

【技术实现步骤摘要】
一种内嵌视觉的气驱软体手指
本专利技术涉及一种内嵌视觉的气驱软体手指，属于软体机器人

技术介绍
在一些特殊使用环境中，要求操作设备具有更高的柔顺性，绝对的安全性，更好的人机交互性等，传统的刚性机械手已经不能满足这些要求。而相比于刚性的机械手，软体机械手由于具有柔软适应的特性，在易碎脆弱物品的操作以及与人进行协同工作等方面有着极为显著的优势。为了更好的提升软体手指的性能，在手中的传感器显得尤为重要。然而，由于软体手变形大，传统的传感装置难以与手指紧密配合或容易损坏。因此，需要一种能够适应软体手弯曲和拉伸特性的柔性传感器。为了控制软体手的姿态，传感器需要实时测量手指的弯曲度。目前，软体手指上最常用的传感器是电阻传感器。电阻传感器由电阻随自身弯曲变化的材料制成。电阻传感器附着或被嵌入软体手指中。当软体手指发生弯曲时，电阻传感器的电阻值随之发生改变，从而可以近似得到手指的弯曲程度。其优点在于具有较好的稳定性和可重复性，不会因为多次的使用而影响传感器的性能。另一种常用的传感器是光纤传感器。光纤嵌入软体手，当柔性光纤传感器发生弯曲时，其内部光的耗散程度会增加，传感器另一端收到的光信号的强度则会减弱。通过该传感器根据光信号强度减弱的程度，则可以得到光纤弯曲的程度。其优势在于，光信号传播速度快且十分的灵敏，可以实时准确的感知软体机器人手指的弯曲程度。同时由于光纤的体积小，光纤传感器容易与各类软体手指结合，而不影响软体手指原本的功能属性。但是上述传感器都有同样的局限性，即其传感信号均在一个维度上，每一时刻所输出的信号只有一个数值。因此，上述传感器只能够测量其所在的软体机器人手指的绝对弯曲程度，而不能获得手指的其他状态信息。为了克服上述传感器的缺陷，视觉传感器应运而生。视觉传感器具有更广阔的空间视觉和分辨率，可以获得更准确的多维信息。现有的视觉传感器由透明弹性体、亚克力板、LED灯及相机构成；其中，弹性体上有标记点阵列，通过识别标记点的变化和纹理的映射，可以测量接触力及接触物体的硬度和识别物体的纹理。但是，这种视觉传感器只能固定在机械手的指尖，感知区域仅限于指尖。此外，由于目前软体手指的刚度无法承载该类视觉传感器，因此，该类视觉传感器多用于刚性手指上，而无法安装在软体手指上。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决无法从软体手指上获取多维度弯曲度信息的问题，提出一种内嵌视觉的气驱软体手指。在不改变软体手柔性和气动功能下，该软体手可以获取弯曲方向和弯曲程度等多维信息，以实现软体手姿态的识别。本专利技术为解决上述问题采取的技术方案是：一种内嵌视觉的气驱软体手指，其特征在于，包括嵌固在密封装置上的手指本体；所述手指本体由外壳和容纳于所述外壳内部的弹性腔体组成，所述外壳的内表面与弹性腔体的外表面完全贴合，所述外壳上侧壁的表面处间隔设有多组凹槽阵列；所述手指本体处于伸直状态下，所述弹性腔体上侧壁沿手指长度方向的内表面为一向上侧凸起的圆弧面，沿手指长度方向将所述弹性腔体分为三个区域，相邻两区域的RGB值不同；所述密封装置的一端内部设有牙型气密结构，通过将手指本体的指根端穿过该牙型气密结构使得手指本体嵌固在密封装置上，所述密封装置的另一端内部设有与弹性腔体共轴的摄像头，在手指本体的指根端与摄像头之间形成一与所述弹性腔体连通的空腔，在所述空腔上方的密封装置内固定有气动阀，通过该气动阀与位于密封装置外部的气管和气泵相连。进一步地，所述弹性腔体上侧壁沿手指长度方向内表面形状的确定方法如下：令所述弹性腔体上侧壁沿手指长度方向的内表面在手指中垂面上的投影线由线段AB、BC、CD组成，点A、B、C、D分别对应弹性腔体中各区域的端点，其中A点靠近手指根部；令点D在摄像头光轴的投影点为E；设定点A和点B的位置，并设定如下已知参数：线段AB、BC、CD在手指中垂面的投影长度分别为a、b、c；点A至摄像头光屏的水平距离等于摄像头的物距ν；点A至摄像头聚焦面的水平距离等于摄像头的焦距f；点A与摄像头光轴线的垂直距离为ΔlA，取为摄像头的镜头尺寸的一半；点A与点B之间的垂直距离为ΔlB，不超过摄像头的镜头尺寸的一半；线段BC与摄像头光轴之间的夹角为θBC，取1°～2°；根据几何及光学投影关系，得到以下公式：ΔlC＝ΔlB-btanθBCΔlD＝btanθCD-ΔlC式中，ΔlC、ΔlD分别为点A与点C、D之间的垂直距离；θCD为线段CD与摄像头光轴之间的夹角；Δdb、Δdc、Δdd分别为线段BC、CD、DE在摄像头光屏上的投影长度，且满足Δdc＝ηΔdb，η为Δdc与Δdb的比例系数，η∈(0,1]；联立求解上述各式，求得θCD、ΔlD、η，以此得到弹性腔体上侧壁端点C、D的位置，最后对端点A～D进行拟合得到平滑的弹性腔体上侧壁圆弧面。本专利技术的特点及有益效果：本专利技术提出的内嵌视觉的气驱软体手指，结构简单，成本低。将视觉传感器应用于软体手指，弹性内腔既是气腔也与摄像头一起构成了视觉传感器，其既能满足柔性传感器和软体手相结合和软体手的柔性属性，也能满足软体手的气动驱动。弹性内腔采用半椭圆形，腔体的弧度不仅改变了软体手的延展性，还扩大了内腔视野和优化了成像比例。弹性内腔划分为不同的颜色区域，软体手弯曲时，不同颜色区域的变化明显，利于摄像头捕获，且通过对采集的图像进行后续处理可以获取丰富的弯曲特征信息(包括弯曲方向和弯曲程度)，克服了现有技术仅能采集软体手指单一维度信息的缺陷。密封装置内设牙形气密结构，可防止软体手指充气时弹出，保证了本软体手指的结构稳定性。附图说明图1是本专利技术实施例的气驱软体手指沿其中垂面的剖视图；图2是图1所示实施例的俯视图；图3是图1所示实施例中密封装置的正视图；图4是图1所示实施例的摄像头对弹性内腔进行图像采集时的成像原理示意图；图5是图1所示实施例中弹性内腔发生弯曲时采集的图像，图(a)至(d)依次是手指从伸直到完全弯曲的图像变化；图6是图5所示各图经过图像处理的效果图；图1至图3中：1—外壳，2—弹性腔体，21—圆弧面，3—凹槽阵列，4—牙形气密结构，5—气动阀，6—摄像头，7—密封装置，8—空腔。具体实施方式下面结合附图及实施例进一步详细介绍本专利技术的具体结构、工作原理内容。为便于描述，将面向手背侧称为上侧，将面向掌心侧称为下侧。本专利技术提出的一种内嵌视觉的气驱软体手指的一种实施例如图1、图2和图3所示，包括嵌固在密封装置7上的手指本体；所述手指本体由外壳1和容纳于外壳1内部的弹性腔体2组成，外壳1的内表面与弹性腔体2的外表面完全贴合，外壳1上侧壁的表面处间隔设有多组凹槽阵列3；手指本体处于伸直状态下，弹性腔体2上侧壁沿手指长度方向的内表面为一向上侧凸起的圆弧面21，沿手指长度方向将弹性腔体2分为三个区域，相邻两区域的RGB值不同；密封装置7的一端内部设有牙型气密结构4，通过将手指本体的指根端穿过该牙型气密结构4使得手指本体嵌固在密封装置7上，密封装置7的另一端内部设有与弹性腔体2共轴的摄像头6，在手指本体的指根端与摄像头6之间形成一空腔8(摄像头6的镜头可以伸入该空腔内)，且该空腔8与弹性腔体2连通，在空腔8上方的密封装置7内固定有气动阀5，通过该气动阀与位于密封装置7外部的气管和气泵(所述气管和气泵在图中未示意出)相连，通过外壳1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种内嵌视觉的气驱软体手指，其特征在于，包括嵌固在密封装置上的手指本体；所述手指本体由外壳和容纳于所述外壳内部的弹性腔体组成，所述外壳的内表面与弹性腔体的外表面完全贴合，所述外壳上侧壁的表面处间隔设有多组凹槽阵列；所述手指本体处于伸直状态下，所述弹性腔体上侧壁沿手指长度方向的内表面为一向上侧凸起的圆弧面，沿手指长度方向将所述弹性腔体分为三个区域，相邻两区域的RGB值不同；所述密封装置的一端内部设有牙型气密结构，通过将手指本体的指根端穿过该牙型气密结构使得手指本体嵌固在密封装置上，所述密封装置的另一端内部设有与弹性腔体共轴的摄像头，在手指本体的指根端与摄像头之间形成一与所述弹性腔体连通的空腔，在所述空腔上方的密封装置内固定有气动阀，通过该气动阀与位于密封装置外部的气管和气泵相连。

【技术特征摘要】
1.一种内嵌视觉的气驱软体手指，其特征在于，包括嵌固在密封装置上的手指本体；所述手指本体由外壳和容纳于所述外壳内部的弹性腔体组成，所述外壳的内表面与弹性腔体的外表面完全贴合，所述外壳上侧壁的表面处间隔设有多组凹槽阵列；所述手指本体处于伸直状态下，所述弹性腔体上侧壁沿手指长度方向的内表面为一向上侧凸起的圆弧面，沿手指长度方向将所述弹性腔体分为三个区域，相邻两区域的RGB值不同；所述密封装置的一端内部设有牙型气密结构，通过将手指本体的指根端穿过该牙型气密结构使得手指本体嵌固在密封装置上，所述密封装置的另一端内部设有与弹性腔体共轴的摄像头，在手指本体的指根端与摄像头之间形成一与所述弹性腔体连通的空腔，在所述空腔上方的密封装置内固定有气动阀，通过该气动阀与位于密封装置外部的气管和气泵相连。2.根据权利要求1所述的气驱软体手指，其特征在于，所述弹性腔体上侧壁沿手指长度方向内表面形状的确定方法如下：令所述弹性腔体上侧壁沿手指长度方向的内表面在手指中垂面上的投影线由线段AB、BC、CD组成，点A、B、C、D分别对应弹性腔体中各区域的端点，其中A点靠近手指根部；令点D在摄像头光轴的投影点为E；设定点A和点B的位置，并设定如下已知参数：线段AB、BC、CD在手指中垂面的投影长度分别为a、b、c；点A至摄像头光屏的水平距离等于摄像头的物距v；点A至摄像头聚焦面的水平距离等于摄像头的焦距f；点A与摄像头光轴线的垂直距离为ΔlA，取为摄像头的镜头尺寸的一半；点A与点B之间的垂直距离为ΔlB，不超过摄像头的镜头尺寸的一半；...

【专利技术属性】
技术研发人员：方斌，孙富春，章诗昕，吴林源，龙行明，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11