一种基于柔性压力传感器的机械手驱动系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于柔性压力传感器的机械手驱动系统，包括：多个柔性压力传感器、固定指、驱动指、凹状掌垫、传动机构、舵机、调节机构和手爪支架。柔性压力传感器分别贴附在凹状掌垫和驱动指内表面，凹状掌垫采用弹性复合材料，表面贴附柔性压力传感器；通过调节机构可以改变固定指与凹状掌面的角度。本发明专利技术专利结合机械臂或者刚性杆，可以完成柔顺抓取物体任务：当物体与凹状柔性压力传感器之间的接触力达到预设值后，微型控制器接收抓取信号并发送控制指令使驱动手指执行抓握动作，根据驱动指表面柔性压力传感器阵列实时反馈的接触压力信息，微型控制器控制舵机施加合理的抓取力度。本装置具有抓取稳定、防止物体破损和抓取时机准确的特性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于柔性压力传感器的机械手驱动系统
本专利技术涉及机器人手爪
，尤其涉及的是一种基于柔性压力传感器的机械手驱动系统。
技术介绍
随着科学技术不断发展，机器人已经成为人们日常生活中必不可少的工具，机器人手爪向着多功能、柔性化、智能化和高性能方向发展，这是扩大机器人应用领域和提高机器人智能化程度的重要方向之一。目前，使机器人手爪具有触觉感知功能是国内外研究人员所关注的，具体是机械手可以反馈被抓对象的软硬程度、表面温度、空间形状等信息，从而操作人员或者机器人根据这些信息判断并决策下一步将要执行的动作。简单的机械末端夹持器，作业空间较小，灵活性较差只能用于特定场所；用于机器人末端执行器的“灵巧手”功能多、性能强，但制备成本很高，难以普化。文献调研表明，现有机械手仍然存在两个主要缺点：一是用于机器人的机械手难以抓取多种形状不规则的物体，即使公开了很多带有触觉感知模块的柔性机器人手爪，但软体手指的设计具有一定的抓取局限性，对于体积相差较大的物体抓取效果不理想；二是机械手用于抓取易损物体的情况下，难以保障机械手的抓取速率和抓取稳定性，容易破坏抓取对象。因此，本专利技术公开了一种基于柔性压力传感器的机械手驱动系统，利用电机驱动方式的优势，机械手可抓取易损物体和多种不同形状的物体，具有结构简单、控制难度小、抓取时机准确和适用性强的优点。结合机械臂或者刚性杆，本专利技术所提出的机械手可广泛用于果蔬分拣、物品搬运等场所。
技术实现思路
针对上述机器人手爪的尚存缺点，本专利技术提出了一种基于柔性压力传感器的机械手及控制方法。机械手能够实时检测手指与抓取对象之间的接触压力，通过专家PID控制算法提高系统稳定性，然后通过舵机和传动机构调节抓取力度，完成柔顺抓取动作。所提出的压力闭环机械手驱动系统，够抓取形状不同、容易损坏的物体，在一定程度上可以保护物体，并扩大机械手的适用范围。本专利技术的技术方案如下：一种基于柔性压力传感器的机械手驱动系统，包括：末端柔性压力传感器、中端柔性压力传感器、驱动指、凹状柔性压力传感器、传动机构、舵机、调节卡、凹状掌垫、固定指、弹簧、转轴、套管、手爪支架和微型控制器，所述末端柔性压力传感器固定于驱动指上部内侧表面，所述中端柔性压力传感器固定于驱动指中部内侧表面，所述驱动指、固定指和传动机构同转轴连接，所述驱动指由传动机构控制转动角度，所述凹状柔性压力传感器固定于凹状掌垫凹面表面，所述舵机与传动机构连接并为传动机构提供动力，所述舵机固定于固定指上，所述调节卡同体连接于套管上，所述固定指穿过调节卡上端方孔，所述凹状掌垫连接于手爪支架顶端，所述弹簧连接于手爪支架和固定指上，所述固定指和手爪支架由转轴连接，所述套管套接在手爪支架上可以上下移动，所述末端柔性压力传感器、中端柔性压力传感器、凹状柔性压力传感器和舵机与微型控制器相连接；优选地，所述驱动指和固定指采用刚性杆和柔弹性复合材料制备，模仿灵长类生物手指骨骼和肌肉的刚柔结构。优选地，所述柔性压力传感器、中端柔性压力传感器和凹状柔性压力传感器模仿压觉感应受体。优选地，所述驱动指末端柔性压力传感器表面呈凹凸不平结构，可以增大机械手与抓取对象之间的摩擦。优选地，所述的凹状掌垫被多根手指包围住，所述凹状掌垫采用具有柔弹性的复合材料，与抓取对象相接触时可以在一定角度范围内自由摆动和变形。优选地，所述固定指可以根据抓取对象的形状调整开合角度，以适应体积相差较大的易碎或者易破损的抓取对象。优选地，套管和手爪支架通过机械结构可以改变调节卡的角度，弹簧提供支撑力，固定指的角度随着调节卡的角度变化而变化，从而可以调节固定指的角度。优选地，所述驱动指的数目可以根据工况要求改变，数目大于等于3根。优选地，所述驱动指的每根手指都是一个控制系统，微控制器根据三根驱动指各自尖端的柔性压力传感器反馈信息分别控制不同驱动指的抓取力度，直至力度达到期望值，使每根手指都与被抓对象高度贴合。优选地，所述微型控制器选用专家PID控制算法，根据不同时刻的误差e和误差变化Δe之间的关系，利用专家控制规则对PID的参数进行在线调整，以适应机械手驱动系统参数和跟踪控制需求。优选地，所述微型控制器通过移动端APP和机械手装置设定和切换工作模式，具体可以根据不同的抓取对象，设置抓取动作适合的预设值和期望值。本专利技术的有益效果：机械手的驱动指表面贴附着柔性压力传感器阵列能够实时检测手指与抓取对象之间的接触压力，通过专家PID控制算法提高系统稳定性，然后通过舵机和传动机构调节抓取力度，提高抓取动作的柔顺性。所提出的压力闭环机械手驱动系统，可以抓取形状不同、容易损坏的物体，在一定程度上可以保护物体，并扩大机械手的适用范围。本装置具有结构简单、控制难度小、适用性强、抓取稳定、防止物体破损和抓取时机准确的特性。结合机械臂或者刚性杆，本专利技术所提出的机械手可广泛用于果蔬分拣、物品搬运等场所。附图说明：图1.本专利技术的机械手实物图；图2.本专利技术的机械手的俯视图；图3.本专利技术的机械手功能流程；图4.本专利技术的机械手抓取状态示意图；图5.固定指角度调节局部结构示意图；图6.机械手驱动系统控制策略图；图7.机械手驱动系统的单驱动指原理结构图；图中：1.末端柔性压力传感器，2.中端柔性压力传感器，3.驱动指、4.凹状柔性压力传感器，5.传动机构，6.舵机，7.调节卡，8.凹状掌垫，9.固定指，10.弹簧，11.转轴，12.套管，13.手爪支架具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施方式作出详细的说明，使得专利技术目的、技术方案、特征等更加易于理解，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，实施例仅用于解释本专利技术，而不是对本专利技术的限定。请参阅图1-7，本专利技术提供一种技术方案：如图1所示，本专利技术提供的一种基于柔性压力传感器的机械手驱动系统，包括末端柔性压力传感器1、中端柔性压力传感器2、驱动指3、凹状柔性压力传感器4、传动机构5、舵机6、调节卡7、凹状掌垫8、固定指9、弹簧10、转轴11、套管12和手爪支架13，调节卡7、弹簧10、转轴11和套管12统称为调节机构，所述末端柔性压力传感器1固定于驱动指3上部内侧表面，所述中端柔性压力传感器2固定于驱动指3中部内侧表面，所述驱动指3、固定指9和传动机构5同转轴连接，所述驱动指3由传动机构5控制转动角度，所述凹状柔性压力传感器4固定于凹状掌垫8凹面表面，所述舵机6与传动机构5连接并为传动机构5提供动力，所述舵机6固定于固定指9上，所述调节卡7同体连接于套管12上，所述固定指9穿过调节卡7上端方孔，所述凹状掌垫8连接于手爪支架13顶端，所述弹簧10连接于手爪支架13和固定指9上，所述固定指9和手爪支架13由转轴11连接，所述套管12套接在手爪支架13上可以上下移动，所述末端本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于柔性压力传感器的机械手驱动系统，包括：末端柔性压力传感器(1)、中端柔性压力传感器(2)、驱动指(3)、凹状柔性压力传感器(4)、传动机构(5)、舵机(6)、调节卡(7)、凹状掌垫(8)、固定指(9)、弹簧(10)、转轴(11)、套管(12)、手爪支架(13)和微型控制器，其特征在于：所述末端柔性压力传感器(1)固定于驱动指(3)上部内侧表面，所述中端柔性压力传感器(2)固定于驱动指(3)中部内侧表面，所述驱动指(3)、固定指(9)和传动机构(5)同转轴连接，所述驱动指(3)由传动机构(5)控制转动角度，所述凹状柔性压力传感器(4)固定于凹状掌垫(8)凹面表面，所述舵机(6)与传动机构(5)连接并为传动机构(5)提供动力，所述舵机(6)固定于固定指(9)上，所述调节卡(7)同体连接于套管(12)上，所述固定指(9)穿过调节卡(7)上端方孔，所述凹状掌垫(8)连接于手爪支架(13)顶端，所述弹簧(10)连接于手爪支架(13)和固定指(9)上，所述固定指(9)和手爪支架(13)由转轴(11)连接，所述套管(12)套接在手爪支架(13)上可以上下移动，所述末端柔性压力传感器(1)、中端柔性压力传感器(2)、凹状柔性压力传感器(4)和舵机(6)与微型控制器相连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于柔性压力传感器的机械手驱动系统，包括：末端柔性压力传感器(1)、中端柔性压力传感器(2)、驱动指(3)、凹状柔性压力传感器(4)、传动机构(5)、舵机(6)、调节卡(7)、凹状掌垫(8)、固定指(9)、弹簧(10)、转轴(11)、套管(12)、手爪支架(13)和微型控制器，其特征在于：所述末端柔性压力传感器(1)固定于驱动指(3)上部内侧表面，所述中端柔性压力传感器(2)固定于驱动指(3)中部内侧表面，所述驱动指(3)、固定指(9)和传动机构(5)同转轴连接，所述驱动指(3)由传动机构(5)控制转动角度，所述凹状柔性压力传感器(4)固定于凹状掌垫(8)凹面表面，所述舵机(6)与传动机构(5)连接并为传动机构(5)提供动力，所述舵机(6)固定于固定指(9)上，所述调节卡(7)同体连接于套管(12)上，所述固定指(9)穿过调节卡(7)上端方孔，所述凹状掌垫(8)连接于手爪支架(13)顶端，所述弹簧(10)连接于手爪支架(13)和固定指(9)上，所述固定指(9)和手爪支架(13)由转轴(11)连接，所述套管(12)套接在手爪支架(13)上可以上下移动，所述末端柔性压力传感器(1)、中端柔性压力传感器(2)、凹状柔性压力传感器(4)和舵机(6)与微型控制器相连接。


2.根据权利要求1所述的基于柔性压力传感器的机械手驱动系统，其特征在于：所述驱动指(3)和固定指(9)采用刚性杆和柔弹性复合材料制备，模仿灵长类生物手指骨骼和肌肉的刚柔结构。


3.根据权利要求1所述的基于柔性压力传感器的机械手驱动系统，其特征在于：所述柔性压力传感器(1)、中端柔性压力传感器(2)和凹状柔性压力传感器(4)模仿压觉感应受体。


4.根据权利要求1所述的基于柔性压力传感器的机械手驱动系统，其特征在于：所述驱动指(3)末端柔性压力传感器(1)表面呈凹凸不平结构，可以增大机械手与...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘振泽，何井全，梁亮，董迪锴，易维云，钱志辉，田彦涛，孙吉，王成喜，程丽丽，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22