一种柔性机械爪的曲率测量系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及农业机械领域，为柔性机械爪的曲率测量系统及方法，其中柔性机械爪有多个抓取指，每个抓取指包括变形内梁和变形外梁，变形内梁的抓取端与变形外梁的一端连接；曲率测量系统包括相连接的压电薄膜传感器、数据采集处理模块；压电薄膜传感器设置在柔性机械爪的每个抓取指上，用于检测柔性机械爪的每个抓取指的形变数据；数据采集处理模块对所述形变数据进行处理，获得柔性机械爪的弯曲曲率信息。本发明专利技术基于压电薄膜技术实现对柔性机械爪弯曲程度的测量，实时监控柔性机械爪抓取物体时的姿态，保护被抓取物的表皮，增加被抓取物的完好程度，从而降低被抓取物的损伤率。从而降低被抓取物的损伤率。从而降低被抓取物的损伤率。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性机械爪的曲率测量系统及方法


[0001]本专利技术涉及农业机械领域，特别是涉及一种柔性机械爪的曲率测量系统及方法。

技术介绍

[0002]作为采摘机器人的重要部件，机械爪以柔性材质偏多，但柔性机械爪抓取物体时的姿态和力度不好把握；如果能对其抓取力度和形态，例如曲率进行实时监控，就能保护蔬果脆弱的表皮，降低采摘损伤率。
[0003]国内外对机械爪抓取姿态和接触力等的检测还不够精确，特别是在采摘机器人方面。以采摘苹果为例，其中一种方法是先根据静载压缩试验得出综合弹性系数，通过接触半径求出产生弹性形变的最小荷载量，计算出苹果能承受的最大安全力值，根据数据提前确定机械爪抓取的力度和弧度。这个方法在实际应用的过程中，很难解决苹果形状大小不一的问题，面对不同的果实大小需要进行重新输入抓取力度和弧度，不能根据情况实时监控，不利于提高蔬果采摘的效率。
[0004]但是这种柔性机械爪无法实时监控其在抓取物体时的过程，从而无法对不同形状和大小的蔬果做出适应性调整。柔性机械爪抓取蔬果时，弯曲程度和弯曲速度过大容易对脆弱的表皮造成损坏。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术中存在的缺点，本专利技术提供一种柔性机械爪的曲率测量系统，该系统基于压电薄膜技术实现对柔性机械爪弯曲程度的测量，实时监控柔性机械爪抓取物体时的姿态，保护被抓取物的表皮，增加被抓取物的完好程度，从而降低被抓取物的损伤率。
[0006]基于相同的专利技术构思，本专利技术还提出一种柔性机械爪的曲率测量方法。
[0007]本专利技术的柔性机械爪的曲率测量系统，其中柔性机械爪有多个抓取指，每个抓取指包括变形内梁和变形外梁，变形内梁的抓取端与变形外梁的一端连接；所述曲率测量系统包括相连接的压电薄膜传感器、数据采集处理模块；
[0008]压电薄膜传感器设置在柔性机械爪的每个抓取指上，用于检测柔性机械爪的每个抓取指的形变数据；数据采集处理模块对所述形变数据进行处理，获得柔性机械爪的弯曲曲率信息。
[0009]优选地，所述曲率测量系统还包括控制模块、柔性机械爪运动驱动模块；柔性机械爪运动驱动模块受控于控制模块，驱动柔性机械爪进行运动。
[0010]进一步优选地，柔性机械爪运动驱动模块与柔性机械爪连接，变形内梁的固定端固定在柔性机械爪运动驱动模块上，变形外梁的另一端与柔性机械爪运动驱动模块连接。
[0011]进一步优选地，柔性机械爪运动驱动模块为步进丝杆滑台，包括电机、丝杆、滑块和滑台本体，滑台设有通孔；丝杆与电机连接，并穿过滑块固定在滑台上；变形内梁的固定端固定在滑台本体上，变形外梁的另一端穿过滑台本体与滑块连接。
[0012]进一步优选地，所述控制模块包括相连接的单片机和用于驱动步进丝杆滑台的驱动模块。
[0013]优选地，所述压电薄膜传感器设置于抓取指的内梁薄片中间外侧。
[0014]优选地，所述压电薄膜传感器检测柔性机械爪在抓紧和/或放松工况下的弯曲程度和弯曲速度，数据采集处理模块对弯曲程度和弯曲速度进行处理得到柔性机械爪的弯曲曲率信息。
[0015]本专利技术的柔性机械爪的曲率测量方法，基于上述曲率测量系统，包括以下步骤：
[0016]S1、测量压电薄膜中膜片弯曲所形成弧线的弯曲程度和弯曲速度；
[0017]S2、对压电薄膜传感器的输出电压和弯曲速度、弯曲程度的关系进行实验，找到压电薄膜传感器的输出电压和弯曲速度、输出电压和弯曲程度呈现线性关系的区间；
[0018]S3、根据压电薄膜传感器的输出电压和弯曲速度、输出电压和弯曲程度的线性区间，对弯曲程度关于输出电压、弯曲速度的二元函数进行曲面拟合，辨识弯曲程度关于输出电压、弯曲速度两个自变量的数学模型；
[0019]S4、根据步骤S3拟合结果，在已知弯曲速度与压电薄膜传感器输出电压的情况下，计算得出弯曲程度。
[0020]优选地，弯曲程度为压电薄膜传感器中膜片弯曲形成的圆弧的平均曲率；平均曲率的计算公式为：
[0021][0022]其中，Δα为所述圆弧的切线转角，Δs为压电薄膜传感器的长度。
[0023]本专利技术与现有技术相比具有如下优点和效果：
[0024]本专利技术利用PVDF压电薄膜传感器实现对柔性机械爪弯曲程度的测量，可实现对柔性机械爪弯曲程度的测量，结构简单，成本较低，可实时监控柔性机械爪抓取物体时的姿态，保护被抓取物的表皮，降低被抓取物的损伤率，从而增加被抓取物的完好程度。
附图说明
[0025]图1为现有柔性机械爪的结构示意图；
[0026]图2为本专利技术实施例中柔性机械爪的曲率测量系统的结构示意图；
[0027]图3为本专利技术实施例中柔性机械爪的单个抓取指的形变量测量示意图，其中(a)示意了柔性机械爪抓紧工况下的形变量测量，(b)示意了柔性机械爪放松工况下的形变量测量；
[0028]图4为本专利技术实施例中各电路模块的连接示意图；
[0029]图5为本专利技术实施例中PVDF压电薄膜传感器的切线转角示意图；
[0030]其中，1、PVDF压电薄膜传感器；2、柔性机械爪；3、步进丝杆滑台；4、控制模块；5、电荷放大器；6、数据采集卡；7、计算机；2
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1、变形内梁；2
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2、变形外梁；3
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1、电机；3
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2、丝杆；3
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3滑台本体；3
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4、滑块。
具体实施方式
[0031]为了便于理解本专利技术，下面将结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施
向内弯曲，柔性机械爪抓紧，通过PVDF压电薄膜传感器检测柔性机械爪的弯曲程度和弯曲速度，数据采集卡将弯曲程度和弯曲速度采集后输入计算机，由计算机对弯曲程度和弯曲速度进行处理得到柔性机械爪的弯曲曲率信息。
[0042]在需要控制柔性机械爪放松的工况中，如图3中的(b)图所示，单片机控制步进丝杆滑台的电机3
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1反转，丝杆3
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2随之转动，滑块3
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4在丝杆3
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2带动下远离柔性机械爪中单个抓取指的长度方向运动，滑块3
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4上的单个抓取指的变形外梁2
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2促使变形内梁2
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1向外弯曲，柔性机械爪放松，通过PVDF压电薄膜传感器、数据采集卡和计算机采集并处理获得柔性机械爪的弯曲曲率信息。
[0043]在上述曲率测量系统的基础上，本实施例还提供柔性机械爪的曲率测量方法，用于实现对柔性机械爪姿态的实时监控。曲率测量方法具体可包括如下步骤：
[0044]S1、测量PVDF压电薄膜中膜片弯曲所形成弧线的弯曲程度和弯曲速度。
[0045]PVDF压电薄膜传感器的输出电压大小，与PVDF压电薄膜传感器中膜片的弯曲速度及弯曲程度都有关。弯曲程度方面，膜片弯曲形成的弧度可以近似为一个圆弧，因此采用平均曲率来代替PVDF压电薄膜的弯曲程度。要想精准本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性机械爪的曲率测量系统，所述柔性机械爪有多个抓取指，每个抓取指包括变形内梁和变形外梁，变形内梁的抓取端与变形外梁的一端连接，其特征在于，所述曲率测量系统包括相连接的压电薄膜传感器、数据采集处理模块；压电薄膜传感器设置在柔性机械爪的每个抓取指上，用于检测柔性机械爪的每个抓取指的形变数据；数据采集处理模块对所述形变数据进行处理，获得柔性机械爪的弯曲曲率信息。2.根据权利要求1所述的曲率测量系统，其特征在于，所述曲率测量系统还包括控制模块、柔性机械爪运动驱动模块；柔性机械爪运动驱动模块受控于控制模块，驱动柔性机械爪进行运动。3.根据权利要求2所述的曲率测量系统，其特征在于，柔性机械爪运动驱动模块与柔性机械爪连接，变形内梁的固定端固定在柔性机械爪运动驱动模块上，变形外梁的另一端与柔性机械爪运动驱动模块连接。4.根据权利要求3所述的曲率测量系统，其特征在于，柔性机械爪运动驱动模块为步进丝杆滑台，包括电机、丝杆、滑块和滑台本体，滑台设有通孔；丝杆与电机连接，并穿过滑块固定在滑台上；变形内梁的固定端固定在滑台本体上，变形外梁的另一端穿过滑台本体与滑块连接。5.根据权利要求2
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4中任一项所述的曲率测量系统，其特征在于，所述控制模块包括相连接的单片机和用于驱动步进丝杆滑台的驱动模块。6.根据权利要求1所述的曲率测量系统，其特征在于，所述压电薄膜传感器设置于抓取指的内梁薄片中间外侧。7.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：莫嘉嗣，陈秋烁，陈健欢，闫国琦，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：