一种基于花瓣仿生的多节段柔性机械爪及其根部过渡段设计方法

本发明涉及机器人末端执行器，具体涉及一种基于花瓣仿生的多节段柔性机械爪及其根部过渡段设计方法。

背景技术：

1、在机器人抓取作业中，机械爪作为末端执行器，其结构设计直接影响抓取性能。传统的机械爪多采用刚性连杆驱动或电机直驱方式，存在结构复杂、体积庞大、柔顺性差等问题。特别是在需要抓取易碎、易变形或形状不规则的物体时，刚性机械爪难以实现自适应包络抓取，容易造成被抓取物体的损伤。

2、刚性机械爪的局限性主要体现在三个方面。其一，接触应力集中导致的物理损伤。刚性夹爪闭合时与工件的接触面积往往较小，接触点的压力分布极不均匀，对于玻璃、陶瓷、果蔬等脆性材料，局部高压强极易超过材料的屈服极限，导致微裂纹甚至整体破碎。其二，缺乏自适应能力。刚性夹爪的动作轨迹和力度预设固定，无法根据工件的实际形状、尺寸偏差进行实时调整，面对形状不规则的物体时难以实现有效抓取。其三，振动传递与动态冲击风险。刚性连接使得机器人运动过程中的振动几乎无衰减地传递至被夹持物体，增加了损伤风险。

3、绳驱动技术因其传动灵活、结构紧凑、可实现远距离动力传输等优点，在柔性机械手、仿生机械爪等领域得到广泛应用。但现有柔性爪在抓取花托等生物组织时，即使指面柔软，弯曲产生的剪切力与挤压应力仍会集中在指根与花托的接触环带上，导致花托表皮破损或离层断裂；现有分段铰接柔性指在根部与首段指节连接处存在曲率跳跃，导致弯曲时该铰点成为应力集中区域，刚度呈现非线性变化；多数绳驱机械爪的仿生设计停留在宏观形态模仿阶段，未能将生物结构的力学特性转化为具体的机械设计参数，限制了抓取过程中应力分布的优化空间；其次在复位机构设计方面，现有方案多采用在每个关节处分别设置扭簧或拉簧的方式，结构零散且各关节复位力矩相互独立，难以实现多指节抓取后的协同复位；在多指节协同运动方面，现有绳驱机械爪的驱动绳索走线设计往往路径复杂，绳索与导向件之间的摩擦损耗较大，影响了传动的平稳性和抓取精度。因此，本技术开发一种能够将花瓣曲率渐变规律融入结构设计、实现多指节协同包络抓取且具备可靠复位功能的绳驱式仿生柔性机械爪，具有重要的工程应用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于花瓣仿生的多节段柔性机械爪及其根部过渡段设计方法，通过将花瓣仿生融入多节段柔性指的设计中使抓取物体形成渐进式弯曲变形，实现多个柔性指的包络收拢，并利用贯穿式复位弹性索实现抓取后的快速复位，从而达到提升抓取稳定性、降低接触应力损伤风险。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于花瓣仿生的多节段柔性机械爪，其特征在于，包括：

4、驱动电机，所述驱动电机输出端连接索轮，所述索轮下方固定安装有法兰盘，所述法兰盘下端周向均布多个铰接销轴，每个所述铰接销轴均与一个仿生柔性指铰接；

5、仿生柔性指，所述仿生柔性指包括根部过渡段以及依次连接的首段指节、中段指节和末段指节，所述根部过渡段的一端与所述铰接销轴铰接，另一端与所述首段指节铰接，所述根部过渡段的曲率沿其延伸方向变化，所述根部过渡段内设有上导向轴和下导向轴；

6、所述索轮引出牵引驱动索，所述牵引驱动索穿过所述法兰盘，依次绕经销轴、上导向轴、下导向轴，并穿过首段指节和中段指节上的导向通道，其末段固定连接至所述末段指节，在所述驱动电机的驱动下牵引所述仿生柔性指产生弯曲包络运动；

7、还包括沿所述仿生柔性指的长度方向设置的复位弹性索，用于在所述牵引驱动索释放时提供复位弹力。

8、进一步地，所述复位弹性索依次穿过所述首段指节、中段指节和末段指节，其近端固定于所述根部过渡段、首段指节或法兰盘三者中的任一者，远端固定于所述末段指节，用于在所述牵引驱动索释放时提供使所述仿生柔性指恢复张开状态的复位弹力，用于在所述牵引驱动索释放时提供使所述仿生柔性指恢复张开状态的复位弹力。

9、进一步地，所述根部过渡段的轮廓曲线为连续变曲率曲线，曲率自与所述法兰盘铰接处向所述首段指节方向递减。

10、进一步地，所述法兰盘为圆形法兰盘，所述铰接销轴和仿生柔性指的数量均为4个，所述铰接销轴沿所述法兰盘的圆周方向呈90°均匀分布。

11、进一步地，所述上导向轴靠近所述法兰盘设置，所述下导向轴靠近所述首段指节设置，所述上导向轴和所述下导向轴均为阶梯轴结构，其轴肩处设有供所述牵引驱动索穿过的环形凹槽。

12、进一步地，所述牵引驱动索为钢丝绳或高强度纤维绳；所述复位弹性索为橡胶索或弹簧钢丝。

13、本技术还提供了一种基于花瓣仿生的多节段柔性机械抓的根部过渡段设计方法，包括以下步骤：

14、s1、采集自然花瓣轮廓的三维坐标数据，基于所得数据采用savitzky-golay滤波器消除测量噪声，获得平滑的二维轮廓点集合；

15、s2、对s1所得二维轮廓点集合进行曲率分析，根据曲率计算公式计算各采样点的曲率值及对应的归一化弧长参数，获得花瓣轮廓从根部到尖端的曲率分布特征；

16、s3、根据s2所述曲率分布特征，采用指数衰减模型构建花瓣渐变曲率函数，以实测曲率与模型曲率的残差平方和最小为目标，采用levenberg-marquardt算法求解模型参数k0，k1，λ，其中，k0为根部初始曲率，k1为尖端终止曲率，λ为曲率衰减系数；

17、s4、以s3所述渐变曲率函数为约束，采用分段三次贝塞尔曲线对花瓣轮廓进行拟合，生成曲率沿弧长方向连续变化的根部过渡段轮廓曲线；

18、s5、对拟合得到的根部过渡段轮廓曲线进行等弧长重采样和坐标归一化，输出用于根部过渡段建模的曲线坐标数据。

19、进一步地，所述步骤s1中，采集自然花瓣轮廓的三维坐标数据时，采样点分布至少包括以下三个分段区域：

20、根部采样范围对应归一化弧长s∈[0, 0.1]；

21、中部采样范围对应归一化弧长s∈[0.3, 0.7]；

22、尖端采样范围对应归一化弧长s∈[0.9, 1.0]。

23、进一步地，所述步骤s3中，采用levenberg-marquardt算法求解模型参数时，采用分步优化策略：

24、先固定曲率衰减系数λ为初始值，对根部初始曲率k0和尖端终止曲率k1进行优化；

25、再以优化后的k0和k1为固定值，对λ进行微调优化；

26、其中，所述的取值范围为2.0~5.0。

27、进一步地，所述步骤s4中，在相邻两段贝塞尔曲线的连接点处，前一段曲线的终止曲率与后一段曲线的起始曲率相等；

28、其中，单段贝塞尔曲线在其起始点处的曲率k(0)由以下关系确定：

29、

30、其中，、、为该段贝塞尔曲线的前三个控制点，θ为向量的夹角。

31、上述方案的有益效果为：

32、第一、本发明的仿生柔性指根部采用拟合花瓣曲线设计，模仿花瓣自然收拢的包络形态，4个指节呈圆周分布，可实现对被抓取物体的柔顺包络式抓取，抓取稳定性好，适应性强。花瓣曲线经过自然选择优化，其曲率变化平缓，仿生柔性指在收拢过程中可以实现渐进式弯曲变形以包络物体，能够有效减小抓取过程中的应力集中，降低抓取过程中对易损生物组织表面的损伤风险。

33、第二、本发明采用单电机配合绳驱动方式，结构简单紧凑，动力传输灵活，可实现远距离驱动，减小了末端执行器的体积和重量。牵引驱动索从索轮出发，依次经过法兰盘、铰接销轴、上导向轴、下导向轴、首段指节、中段指节至末段指节，传动路径明确，各节段运动协同性好。上导向轴和下导向轴协同导向牵引驱动索，确保绳索传动平稳，减少摩擦损耗，提高传动效率。

34、第三、本发明通过分段三次贝塞尔曲线在连接点处强制曲率相等，保证了整体曲线的曲率连续性，使得弯曲变形能够沿根部至指尖方向协同传递，避免了因局部曲率突变而产生的集中挤压，同时，仿生柔性指由拟合花瓣曲线的根部和首段指节、中段指节、末段指节依次连接，形成多节段柔性结构，可根据被抓取物体的形状自适应弯曲，实现柔顺抓取。

35、第四、通过复位弹性索连接首段指节、中段指节和末段指节，在电机释放驱动力时，复位弹性索提供复位弹力，使机械爪自动恢复初始张开状态，无需额外的复位驱动机构。