一种带触觉反馈控制的机械手

1.本发明涉及机械手技术领域，具体涉及一种带触觉反馈控制的机械手。


背景技术：

2.随着技术的不断发展和需求的不断深化，人们对工业、服务业机器人的各种灵巧抓取和操纵的需求也日益增加，对机器人抓取目标物体的能力也越来越关注。
3.在机械手操作系统中，触觉感知是机械手与外界环境直接接触时的重要感觉功能，是机械手发展的关键技术之一。触觉信息能够提供更加精确的定位信息、物体物理特性信息以及机械手与物体接触状态信息。
4.目前在机械手控制领域中，多利用触觉信息来提取目标物体的形状、大小和刚度等特征加以分类和目标识别，即主要利用触觉信息完成识别功能。但确鲜少利用触觉信息实现检测功能，即缺少触觉反馈，因此机械手对物体抓取过程中是否抓紧、能否抓坏并无法准确评判，对于实际位置与指令位置的误差带来的不必要接触力和力矩也无法明确感知，很难保证机械手抓取任务的安全性和可靠性。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种带触觉反馈控制的机械手，以解决背景技术中所提出的技术问题。
6.一种带触觉反馈控制的机械手，包括机械手臂和安装在所述机械手臂上的执行末端，所述执行末端包括安装座、两个相对设置在所述安装座底部的夹指、用于驱动两个所述夹指相互靠近或远离的驱动组件以及对所述驱动组件进行控制的触觉控制系统；
7.所述触觉控制系统包括触觉传感元件和控制元件，所述触觉传感元件和所述驱动组件均与所述控制元件电连接；
8.所述触觉传感元件安装在所述夹指的内侧壁上，用于获取抓取过程中所述夹指表面的触觉数据；
9.所述控制元件用于接收所述触觉传感元件传输的触觉数据，根据所述触觉数据向所述驱动组件输出控制信号。
10.进一步，所述触觉传感元件包括由多个触觉传感器构成的触觉传感矩阵。
11.进一步，所述触觉传感器具有按照预设形状排布的触点；
12.每个所述触点与待抓取的物体表面接触时，向所述控制元件实时发送触觉力向量，所述触觉力向量包括触觉力数值和触觉力方向。
13.进一步，所述触觉传感器为gelsight视触觉传感器。
14.进一步，所述控制元件具体用于：
15.根据每个所述触点实时发送的触觉力向量，判断单次抓取过程中每个夹指实时的抓取状态；其中，所述抓取状态包括未接触状态、滑动接触状态、完全接触状态；
16.根据每个所述夹指实时的抓取状态，向所述驱动组件输出控制信号。
17.进一步，所述根据每个所述夹指实时的抓取状态，向所述驱动组件输出控制信号，包括：
18.控制驱动组件驱动两个所述夹指相互靠近，直至每个所述夹指的抓取状态都为完全接触状态。
19.进一步，所述安装座上设置有滑动孔，其中一根所述夹指顶部固定连接在所述安装座底部，另一根所述夹指顶部滑动连接在所述滑动孔内；
20.所述驱动组件驱动与所述安装座活动连接的夹指沿着所述滑动孔活动；
21.所述安装座连接在所述机械手臂上。
22.进一步，所述驱动组件包括伺服电机和丝杆，所述伺服电机固定安装在所述安装座内，所述丝杆转动安装在所述安装座内，滑动安装在所述滑动孔内的所述夹指顶端通过丝杆滑块与所述丝杆连接；所述伺服电机驱动所述丝杆转动以带动所述丝杆滑块沿着丝杆移动；
23.所述伺服电机与所述控制元件电连接。
24.进一步，所述驱动组件包括液压缸，所述液压缸的活塞杆端部与滑动安装在所述滑动孔内的所述夹指顶端连接；
25.所述液压缸通过电磁阀与所述控制元件电连接。
26.进一步，所述滑动孔内设置有滑杆，所述夹指通过滑套滑动套设在所述滑杆上。
27.本发明的有益效果体现在：
28.本发明的机械手的执行末端具有触觉控制系统，通过触觉控制系统控制驱动组件驱动夹指运动，使机械手在夹持不同材质的物体时，能够自动调整夹持力度的大小，既能保证机械手在物体抓取过程中保持抓紧状态，又能够避免将较柔软的物体抓坏。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
30.图1为本发明实施例提供的一种带触觉反馈控制的机械手的结构示意图；
31.图2为本发明实施例提供的一种带触觉反馈控制的机械手的执行末端的结构示意图；
32.图3为本发明实施例提供的触觉力向量f与第一分力f1和第二分力f2的关系示意图；
33.图4为本发明实施例提供的驱动组件采用第一种设计方案的结构示意图；
34.图5为本发明实施例提供的驱动组件采用第二种设计方案的结构示意图。
具体实施方式
35.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
36.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发
明所属领域技术人员所理解的通常意义。
37.如图1-图2所示，本发明实施例所提供的一种带触觉反馈控制的机械手，包括机械手臂1和安装在机械手臂1上的执行末端2，执行末端2包括安装座3、两个相对设置在安装座3底部的夹指4、用于驱动两个夹指4相互靠近或远离的驱动组件以及对驱动组件进行控制的触觉控制系统。
38.触觉控制系统包括触觉传感元件6和控制元件，触觉传感元件6和驱动组件均与控制元件电连接。触觉传感元件6安装在夹指4的内侧壁上，用于获取抓取过程中夹指4表面的触觉数据。控制元件用于接收触觉传感元件6传输的触觉数据，根据触觉数据向驱动组件输出控制信号。
39.具体的，触觉传感元件6包括由多个触觉传感器构成的触觉传感矩阵。触觉传感器具有按照预设形状排布的触点7，例如，触点可以呈圆周整列、方形或者三角形等形状均匀分布。每个触点7与待抓取的物体表面接触时，向控制元件实时发送触觉力向量f，触觉力向量f包括触觉力数值和触觉力方向。
40.本实施例中，触觉传感器可以采用gelsight视触觉传感器。gelsight视触觉传感器可以采集夹指在抓取物体时触点与物体表面接触时的触觉力向量f。
41.本实施例中，控制元件可以采用上位机。控制元件具体用于：根据每个触点7实时发送的触觉力向量，判断单次抓取过程中每个夹指4实时的抓取状态；其中，抓取状态包括未接触状态、滑动接触状态、完全接触状态；根据每个夹指4实时的抓取状态，向驱动组件输出控制信号。
42.如图3所示，控制元件接收到每个触点7实时发送的触觉力向量f后，将每个触觉力向量f拆分为竖直向上的第一分力f1和水平的第二分力f2。理想状况下，当执行末端2稳定的抓取住目标物体并匀速带动目标物体移动后，所有触点7采集的触觉力向量的第一分力f1的合力应该与目标物体的重力相等，而单个触点7采集的触觉力向量的第二分力f2的大小与夹指4对目标物体表面施加的压力大小相等。
43.因此，若执行末端2稳定的抓取住目标物体并匀速带动目标物体移动后，夹指4继续对目标物体表面施加压力，应该会有相当数量的触点7采集的触觉力向量的第一分力f1的大小会保持不变，此时，即认为执行末端2已经稳定的将目标物体夹持住，夹指4对目标物体表面施加的压力不用再继续增加，只需要保持住现有的压力即可。
44.本实施例中，上述四种抓取状态的定义如下：
45.未接触状态：触觉传感矩阵所有的触点7均没有与目标物体表面接触，即所有的触点7采集的触觉力向量均为零；
46.滑动接触状态：驱动组件驱动两个夹指4相互靠近的过程中，触觉传感矩阵中的部分触点7与目标物体表面接触，且两个夹指4之间的间距越小，与目标物体表面接触的触点7的数量越多；此时，与目标物体表面接触的触点7采集的触觉力向量大于零；当与目标物体表面接触的触点7的数量达到第一阈值后，机械手臂1缓慢带动执行末端2向上移动，且执行末端2在向上缓慢移动的过程中，驱动组件驱动两个夹指4继续相互靠近，直至有数量大于等于第二阈值的触点7采集的触觉力向量的第一分力f1的大小会保持不变，此时，机械手臂1停止带动执行末端2向上移动，并记录此时第一分力f1的大小保持不变的触点7采集的触觉力向量的第二分力f2的大小，记为基准第二分力f2’
。
47.完全接触状态：驱动组件驱动两个夹指4继续相互靠近，直至有数量大于等于第三阈值的触点7采集的触觉力向量的第二分力f2的大小是基准第二分力f2’
的预设倍数。例如，预设倍数可以设置为1.5倍或者2倍。
48.只有当两个夹指4均处于完全接触状态时，才能稳定地抓取目标物体。因此，根据每个夹指4实时的抓取状态，向驱动组件输出控制信号，包括：控制驱动组件驱动两个夹指4相互靠近，直至每个夹指4的抓取状态都为完全接触状态。
49.本实施例中，安装座3上设置有滑动孔8，其中一根夹指4顶部固定连接在安装座3底部，另一根夹指4顶部滑动连接在滑动孔8内。驱动组件驱动与安装座3活动连接的夹指4沿着滑动孔8活动。安装座3连接在机械手臂1上。为保证夹指4滑动稳定，滑动孔8内设置有滑杆13，夹指4通过滑套滑动套设在滑杆13上，夹指4沿着滑杆13滑动。
50.本实施例中，驱动组件可以采用以下两种设计方案：
51.第一种：如图4所示，驱动组件包括伺服电机9和丝杆10，伺服电机9固定安装在安装座3内，丝杆10转动安装在安装座3内，滑动安装在滑动孔8内的夹指4顶端通过丝杆滑块11与丝杆10连接。伺服电机9驱动丝杆10转动以带动丝杆滑块11沿着丝杆10移动，伺服电机9与控制元件电连接，控制元件通过控制伺服电机9的转动即可控制夹指4对目标物体表面的压力。
52.第二种：如图5所示，驱动组件包括液压缸12，液压缸12的活塞杆端部与滑动安装在滑动孔8内的夹指4顶端连接。液压缸12通过电磁阀与控制元件电连接。控制元件通过电磁阀控制液压缸12的活塞杆伸出长度即可控制夹指4对目标物体表面的压力。
53.综上所述，本发明的机械手的执行末端具有触觉控制系统，通过触觉控制系统控制驱动组件驱动夹指运动，使机械手在夹持不同材质的物体时，能够自动调整夹持力度的大小，既能保证机械手在物体抓取过程中保持抓紧状态，又能够避免将较柔软的物体抓坏。
54.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。