一种基于柔性应变传感器的交互式机械手

技术领域

本发明涉及机械手技术领域，具体是一种基于柔性应变传感器的交互式机械手。

背景技术

机械手是一种能模仿人手某些动作功能，通过编写程序完成各种预期的目标动作如抓取、搬运物件或操作工具的操作装置，构造和性能上兼有人和机械手机器各自的优点。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件的主要部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构使手部完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。

然而，对于中小型物品的抓取需求，随着实际工况环境的复杂性不断提高，人类对于机械手在进行抓取或者搬运时的实时灵活性要求也在逐渐提高，特别地对于机械手的抓取速度和运动的灵活性越来越被认为是重要的考量因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于柔性应变传感器的交互式机械手，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于柔性应变传感器的交互式机械手，包括：

机械手，设有与各部分手部骨骼对应的刚性支撑；

舵机，安装在所述机械手内，用于控制机械手；

传感手套，为手型结构；

控制模块，安装在所述传感手套和机械手内，用于通过传感手套来对机械手进行控制。

作为本发明的进一步技术方案，所述控制模块包括：

发射单元，安装在所述传感手套上，用于采集传感手套的信息并将信号发送；

接收单元，安装在所述机械手上，用于接收信号并控制舵机。

作为本发明的更进一步技术方案，所述发射单元包括：

柔性底板，固定安装在所述传感手套上；

多个柔性应变传感器，安装在所述传感手套上，用于随着拉伸产生较大的电阻变化，并通过分压电路改变其两端的电压；

采集模块，安装在所述柔性底板上，用于读取电压信号并对电压信号进行处理；

无线发射模块，安装在所述柔性底板上，用于发送信息；

供电模块，安装在所述柔性底板上，为无线发射模块、采集模块和柔性底板供电。

作为本发明的再进一步技术方案，所述接收单元包括：

写入模块，安装在所述机械手上并与舵机相连，用于控制舵机的转动；

无线接收模块，安装在所述机械手上，用于接收无线通信模块发送的信息。

作为本发明的再进一步技术方案，所述传感手套由柔性材质采用缝制或针织制成的全指手套。

作为本发明的再进一步技术方案，所述传感手套的材质为Kevlar合成纤维。

作为本发明的再进一步技术方案，所述柔性底板由柔性材料制成，并通过缝制或者粘连的方式固定在传感手套背部。

作为本发明的再进一步技术方案，所述柔性底板采用聚二甲基硅氧烷制作而成。

作为本发明的再进一步技术方案，所述柔性传感器由弹性材料与导电材料混合制备而成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：使得抓取过程变得更加直接，实现机械手的操作与传感手套的操作完全一致，使得机械手的抓取逻辑变得更为简单，更加简便高效；同时利用传感手套实现对机械手各个关节进行操作，完成对细节更加具体的把控；特别地对中小型物体的快速灵活抓取有很大的借鉴意义。

附图说明

图1是本发明的交互式机械手结构示意图；

图2是本发明的信号采集电路图；

图3是本发明的无线通信示意图；

图4是本发明的抓取效果图。

图中：1-传感手套、2-柔性底板、3-供电模块、4-无线发射模块、5-采集模块、6-柔性应变传感器、7-机械手、8-写入模块、9-无线接收模块、10-舵机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明实施例是这样实现的，如图1至图4所示的基于柔性应变传感器的交互式机械手，包括:

机械手7，设有与各部分手部骨骼对应的刚性支撑；

舵机10，安装在所述机械手7内，用于控制机械手7；

传感手套1，为手型结构；

控制模块，安装在所述传感手套1和机械手7内，用于通过传感手套1来对机械手7进行控制。

本发明在实际应用时，在控制模块与舵机10的配合下，通过传感手套1来对机械手7进行操控，从而实现机械手7的操作与传感手套1的操作完全一致，机械手7的抓取逻辑变得更为简单，可以更加简便高效地完成对机械手7的操控。

如图1至图3所示，作为本发明一个优选的实施例，所述控制模块包括：

发射单元，安装在所述传感手套1上，用于采集传感手套1的信息并将信号发送，所述发射单元包括：

柔性底板2，固定安装在所述传感手套1上；

多个柔性应变传感器6，安装在所述传感手套1上，用于随着拉伸产生较大的电阻变化，并通过分压电路改变其两端的电压；

采集模块5，安装在所述柔性底板2上，用于读取电压信号并对电压信号进行处理；

无线发射模块4，安装在所述柔性底板2上，用于发送信息；

供电模块3，安装在所述柔性底板2上，为无线发射模块4、采集模块5和柔性底板2供电；

接收单元，安装在所述机械手7上，用于接收信号并控制舵机10，所述接收单元包括：

写入模块8，安装在所述机械手7上并与舵机10相连，用于控制舵机10的转动；

无线接收模块9，安装在所述机械手7上，用于接收无线通信模块发送的信息。

在本实施例的一种情况中，基于柔性应变传感器的交互式机械手具体包括传感手套1、柔性底板2、供电模块3、无线发射模块4、采集模块5、柔性应变传感器6、机械手7、写入模块8、无线接收模块9、舵机10。

如图1所示，所述的传感手套1采用缝制的全指手套，材质为Kevlar合成纤维，可以贴合操作者的手部并且具有一定的弹性，可以随着手部运动进行弯折或伸展，并且耐磨且使用寿命长，同时缝制的手套上面留有孔隙，便于其他部分的后续安装；所述的柔性底板2作为供电模块3、无线发射模块4、采集模块5以及柔性应变传感器6的承载层，为避免影响手部动作的连续性，需要具有一定的延展性和舒适性的柔性材料。柔性底板2采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作而成，将PDMS预聚体A与固化剂B按照10：1的配比制取薄膜，厚度为3mm，大小尺寸为8mm*5mm；所述的供电模块3包括了电源以及与电源连接着的分压电路；所述的无线发射模块4与采集模块5相连接，用于传递信号，因此两者要存在通信协议，同时无线发射模块4要与无线接收模块9进行通信，两者分别作为发射器与接收器。

如图1所示，所述的柔性应变传感器6被布置在手部的对应位置，用于检测手部关节的运动情况，当各个关节的角度发生改变时，这种改变会反应在柔性应变传感器6上面。柔性传感器由弹性材料与导电材料充分混合而成，弹性材料使用热塑性弹性体-氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)作为柔性基底，将石墨烯作为导电材料，在室温下将SEBS和石墨烯以1：2的比例溶于40mL甲苯中，磁力搅拌机充分搅拌12h，然后将溶液倒出室温下风干，等待24h后成膜，用激光切割机切割为条状(15mm*5mm)，布置在相应指间关节、掌指关节和腕关节的位置。两者充分混合后得到的传感器件有较好的拉伸性和导电性，且能够在拉伸之后迅速恢复原状，有较快的响应时间。同时为了达到稳定的传感效果，需要先进行应力释放，在作为传感器之前进行一定重复次数的预拉伸操作。具体的，所述的柔性应变传感器6被布置在手部的对应位置，分别为手背上面的手套上对应指间关节，掌指关节，以及腕关节的位置，共计15个，通过手势的变化，关节处的柔性传感器可以快速的随之产生相应的变形，然后产生变化的电压信号，可以将手部关节处的角度变化很好的映射在机械手7上，对于形状不利于抓取的物体，实现更简单高效准确的抓取。

所述的机械手7，具备与各部分手部骨骼对应的刚性支撑，其手背处安装有写入模块8和无线接收模块9。所述的舵机10的信号输入来自于写入模块8，且舵机10与写入模块8存在通信协议。每个舵机10有自己单独的信号线，在收到写入模块8传递过来的指令后，可以准确实现偏转。

如图2所示，所述的分压电路中每条通路有一个可调电阻，每个可调电阻串联一个柔性应变传感器6。可调电阻一是起到保护电路的作用，二是对于制得的柔性传感器初始电阻不一致时，可通过分压的方式使得传感器的初始电压满足要求。当手部进行动作时，柔性传感器会被拉伸，进而导致电阻增大，由于工作时可调电阻的电阻为恒定值，所以传感器两端的电压会升高。

如图2所示，所述的信号采集电路中电源选取5V电源，可调电阻的调节范围为0-100kΩ，对于柔性应变传感器6在拉伸或是静置状态下电阻的不一致性，可以起到很好的调整作用。柔性应变传感器6两端各有一个电极，作为一种可选实例，可以在传感器的两端位置涂抹导电银浆，70℃条件下烘箱中干燥30min，在每个电极的位置引出导线，连接在相应位置。对于柔性应变传感器6两端的电极，电势低的一端由一根引线引出并接在电源负极，电势高地一端由两根引线引出，一根与可调电阻串联形成分压电路，另一根接在采集模块5的模拟端口引脚上，采集模块5通过模拟端口引脚来采集柔性应变传感器6的电压值，并将信息通过无线发射模块4发送出去。采集模块5读取柔性应变传感器6两端的电压时，如果读取到的数值并不是直观的电压值，需要对数据进行进一步的处理。

如图3所示，所述的无线发射模块4与无线接收模块9均采用HC-12无线通信模块，分别连接采集模块5与写入模块8，采集模块5与写入模块8均为Arduino Uno开发板，连接方式均为将自己的通信端口与开发板对应的通信端口相连接。Arduino Uno采集模块5采集到的电压信号通过HC-12无线发射模块4发送出来，写入模块8通过HC-12无线接收模块9接受到信号，并将所得的信号分别传递到对应位置的位于指间关节、掌指关节、腕关节的各个舵机10，然后在各个舵机10的协同下，控制机械手7准确的实现动作。此外，HC-12无线发射模块4与HC-12无线接收模块9的通信波特率要一致，同时设置为115200Bd/s，避免在传输信息时发生错误。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。