具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪及其运动学建模分析方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪及其运动学建模分析方法。

背景技术

随着科技的迅速发展，机器人技术在各个领域得到了广泛的应用。然而，传统的刚体机器人通常应用于特定的任务和环境，较低的灵活性和柔顺性使其在狭小空间或非结构化环境中，可能存在损坏或卡住的风险，导致任务失败。相比之下，柔性机器人的柔软性与高适应性使其在复杂、狭窄或不规则环境下表现出色。柔性手爪作为柔性机器人技术中的重要分支，具有独特的优势和广泛的研究价值。

表1不同驱动方式的柔性手爪优缺点对比

综合表1中各种类型的柔性手爪，绳驱动柔性手爪重量轻、负载能力强且具有更高的定位精度，在深腔或非结构化环境中是最好的选择。

现阶段的绳驱动柔性手爪主要存在以下问题：

1.由于硅胶等柔性材料的特性，绳驱动手爪执行弯曲抓握任务时不牢固，同时柔性手爪多用于抓握易损物体，滑动掉落更易使之损坏；

2.当被抓物体体积超过柔性手爪的线长限制时，柔性手爪难以对其进行包络抓握；当被抓物体体积过小时，柔性手爪很难对其施加足够的接触面积和力量，难以实现精准的抓取。

3.现有的绳驱动柔性手爪多利用弯曲抓握完成抓取任务，在狭小或深腔环境中时，柔性手指难以弯曲，抓取物体面临困难。

发明内容

本发明针对现阶段绳驱动柔性手爪抓握不牢固、容易滑动，难以抓取偏大或偏小的物体，狭小或深腔环境中难以弯曲抓握等挑战，自主设计了一个具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪，并采用恒曲率建模方法对柔性手爪进行运动学建模分析，以实现对柔性手爪抓取运动的精准控制。

所述柔性手爪包括具有三根手指，更容易适应不规则形状的物体，三根手指结构一致，且等距固定在控制盒的下方；手指均包括手指主体、手指底盘、舵机和舵盘；手指主体固定在手指底盘的下方，舵机和舵盘等距固定在手指底盘上，且舵机与舵盘对应设置；手指主体包括硅胶外壳和四根均匀分布的钓鱼线；硅胶外壳上设置有褶状纹理；硅胶外壳远离手指底盘的端部设置有吸附装置，用于通过吸附的方式实现物体抓取；每根钓鱼线的一端均固定在对应的舵盘上，钓鱼线的另一端固定在硅胶外壳的远端，舵机通过牵拉在硅胶外壳中的钓鱼线，使柔性手指实现偏转和弯曲。

所述硅胶外壳为由硅胶灌注而成的中空结构，空腔内设置有弹簧骨架，弹簧骨架用于避免手指主体连续变形时局部弯曲过大。吸附装置具体包括吸盘和吸盘固定件；控制盒内设置有气泵和单片机；气管从弹簧骨架内腔穿过，连接气泵与吸盘；单片机用于驱动气泵。

所述手指主体内的钓鱼线为四根，与舵机和舵盘对应连接，所述单片机驱动舵机转动，带动舵盘旋转改变钓鱼线的相对长度，实现对柔性手指偏转方向和弯曲角度的控制。

三根手指的结构设计一致，运动原理相同，以一根柔性手指为例进行运动学建模分析，通过对柔性手指进行正运动学分析和逆运动学分析，控制盒中单片机驱动舵机转动，带动舵盘旋转改变4根钓鱼线的相对长度，进而实现对柔性手指偏转方向和弯曲角度的控制，提高对柔性手爪抓取动作控制的精准性。

该柔性手爪具有三种抓取模式，可以适应多种工作环境，对不同大小、形状的物体进行抓取。

抓取模式一：当被抓物体体积大小适中，可以被柔性手爪包络时，单片机驱动舵机转动，带动舵盘旋转进而改变钓鱼线的相对长度，钓鱼线作为肌腱驱动三根柔性手指弯曲，对待抓取物体进行包络，完成抓取任务，同时手指表面的褶状纹理使抓取的稳定性更高。

抓取模式二：当物体体积过大超过柔性手爪的线长限制时，依靠手指弯曲包络无法完成抓取任务。此时单片机驱动气泵，利用柔性手爪末端的吸盘配合完成对偏大物体的抓取任务。当物体体积过小，致使手指弯曲包络很难对其施加足够的接触面积和力量，此时单片机驱动气泵，利用柔性手爪的吸盘完成对偏小物体的抓取任务。

抓取模式三：当面临狭小或深腔工作环境时，整个柔性手爪不能完全进入工作环境，并且手指的弯曲抓握受到限制。此时进行单指驱动，单根手指进入工作环境后单片机驱动气泵，利用手指末端吸盘的吸附功能完成抓取任务。

该柔性手爪可以在多种环境中高效完成对各种类型物体的抓取任务，并且在弯曲抓握时，柔性手指表面的褶状纹理可以增加手指与抓取对象表面之间的接触面积，提高摩擦力，减少被抓取物体滑动的风险，使柔性手爪的抓取更为稳定，同时由于褶状纹理的柔软性和可变性，柔性手爪可以更好地适应不同形状的物体，使得抓取多样化物体更加容易。

综上所述，由于采用了本技术方案，本发明的有益效果如下：本发明提出的一种具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪和运动学建模分析方法，可以有效解决抓握不牢固、抓取偏大偏小物体存在困难和在狭小或深腔环境中难以抓握等问题，应用范围广，工作效率高，安全性和稳定性好，具有较高的应用价值。

附图说明

图1是本发明所述具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪的结构示意图；

图2是本发明所述柔性手爪一根手指的结构示意图；

图3是本发明所述柔性手爪的手指主体及其剖面的结构示意图；

图4是本发明所述柔性手爪的控制盒的结构示意图；

图5是本发明所述柔性手爪抓取体积适中物体状态结构示意图；

图6是本发明所述柔性手爪抓取体积偏大物体状态结构示意图；

图7是本发明所述柔性手爪抓取体积偏小物体状态结构示意图；

图8是本发明所述柔性手爪在狭小或竖直深腔环境中工作状态结构示意图；

图9是本发明所述柔性手爪在狭小或弯曲深腔环境中工作状态结构示意图；

图10是本发明所述柔性手爪的手指恒曲率分析示意图；

图11是本发明所述柔性手爪的手指上截面俯视图；

图12是本发明所述柔性手爪的手指偏转面剖面图；

图13是本发明所述柔性手爪具体抓取物品的流程图。

附图标记说明：

1、手指一；2、手指二；3、手指三；4、控制盒；5、体积适中物体；6、体积偏大物体；7、体积偏小物体；11、手指主体；12、手指底盘；13、舵机；14、舵盘；111、气管；112、钓鱼线；113、弹簧骨架；114、吸盘；115、吸盘固定件；116、硅胶外壳；1161、褶状纹理；41、气泵；42、单片机。

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，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1-4所示，所述的具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪包括手指一1、手指二2、手指三3、控制盒4，控制盒4内设置有三个气泵41和一个单片机42；所述的三根手指等距固定在控制盒4的下方，所述的三根手指结构一致。因此，以手指一1为例进行分析，手指一1主要包括手指主体11、手指底盘12、舵机13、舵盘14。手指主体11固定在手指底盘12的下方，四个舵机13和四个舵盘14等距固定在手指底盘上。

所述的手指主体11包括气管111、钓鱼线112、弹簧骨架113、吸附装置、硅胶外壳116、褶状纹理1161。硅胶外壳116由硅胶灌注而成，保证了手指的柔软度，表面的硅胶褶状纹理有效克服了柔性材料与物体表面摩擦力小导致的抓握不牢固问题。弹簧骨架113在保证手指主体11连续变形的同时，有效避免因过大的局部弯曲角度导致的应力集中与形状不可预测的问题。吸附装置设置在手指主体11的端部，包括吸盘114和吸盘固定件115；吸盘114通过吸盘固定件115连接在硅胶外壳116的端部，气管111从弹簧骨架113内腔穿过，连接气泵41与吸盘114，单片机42驱动气泵实现吸盘114对物品的吸附与释放。每根柔性手指均由四根钓鱼线112均匀嵌设在硅胶外壳116中，钓鱼线112一端固定在舵盘14上，另一端固定在硅胶外壳116远离手指底盘12的一端，舵盘14旋转改变钓鱼线112的相对长度。舵机13通过驱动舵盘14旋转牵拉嵌在硅胶外壳116中的钓鱼线112，实现对柔性手指偏转方向和弯曲角度的控制，使柔性手指实现360°的角度变化。

实施例二

在实施例一的基础上，本实施例提供一种对具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪进行运动学建模分析的方法。

对柔性体进行运动学建模可以更好地理解和控制柔性体的行为，对于技术创新和科学研究至关重要。表2为不同运动学建模方法的基本原理及优缺点对比。

表2不同运动学建模方法的基本原理及优缺点对比

对具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪进行实验观察，发现柔性手指弯曲时各部分的曲率基本一致，即柔性手指的弯曲基本呈现一个圆弧。本发明不进行过于复杂的变形和非线性行为，采用恒曲率建模可以在合理分析的同时简化计算。

基于此观察，提出以下假设：

(1)柔性手指以恒曲率弯曲；

(2)柔性手指在弯曲过程中忽略重力引起的形状变化；

(3)褶状纹理不影响柔性手指的运动，手指的形状简化为一个圆柱。

基于以上假设，将柔性手指的手指主体11的形状简化为一个圆柱，设置手指主体11连接手指底盘12一端的中心点为基点O，以基点O为原点建立XYZ坐标系。提出描述柔性手指的位姿参数：偏转面与XOZ面的夹角φ；偏转面的恒曲率弯曲半径r；偏转面的圆心角θ。偏转面如图10所示为基点O和手指末端中心点O

在此基础上对柔性手指进行恒曲率运动学建模，通过正运动学分析和逆运动学分析得到舵盘14旋转角度与手指主体11的3个位姿参数之间的映射关系。

如图10所示，假设柔性手指中钓鱼线的初始长度为L，通过单片机42驱动舵机13，舵机13带动舵盘14旋转，手指发生弯曲偏转后，钓鱼线112长度的变化量为q

首先进行正运动学分析，当前钓鱼线的长度为l

l

同时，柔性手指中心弧线的长度l与中心弧线的变化量q可以分别由4根钓鱼线112的长度l

由图11、12可推导出柔性手指的位姿参数φ、r、θ与柔性手指中钓鱼线112当前长度l

由公式(1)、(2)、(3)可以得到柔性手指的位姿参数φ、r、θ与钓鱼线112的变化量q

钓鱼线112的变化量q

q

其中R

其中在公式10中

接下来进行逆运动学分析，将柔性手指的运动分解为两部分：柔性手指首先绕y轴弯曲角度θ，再绕z轴旋转角度φ。根据这两步运动变换可以得到柔性手指基点O到变换后柔性手指末端点p(p

柔性手指弯曲偏转后的末端点p(p

令T

θ＝arccosγ

将公式(13)、(14)、(15)代入公式(1)、(3)、(7)中，即可根据末端点的位姿求得舵盘14各自旋转的角度。由此根据柔性手指的末端位姿得到相应舵盘14的旋转角度，即完成了柔性手指的逆运动学分析。

根据对柔性手指的正、逆运动学分析，可以实现对本发明所述柔性手爪抓取运动的精准控制，保证了柔性手爪工作的高效准确。

实施例三

在实施例一和二的基础上，本实施例提供一种具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪的抓取方法。

该柔性手爪具有三种抓取模式，可以适应多种工作环境，对不同大小、形状的物体进行抓取，如图12所示。

抓取模式一：当被抓物体体积大小适中，可以被柔性手爪包络时，单片机42驱动舵机13转动，带动舵盘14旋转进而改变钓鱼线112的相对长度，钓鱼线112作为肌腱驱动三根柔性手指弯曲，对待抓取物体进行包络，完成抓取任务，同时手指表面的褶状纹理1161使抓取的稳定性更高，如图5所示。

抓取模式二：当物体体积过大超过柔性手爪的线长限制时，依靠手指弯曲包络无法完成抓取任务。此时单片机42驱动气泵41，利用柔性手爪末端的吸盘114配合完成对偏大物体的抓取任务，如图6所示。当物体体积过小，致使手指弯曲包络很难对其施加足够的接触面积和力量，此时单片机42驱动气泵41，利用柔性手爪的吸盘114完成对偏小物体的抓取任务，如图7所示。

抓取模式三：当面临狭小或深腔工作环境时，整个柔性手爪不能完全进入工作环境，并且手指的弯曲抓握受到限制，此时进行单指驱动。对于竖直的深腔环境，单根手指进入工作环境后单片机42驱动气泵41，利用手指末端吸盘114的吸附功能完成抓取任务，如图8所示。对于弯曲的深腔环境，单片机42根据腔体的末端位置和腔体弯曲程度，通过运动学建模分析，确定舵盘14的旋转角度，单片机42驱动舵机13转动以带动舵盘14旋转预定的角度，以保证手指能够顺利进入腔体，并确保手指末端的吸盘114正对腔体的底部；再利用单片机42驱动气泵41，通过手指末端吸盘114的吸附功能完成抓取任务，如图9所示。

综合这三种抓取模式，该柔性手爪可以在多种环境中高效完成对各种类型物体的抓取任务，并且在弯曲抓握时，柔性手指表面的褶状纹理可以增加手指与抓取对象表面之间的接触面积，提高摩擦力，减少被抓取物体滑动的风险，使柔性手爪的抓取更为稳定，同时由于褶状纹理的柔软性和可变性，柔性手爪可以更好地适应不同形状的物体，使得抓取多样化物体更加容易。

并且，通过运动学建模对柔性手指的正、逆运动学分析，单片机42能够精准地驱动舵机13转动，以控制舵盘14的旋转角度和柔性手指的末端位置，实现对本发明所述柔性手爪抓取运动的精准控制，保证了柔性手爪工作的高效准确。

实施例四

在实施例一至三的基础上，本实施例提供一种具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪的制备方法。

将硅胶Ecoflex 0050的A液、B液等量充分混合后倒入设计好的手指模具中，将弹簧塞进软腔，气管111通过弹簧骨架113的中心，连接气泵41与吸盘114；待硅胶固化后脱模即得到一根柔性手指；最终将三根柔性手指等距固定在手指底盘12上，每根柔性手指均用四根钓鱼线112均匀分布穿过，钓鱼线112的一端固定在舵盘14上，舵盘14旋转改变4根钓鱼线112的相对长度，进而实现对柔性手指偏转方向和弯曲角度的控制；弹簧骨架113在保证柔性手指连续变形的同时，有效避免因过大的局部弯曲角度导致的应力集中与形状不可预测的问题。外层硅胶116包裹住弹簧，保证了手指的柔软度，表面的硅胶褶状纹理1161有效克服了柔性材料与物体表面摩擦力小导致的抓握不牢固问题，同时手指末端的吸盘114有效解决了柔性手指抓取偏大偏小物体困难的问题。

尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。

公开实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本公开实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。