本發明涉及軟體機器人領域，尤其涉及一種氣動軟體手指、軟體手指控制系統及控制方法。

背景技術：

目前機械手通常為剛性結構，采用電機、液壓缸等剛性驅動器進行驅動，具有結構復雜，成本高，安全性、柔順性差，不易安裝維護等缺點。近年來，氣動軟體手的出現很好地彌補了傳統剛性機械手的缺點，由于其主體常選用硅橡膠等柔性材料，通過形狀沉積制造、3d打印等方式制造，并由壓縮空氣進行驅動，故其具備很好地安全性及柔順性，同時兼具結構簡單、制造成本低、功率密度比高等特點，能夠較好地順從環境的變化，故其受到眾多國內外高校及科研院所的關注，并在工業分揀領域嶄露頭角。

目前大多數氣動軟體手指仍通過安裝彎曲傳感器或接觸力傳感器來對手指的彎曲曲率和夾持力進行檢測，然而由于氣動軟體手本身柔韌性較大，故在傳感器選擇及安裝等方面受到了很大的限制，且這種測試方式成本較高，感知系統較為復雜，所以使得目前大多數氣動軟體手在閉環控制方面尚還處于實驗室研究階段，制約了其在眾多域中的商品化及實用化。

技術實現要素：

本發明實施例提供一種氣動軟體手指以解決現有氣動軟體手指在傳感器選擇及安裝等方面受到限制的問題；提供一種軟體手指控制系統及控制方法，可對手指接觸力及彎曲曲率進行檢測，實現對手指接觸力的閉環控制，應用領域廣泛。

本發明提供一種氣動軟體手指，包括：設置于上層的驅動部分和設置于下層的感知部分，所述驅動部分設有驅動氣腔，所述感知部分設有感知氣腔，所述感知部分的底面粘有尼龍粘扣。

在本發明的氣動軟體手指中，所述驅動部分和所述感知部分采用形狀沉積技術一體化制造。

本發明還提供一種氣動軟體手指控制系統，除了包括上述的氣動軟體手指，還包括：

驅動氣壓傳感器，與所述驅動氣腔相連接用于實時檢測驅動氣腔的驅動氣壓；

感知氣壓傳感器，與所述感知氣腔相連接用于實時檢測感知氣腔的感知氣壓；

控制器，與所述驅動氣壓傳感器和感知氣壓傳感器相連接，將檢測的驅動氣壓和感知氣壓上傳到上位機；

上位機，將感知氣壓轉化為曲率信號，并依據曲率信號和驅動氣壓確定手指是否接觸物體；將感知氣壓轉化為接觸力信號，根據接觸力信號和預設值生成控制指令；

還包括與所述驅動氣腔相連接的氣泵和電磁閥，控制器接收控制指令通過功率放大電路對氣泵和電磁閥進行控制，進而調節手指的驅動氣腔的氣壓，完成對手指接觸力的控制。

在本發明的氣動軟體手指控制系統中，所述上位機包括：

用于將所述感知氣壓轉化成手指的實測曲率的實測曲率轉化模塊；

用于根據實時檢測的驅動氣壓計算預測曲率的預測曲率計算模塊；

根據預測曲率和實測曲率判斷手指是否接觸到物品的曲率判定模塊；

用于將所述感知氣壓轉化成接觸力的接觸力轉化模塊；

用于判斷所述接觸力是否達到預設值的接觸力判定模塊；

根據接觸力和預設值生成控制指令的pid控制模塊。

在本發明的氣動軟體手指控制系統中，所述實測曲率轉化模塊根據下式計算軟體手指的彎曲夾角，并根據彎曲夾角計算軟體手指的實測曲率：

式中，p1、v1分別為感知氣腔初始氣壓和體積，p2為按壓后感知氣腔氣壓，θ為手指彎曲夾角，b'、d'以及e'分別為變形后感知氣腔的高度、壁厚以及寬度，l為感知氣腔長度，其中d'可表示為：

式中，d0為感知氣腔初始高度，r2為彎曲后感知氣腔底邊的曲率半徑。

在本發明的氣動軟體手指控制系統中，所述預測曲率計算模塊根據空載條件下驅動氣壓與手指彎曲曲率的關系表達式計算預測曲率，所述關系表達式如下：

p＝a0+a1b+a2b²+a3b³

式中，p為實時檢測的驅動氣壓，b為預測曲率，a0、a1、a2、a3均為擬合參數值。

在本發明的氣動軟體手指控制系統中，接觸力轉化模塊根據下式計算接觸力：

式中，p1、v1分別為感知氣腔初始氣壓和體積，p2為按壓后感知氣腔氣壓，e為手指主體材料的彈性模量，i為感知氣腔上層截面的轉動慣量，e'為變形后氣腔寬度，l為感知氣腔長度。

本發明還提供一種氣動軟體手指控制方法，包括如下步驟：

檢測驅動氣腔的驅動氣壓和感知氣腔的感知氣壓；

將驅動氣壓和感知氣壓上傳到上位機進行處理；

將感知氣壓轉化為曲率信號，并依據曲率信號和驅動氣壓確定手指是否接觸物體；將感知氣壓轉化為接觸力信號，根據接觸力信號和預設值生成控制指令；

控制器接收控制指令后通過功率放大電路對氣泵和電磁閥進行控制，進而調節手指的驅動氣腔的氣壓，完成對手指接觸力的控制。

在本發明的氣動軟體手指控制方法中，將感知氣壓轉化為曲率信號，并依據曲率信號和驅動氣壓確定手指是否接觸物體，具體為：

將所述感知氣壓轉化成手指的實測曲率；

根據實時檢測的驅動氣壓計算預測曲率；

根據預測曲率和實測曲率判斷手指是否接觸到物品，若接觸到物品轉到下一步，否則通過氣泵和電磁閥調整驅動氣腔的氣壓后，重新檢測驅動氣壓和感知氣壓。

在本發明的氣動軟體手指控制方法中，將感知氣壓轉化為接觸力信號，根據接觸力信號和預設值生成控制指令，具體為：

將所述感知氣壓轉化成接觸力；

判斷所述接觸力是否達到預設值；

根據接觸力和預設值生成控制指令。

本發明的氣動軟體手指、軟體手指控制系統及控制方法至少具有以下有益效果：本發明設計的軟體手指實現了驅動與感知的高度集成，本發明的控制裝置僅通過檢測感知氣腔的氣壓便可實現對手指彎曲曲率及接觸力的測量，相較傳統通過彎曲傳感器及接觸力傳感器的測量裝置，具有結構簡單、成本低、手指柔順性好等特點。本發明的控制方法通過檢測感知氣腔氣壓，從而對手指彎曲曲率及接觸力進行測量，實現對手指接觸力的閉環控制，為完成多手指配合抓取奠定基礎。

附圖說明

圖1為本發明氣動軟體手指結構示意圖；

圖2為本發明氣動軟體手指控制系統的示意圖；

圖3為本發明氣動軟體手指感知氣腔彎曲變形示意圖；

圖4為本發明氣動軟體手指感知氣腔底層受力示意圖；

圖5為本發明氣動軟體手指控制方法的流程圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明公開了一種氣動軟體手指，包括：設置于上層的驅動部分1和設置于下層的感知部分2，在感知部分2的底面粘有尼龍粘扣5，從而起到抑制底面變形，增加手指接觸摩擦力的作用。驅動部分1設有驅動氣腔3，感知部分2設有感知氣腔4。本發明的軟體手指的驅動部分1和感知部分2采用形狀沉積技術一體化制造。手指具有結構簡單、集成化程度高、成本低、柔順性好等特點，避免了傳統感知方案中，在傳感器布置安裝、以及其對手指運動影響等方面的制約。

如圖2所示，本發明提供了一種氣動軟體手指控制系統，包括：軟體手指10、驅動氣壓傳感器20、感知氣壓傳感器30、控制器40、上位機50、功率放大電路60、氣泵70以及電磁閥80。

驅動氣壓傳感器20、氣泵70以及電磁閥80分別與驅動氣腔3相連接，驅動氣壓傳感器20用于實時檢測驅動氣腔3的驅動氣壓。感知氣壓傳感器30與感知氣腔4相連接，用于實時檢測感知氣腔4的感知氣壓。控制器40，與驅動氣壓傳感器20和感知氣壓傳感器30相連接，將檢測的驅動氣壓和感知氣壓上傳到上位機50。上位機50用于將感知氣壓轉化為曲率信號，并依據曲率信號和驅動氣壓確定軟體手指10是否接觸到待抓取物體；再將感知氣壓轉化為接觸力信號，根據接觸力信號和預設值生成控制指令，并將控制指令輸出給控制器40。控制器10接收控制指令后通過功率放大電路60對氣泵70和電磁閥80進行控制，進而調節軟件手指10的驅動氣腔的氣壓，完成對軟件手指接觸力的控制。

上位機50進一步包括：實測曲率轉化模塊、預測曲率計算模塊、曲率判定模塊、接觸力轉化模塊、接觸力判定模塊以及pid控制模塊。實測曲率轉化模塊用于將所述感知氣壓轉化成手指的實測曲率，預測曲率計算模塊用于根據實時檢測的驅動氣壓計算預測曲率，曲率判定模塊根據預測曲率和實測曲率判斷手指是否接觸到物品，接觸力轉化模塊用于將感知氣壓轉化成接觸力，接觸力判定模塊用于判斷接觸力是否達到預設值，pid控制模塊根據接觸力和預設值生成控制指令。下面具體說明一下上位機50中各個模塊的工作情況。

設感知氣腔4的初始內部氣壓為p1，初始體積為v1，發生按壓后通過感知氣壓傳感器30可測得感知氣腔4內部氣壓變為p2，則通過理想氣體方程可知其變形后的體積v2為：

實測曲率轉化模塊用于將感知氣壓轉換成手指的實測曲率。測量手指的實測曲率時需得到手指的彎曲形變與感知氣腔4的內部壓強變化的關系。設手指為等曲率彎曲，其彎曲變形后的狀態如圖3所示。其中，r1為感知氣腔4上層的曲率半徑，r2為感知氣腔4下層的曲率半徑，b'為感知氣腔4的壁厚，則變形后感知氣腔4的體積為：

式中e'、d'分別為彎曲變形后感知氣腔的寬度和高度，θ為手指彎曲角度。將(1)式代入(2)式則有：

由于手指的感知部分2的下層粘有尼龍搭扣5，所以彎曲時感知氣腔4的長度l不變，此時有：

l＝θ(r2-b′)(4)

根據式(3)和式(4)得出：

由式(5)得出軟體手指的彎曲角度為：

由于手指彎曲時，感知氣腔4的軸向長度會變長，從而使其在厚度方向會放生收縮。如圖3所示，沿厚度方向上軸向伸長量△l為：

δl＝l′-l＝θ(r2+x)-l(7)

式中x為感知氣腔高度方向變化量。

由式(7)可知軟體手指的軸向應變εl為：

則厚度方向的應變εd為：

εd＝-vεl(9)

其中v為軟性手指材質的泊松比(查表可知硅橡膠泊松比為0.499)。將厚度方向分為d'等分，則每段彎曲變形后的厚度變為：

根據式(10)，對其進行積分則得出：

故可知彎曲變形后軟性手指的感知氣腔4的厚度為：

根據式(6)和式(12)可得到彎曲角度θ。將上述計算得到的彎曲角度θ代入下面公式(13)可知軟體手指的曲率半徑為：

進而，通過式(13)可計算出軟體手指的實測曲率。

預測曲率計算模塊根據空載條件下驅動氣壓與手指彎曲曲率的關系表達式計算預測曲率，該關系表達式通過matlab軟件擬合得到，其擬合形式如下：

p＝a0+a1b+a2b²+a3b³(14)

其中，b為預測曲率，p為實時檢測到的驅動氣壓值，a0、a1、a2以及a3均為擬合參數值。驅動氣壓傳感器20將檢測的驅動氣壓通過控制器40上傳給上位機50，預測曲率計算模根據式(14)計算出預測曲率b。

曲率判定模塊將上述式(13)和式(14)計算出的實測曲率和預測曲率進行對比，判斷手指是否接觸到物品。如果預測曲率大于實測曲率，則表示軟性手指碰觸到物體，此時記錄當前的實測曲率，再進一步判斷接觸力。否則表示手指沒碰觸到物體，控制器40通過氣泵70和電磁閥80調整驅動氣腔3的氣壓后，重新檢測驅動氣壓和感知氣壓。通過實測曲率轉化模塊、預測曲率計算模塊以及曲率判定模塊確定軟體手指接觸到物體后，通過接觸力轉化模塊計算接觸力。

設l、e0'、d0'分別為感知氣腔4在初始條件下的長度、寬度以及高度。e'、d'分別為按壓變形后的感知氣腔的寬度和高度。由于相對高度變形量，寬度變形較小，故可以近似認為按壓前后感知氣腔4的寬度不發生改變，即e'≈e0'。感知氣腔4底層受壓時其長度和寬度不發生改變，僅高度放生變化，故需要求出感知氣腔4底層受壓后所產生的撓度變化。將感知氣腔4底層簡化為簡支梁，則對其受力進行分析如圖4所示。圖中fa、fb分別為感知氣腔4兩端固定支點所產生的支撐力，f為接觸力，ql為感知氣腔內相對壓強所產生的均布力，q代表均布力密度，a、b分別為作用點c相距支點a和b的距離。對b點取矩，則有：

式中x為感知氣腔長度方向變化量。

根據式(15)，利用材料力學知識可得ac段及bc段的撓度分別為：

其中wac和wbc分別代表ac段及bc段的撓度，e為軟性手指材料的彈性模量，i為感知氣腔底層截面轉動慣量。由于所選材料的邵氏硬度為2a，則可知其彈性模量e為：

其中ha為材料邵氏硬度。可知轉動慣量i為：

其中e、d為手指初始條件下的寬度和高度。根據式(15)可知變形后的感知氣腔的體積為：

設受壓后感知氣腔長度和寬度不變，則有：

q＝(p2-p1)e′(20)

設a＝0.5l，則可得接觸力為：

將式(1)代入式(21)得到：

將感知氣壓代入式(22)中可計算出軟體手指的接觸力。

接觸力判定模塊用于判斷接觸力是否達到預設值。如果到達預設值則停止向驅動氣腔充氣；如果接觸力沒到達預設值，通過pid控制模塊對接觸力和預設值進行運算進而生成控制指令。并將控制指令輸出給控制器40。控制器40接收控制指令后生成pwm信號，通過功率放大電路60對氣泵70和電磁閥80進行控制，進而調節軟件手指10的驅動氣腔的氣壓，完成對軟件手指接觸力的控制。

上述為本發明的軟體手指控制系統，基于該控制系統本發明還提供了一種軟體手指控制方法，包括如下步驟：

首先，檢測驅動氣腔的驅動氣壓和感知氣腔的感知氣壓；將驅動氣壓和感知氣壓上傳到上位機進行處理；

然后，通過上位機將感知氣壓轉化為曲率信號，并依據曲率信號和驅動氣壓確定手指是否接觸物體；將感知氣壓轉化為接觸力信號，根據接觸力信號和預設值生成控制指令；

最后，控制器接收控制指令后通過功率放大電路對氣泵和電磁閥進行控制，進而調節手指的驅動氣腔的氣壓，完成對手指接觸力的控制。

圖5為軟體手指控制方法的流程圖。如圖所示，在檢測氣腔氣壓前先排空驅動氣腔3中的氣體，并關閉氣泵70和電磁閥80。然后給驅動氣腔和感知氣腔充氣，通過驅動氣壓傳感器20和感知氣壓傳感器30檢測驅動氣腔3和感知氣腔4的氣壓。如果驅動氣壓達到最大充氣氣壓值，則需排空驅動氣腔3內的氣體重新充氣。如果驅動氣壓小于最大充氣氣壓值，則進行曲率轉換。

如圖5所示，將感知氣壓轉化為曲率信號，并依據曲率信號和驅動氣壓確定手指是否接觸物體具體為：

將感知氣壓轉化成手指的實測曲率，即根據式(1)至式(13)計算實測曲率，計算過程這里不再贅述；

根據實時檢測的驅動氣壓計算預測曲率，即根據式(14)計算預測曲率；

根據預測曲率和實測曲率判斷手指是否接觸到物品，若接觸到物品轉到下一步，否則通過氣泵和電磁閥調整驅動氣腔的氣壓后，重新檢測驅動氣壓和感知氣壓。

如圖5所示，當軟體手指接觸到物品時，記錄當前的實測曲率。再進一步判定接觸力大小。在判定接觸力大小前，重新檢測各氣腔的氣壓，如果驅動氣壓達到最大充氣氣壓值，則說明軟體手指的接觸力已經到達最大值，結束進程。如果驅動氣壓小于到最大充氣氣壓值，則進行接觸力轉換。將感知氣壓轉化為接觸力信號，根據接觸力信號和預設值生成控制指令體具體為：

將感知氣壓轉化成接觸力，即根據式(15)至式(22)計算接觸力，具體計算過程不再贅述；

判斷接觸力是否達到預設值；如果接觸力達到預設值，則結束控制過程，如果接觸力小于預設值，則pid控制模塊對接觸力和預設值進行運算進而生成控制指令。

pid控制模塊將控制指令輸出給控制器40。控制器40接收控制指令后生成pwm信號，通過功率放大電路60對氣泵70和電磁閥80進行控制，進而調節軟件手指10的驅動氣腔的氣壓，完成對軟件手指接觸力的閉環控制。

本發明設計的軟體手指實現了驅動與感知的高度集成，本發明的控制裝置僅通過檢測感知氣腔的氣壓便可實現對手指彎曲曲率及接觸力的測量，相較傳統通過彎曲傳感器及接觸力傳感器的測量方法，具有結構簡單、成本低、手指柔順性好等特點。本發明的控制方法通過檢測感知氣腔氣壓，從而對手指彎曲曲率及接觸力進行測量，實現對手指接觸力的閉環控制，為完成多手指配合抓取奠定基礎。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明的思想，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。