本發(fā)明涉及機(jī)器人手，尤其涉及軟體靈巧手的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)感知。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，軟體靈巧手的研究取得了一系列成果，它們?cè)谖矬w形狀的適應(yīng)性抓取、特殊環(huán)境抓取和柔順抓取等任務(wù)中取得了出色的表現(xiàn)。隨著制造工藝和驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，軟體靈巧手展現(xiàn)出了實(shí)際應(yīng)用的潛力。

2、目前軟體機(jī)器人的姿態(tài)感知能力不足?，F(xiàn)有技術(shù)主要采用兩種方式進(jìn)行軟體機(jī)器人的姿態(tài)感知：一種是采用外部傳感器的方式，另一種是采用內(nèi)置于軟體機(jī)器人內(nèi)的本體位置/角度傳感器的方式。

3、關(guān)于采用外部傳感器的方式，常見的比如基于深度視覺相機(jī)的方法(簡(jiǎn)稱視覺方法)，被證明能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)軟體機(jī)器人的有效控制。然而對(duì)于軟體靈巧手，上述視覺方法具體一定的不適應(yīng)性，具體的：

4、(1)需要在任務(wù)環(huán)境下布置多個(gè)機(jī)位并進(jìn)行標(biāo)定，且多指協(xié)同動(dòng)作進(jìn)行物體抓取和操作時(shí)容易造成遮擋，影響數(shù)據(jù)采集效果；

5、(2)視覺方法需要進(jìn)行大量的圖像處理，反饋頻率較慢，將會(huì)限制控制器的表現(xiàn)。

6、關(guān)于采用內(nèi)置于軟體機(jī)器人內(nèi)的本體位置/角度傳感器的方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員提出了大量方案，例如柔性應(yīng)變傳感器、光學(xué)傳感器以及液態(tài)金屬傳感器等。這些方案大大提高了軟體機(jī)器人的感知能力。然而對(duì)于軟體靈巧手，現(xiàn)有的用于軟體機(jī)器人的本體位置/角度傳感器方案依然存在以下問題：

7、(1)軟體靈巧手的手指尺寸較小，現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)器和傳感器之間容易互相影響：由于軟體手指的驅(qū)動(dòng)器為柔性變形材料(稱為軟體驅(qū)動(dòng)器)，在進(jìn)行動(dòng)作時(shí)，軟體驅(qū)動(dòng)器會(huì)有明顯形變，同時(shí)現(xiàn)有的柔性傳感器依靠材料和結(jié)構(gòu)變形感知關(guān)節(jié)姿態(tài)變化，這就導(dǎo)致：①驅(qū)動(dòng)器形變會(huì)對(duì)柔性傳感器產(chǎn)生擠壓等作用，進(jìn)而影響信號(hào)；②柔性傳感器自身的剛度特性會(huì)限制手指驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)范圍和剛度等特性。

8、(2)受到工藝和材料的限制，現(xiàn)有的傳感器的信號(hào)穩(wěn)定性難以保證：受到工藝制造技術(shù)的限制，目前適用于所述軟體靈巧手的各類柔性傳感器仍停留在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，并未有成熟的產(chǎn)品級(jí)應(yīng)用；以液態(tài)金屬傳感器為例，其依靠自身變形帶來(lái)的電阻變化感知關(guān)節(jié)角度，在使用過(guò)程中若發(fā)生較大形變，則容易出現(xiàn)斷路現(xiàn)象，導(dǎo)致丟失信號(hào)。

9、(3)軟體手指關(guān)節(jié)自由度較多，現(xiàn)有傳感器方案難以感知其全部姿態(tài)信息。

10、綜上，軟體靈巧手的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)傳感問題還未受到本領(lǐng)域技術(shù)人員的足夠關(guān)注，軟體靈巧手的多關(guān)節(jié)和小尺寸的特點(diǎn)給傳感器設(shè)置帶來(lái)的限制問題難以解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出了基于imu的軟體靈巧手姿態(tài)傳感系統(tǒng)及其集成方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)所存在的受軟體靈巧手的手指尺寸較小的限制，驅(qū)動(dòng)器和傳感器之間容易互相影響的問題；以及受到工藝和材料的限制，傳感器的信號(hào)穩(wěn)定性難以保證的問題；以及軟體手指關(guān)節(jié)自由度較多，現(xiàn)有傳感器方案難以感知其全部姿態(tài)信息的問題。

2、本發(fā)明所述的基于imu的軟體靈巧手姿態(tài)傳感系統(tǒng)，所述系統(tǒng)應(yīng)用于軟體靈巧手；

3、所述軟體靈巧手包括手掌和五根結(jié)構(gòu)相同的手指；五根結(jié)構(gòu)相同的手指安裝在手掌上；

4、所述手指為剛?cè)峄旌鲜种?；所述手指由關(guān)節(jié)間指骨和3個(gè)剛?cè)峄旌详P(guān)節(jié)依次連接組成；所述關(guān)節(jié)間指骨為硬質(zhì)骨骼；

5、所述剛?cè)峄旌详P(guān)節(jié)包括硬質(zhì)骨骼、氣室、應(yīng)變限制層以及玻璃纖維絲線；

6、所述氣室用于在硬質(zhì)骨骼、玻璃纖維絲線和應(yīng)變限制層的共同作用下，使剛?cè)峄旌鲜种笇?shí)現(xiàn)類似人類手指關(guān)節(jié)的彎曲動(dòng)作以及側(cè)擺動(dòng)作；

7、所述系統(tǒng)包括：五個(gè)imu手指柔性傳感模塊、imu中心采集板、控制板以及上位機(jī)；

8、所述imu手指柔性傳感模塊與軟體靈巧手的手指一一對(duì)應(yīng)設(shè)置；每個(gè)imu手指柔性傳感模塊包括一片fpc電路板以及搭載在fpc電路板上的3個(gè)imu芯片；每片fpc電路板集成在每根手指內(nèi)部，用于適應(yīng)手指的柔性變形；所述3個(gè)imu芯片分別位于每根手指的3個(gè)剛?cè)峄旌详P(guān)節(jié)的硬質(zhì)骨骼的腹部，用于獨(dú)立采集每個(gè)剛?cè)峄旌详P(guān)節(jié)在三維空間運(yùn)動(dòng)的原始姿態(tài)數(shù)據(jù)；

9、所述imu中心采集板設(shè)置于軟體靈巧手的手掌之上；所述imu中心采集板包括微控制芯片和1個(gè)imu芯片；所述imu中心采集板上的imu芯片用于采集手掌在三維空間運(yùn)動(dòng)的原始姿態(tài)數(shù)據(jù)；所述微控制芯片用于讀取imu手指柔性傳感模塊和imu中心采集板上的imu芯片采集的原始姿態(tài)數(shù)據(jù)，在mahony姿態(tài)融合之后計(jì)算出每個(gè)imu芯片的歐拉角和四元數(shù)，將歐拉角和四元數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送給控制板；

10、所述控制板用于將歐拉角和四元數(shù)數(shù)據(jù)打包發(fā)送給上位機(jī)；

11、所述上位機(jī)內(nèi)設(shè)置有ros；所述ros用于根據(jù)歐拉角和四元數(shù)數(shù)據(jù)計(jì)算相關(guān)imu芯片之間的姿態(tài)變換結(jié)果并轉(zhuǎn)化為手指關(guān)節(jié)角，并將位置環(huán)的控制數(shù)據(jù)下發(fā)給控制板。

12、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述imu手指柔性傳感模塊與imu中心采集板之間以spi通信交換數(shù)據(jù)；

13、所述imu中心采集板與控制板之間以spi通信交換數(shù)據(jù)。

14、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述imu中心采集板還包括中心板pcb；

15、所述imu中心采集板的微控制芯片和imu芯片通過(guò)smt單面貼片的方式，設(shè)置于中心板pcb上。

16、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述imu中心采集板還包括中心板pcb；

17、所述imu中心采集板的微控制芯片和imu芯片通過(guò)smt雙面貼片的方式，設(shè)置于中心板pcb上。

18、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述imu芯片包括3軸陀螺儀、3軸加速度計(jì)和3軸磁力計(jì)。

19、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述imu芯片的型號(hào)為mpu9250。

20、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述上位機(jī)的ros用于將軟體靈巧手的姿態(tài)映射為可視化的等效手勢(shì)。

21、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述手指還包括基座；所述手指通過(guò)基座安裝在手掌上；

22、所述剛?cè)峄旌详P(guān)節(jié)包括ip指間關(guān)節(jié)和mcp掌指關(guān)節(jié)；所述ip指間關(guān)節(jié)包括dip指節(jié)關(guān)節(jié)與pip指端關(guān)節(jié)；

23、所述關(guān)節(jié)間指骨包括dp指骨、mp指骨和pp指骨；

24、所述dp指骨、dip指節(jié)關(guān)節(jié)、mp指骨、pip指端關(guān)節(jié)、pp指骨、mcp掌指關(guān)節(jié)和基座依次連接；

25、所述dp指骨、dip指節(jié)關(guān)節(jié)、mp指骨、pip指端關(guān)節(jié)、pp指骨和mcp掌指關(guān)節(jié)外包裹軟體外殼；

26、所述dp指骨、dip指節(jié)關(guān)節(jié)、mp指骨、pip指端關(guān)、pp指骨5形成ip氣室，該ip氣室在長(zhǎng)度方向呈倒梯形結(jié)構(gòu)。

27、本發(fā)明還提出了基于imu的軟體靈巧手姿態(tài)傳感系統(tǒng)的集成方法，所述方法用于將上述任意一項(xiàng)所述基于imu的軟體靈巧手姿態(tài)傳感系統(tǒng)的imu手指柔性傳感模塊集成到軟體靈巧手的手指中；所述方法包括以下步驟：

28、將imu手指柔性傳感模塊的fpc電路板粘貼于應(yīng)變限制層；

29、將imu手指柔性傳感模塊末端的通信接口固定最后一個(gè)剛?cè)峄旌详P(guān)節(jié)的硬質(zhì)骨骼位置；

30、在外部纏繞玻璃纖維絲線，將imu手指柔性傳感模塊固定。

31、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述fpc電路板的厚度小于0.2mm，沿應(yīng)變限制層緊密貼合。

32、本發(fā)明有以下有益效果：

33、1.本發(fā)明所述的基于imu的軟體靈巧手姿態(tài)傳感系統(tǒng)，通過(guò)imu芯片內(nèi)置陀螺儀、磁力計(jì)和加速度計(jì)信號(hào)，不依靠材料變形即可感知姿態(tài)變化，且布置于形變限制層；因此驅(qū)動(dòng)器變形不會(huì)影響imu信號(hào)，傳感器對(duì)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)范圍和剛度的影響也很小，解決了軟體靈巧手的手指受尺寸較小的影響而導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)器和傳感器之間容易互相影響的問題。

34、2.本發(fā)明所述的基于imu的軟體靈巧手姿態(tài)傳感系統(tǒng)，通過(guò)柔性電路板將imu芯片集成于手指之內(nèi)，imu芯片及相應(yīng)的校準(zhǔn)和姿態(tài)融合方法具有成熟的工業(yè)應(yīng)用，使用的fpc貼片工藝成熟，不容易有斷路或丟失信號(hào)的情況發(fā)生，能夠保證信號(hào)的穩(wěn)定。

35、3.本發(fā)明所述的基于imu的軟體靈巧手姿態(tài)傳感系統(tǒng)，使用的imu芯片依靠?jī)?nèi)置陀螺儀、磁力計(jì)和加速度計(jì)信號(hào)進(jìn)行手指姿態(tài)感知，在進(jìn)行姿態(tài)融合后能夠解算每個(gè)手指關(guān)節(jié)的三維空間姿態(tài)，全面感知姿態(tài)信息。

36、4.本發(fā)明所述的基于imu的軟體靈巧手姿態(tài)傳感系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)融合提供所有指節(jié)的三維空間姿態(tài)，能夠?qū)崟r(shí)感知軟體靈巧手整手的姿態(tài)，具備精度高、響應(yīng)頻率快和穩(wěn)定易加工的特點(diǎn)。

37、5.本發(fā)明所述的基于imu的軟體靈巧手姿態(tài)傳感系統(tǒng)具有易于加工的特點(diǎn)，具體的：所述imu芯片的載體為fpc(柔性印刷電路板，或稱柔性電路板)；所述fpc具有可彎折、厚度薄且強(qiáng)度高的特點(diǎn)，能夠適應(yīng)手指的柔性變形，并充分利用ip關(guān)節(jié)限制層和硬質(zhì)骨骼不產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形的特點(diǎn)；imu的工業(yè)化生產(chǎn)非常成熟，通過(guò)smt貼片工藝(surface?mounttechnology，表面貼裝技術(shù))可以低價(jià)地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，為剛軟耦合靈巧手未來(lái)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了便利。

38、本發(fā)明所述的基于imu的軟體靈巧手姿態(tài)傳感系統(tǒng)及其集成方法，提供一種基于imu(inertial?measurement?unit，慣性測(cè)量單元)的集成式傳感系統(tǒng)，適用于軟體靈巧手整手姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)感知。