本發(fā)明屬于機器人技術(shù)領(lǐng)域，提出了一種新型的接近覺傳感網(wǎng)，具體涉及接近覺傳感網(wǎng)在仿人五指靈巧手預(yù)抓取階段的應(yīng)用，優(yōu)化了靈巧手的預(yù)抓取作業(yè)。

背景技術(shù)：

目前，仿人靈巧手的研究開發(fā)已經(jīng)成為機器人尖端領(lǐng)域的重要課題。自20世紀80年代起，各國學者研制了各種類型的仿人靈巧手，希望在結(jié)構(gòu)和功能上模仿人手，擴展工業(yè)機械手的功能。仿人靈巧手和傳統(tǒng)機械手相比確實具有更多的優(yōu)勢，可以解決一些復雜的問題。但同時，仿人手的抓取規(guī)劃和控制相當復雜，大多數(shù)仿人手的抓取規(guī)劃都停留在抓取單一的物體上面，如何更好的適應(yīng)抓取不同的物體成為研究仿人手的熱點問題。目前，大多數(shù)抓取規(guī)劃都使用攝像頭在預(yù)抓取階段識別待抓取物體的形狀。通過安裝在手指或手掌處的攝像頭，對待抓取物體進行三維重建或者構(gòu)成點云圖等方法，確定抓取點。不過由于目前計算機視覺在計算量方面過于繁重，不能很好的實現(xiàn)實時規(guī)劃，并且攝像頭成本較高。因此，如何在預(yù)抓取階段更好的實時識別物體，降低預(yù)抓取階段的運算量，成為一大亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明內(nèi)容設(shè)計了一種用于五指靈巧手自適應(yīng)預(yù)抓取的接近覺傳感網(wǎng)，充分利用了仿人靈巧手結(jié)構(gòu)上的包絡(luò)特點，通過在靈巧手各關(guān)節(jié)安置角度傳感器以及各指節(jié)內(nèi)側(cè)表面嵌入距離傳感器組成了傳感網(wǎng)絡(luò)。該傳感網(wǎng)主要為靈巧手的預(yù)抓取任務(wù)提供了兩個新型功能，一方面能夠用于建立手掌內(nèi)物體的三維模型，通過旋轉(zhuǎn)腕部關(guān)節(jié)、基于連桿機構(gòu)學對指節(jié)距離傳感器和關(guān)節(jié)角度傳感器的數(shù)據(jù)進行實時處理，從而得到手掌內(nèi)物體的點云數(shù)據(jù)，為識別抓取目標提供了一種新的方法。另一方面，通過接近覺傳感網(wǎng)對各手指的側(cè)擺運動進行控制，解決了只通過力規(guī)劃算法計算指尖期望位姿的計算量大、實時性差等問題，接近覺傳感網(wǎng)將力規(guī)劃運算時所需要的指尖可達域從三維空間降為二維平面，從而降低了預(yù)抓取階段的運算量、提高了該階段的實時規(guī)劃速度，同時能夠讓盡可能多的指節(jié)與抓取目標接觸，為實現(xiàn)穩(wěn)定抓握奠定更好的基礎(chǔ)。

技術(shù)實現(xiàn)

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，我們基于仿人五指靈巧手的結(jié)構(gòu)特點與運動特性，設(shè)計了用于五指靈巧手預(yù)抓取的接近覺傳感網(wǎng)，為靈巧手的預(yù)抓取階段提供了兩種新型功能和方法。

接近覺傳感網(wǎng)主要由靈巧手各關(guān)節(jié)處的角度傳感器和各指節(jié)內(nèi)側(cè)表面上的距離傳感器組成，角度傳感器用于測量關(guān)節(jié)當前相對于初始狀態(tài)的角度，距離傳感器用于測量指節(jié)與手掌中物體的距離。

在識別抓取目標的新型功能中，在腕部正交關(guān)節(jié)處設(shè)置原點并建立空間坐標系，基于連桿機構(gòu)學、根據(jù)各關(guān)節(jié)之間的長度及各關(guān)節(jié)的角度確定各指節(jié)在空間坐標系中的位姿，在腕部旋轉(zhuǎn)的過程中，通過各指節(jié)與其前方物體的距離得到空間坐標系中的物體的點云數(shù)據(jù)即其形狀輪廓，為識別手掌中物體提供了一種新的方法。

在五指靈巧手預(yù)抓取階段，通過接近覺傳感網(wǎng)檢測各指節(jié)前方是否存在抓取目標，進而控制各手指的側(cè)擺運動，該方法一方面可以實現(xiàn)盡可能多的指節(jié)與目標物體接觸，另一方面，傳統(tǒng)力規(guī)劃算法需要計算各指尖可達域與抓取目標的三維空間的交集，該方法可以使力規(guī)劃算法所需的指尖可達域從三維空間降為二維平面，從而極大降低了力規(guī)劃階段的運算量、提高了整個預(yù)抓取過程的速度，以實現(xiàn)對目標物體更快、更穩(wěn)的抓取。

本發(fā)明優(yōu)點在于：

(1)充分利用了靈巧手結(jié)構(gòu)上的包絡(luò)特點設(shè)計了接近覺傳感網(wǎng)；

(2)能夠?qū)崿F(xiàn)一種新型識別抓取目標的功能和方法；

(3)降低了靈巧手預(yù)抓取階段的運算量、提高了該階段的實施速度。

附圖說明

附圖1為單手指的接近覺傳感網(wǎng)局部示意圖；

附圖2為大拇指的接近覺傳感網(wǎng)局部示意圖；

附圖3為接近覺傳感網(wǎng)整體布局示意圖；

附圖4為傳感網(wǎng)整體布局簡化示意圖及識別物體的過程示意圖；

附圖5為力規(guī)劃算法中指尖可達域的三維空間示意圖；

附圖6為力規(guī)劃算法中指尖可達域的二維平面示意圖；

附圖7為接近覺傳感網(wǎng)控制手指側(cè)擺運動的示意圖。

具體實施方式

附圖1為單手指的接近覺傳感網(wǎng)局部示意圖。接近覺傳感網(wǎng)的距離傳感器(1)分別位于靈巧手分手指指尖(2)、指節(jié)(3)、指基(4)的內(nèi)側(cè)表面上。

附圖2為大拇指的接近覺傳感網(wǎng)局部示意圖。接近覺傳感網(wǎng)的距離傳感器(1)分別位于靈巧手大拇指指尖(5)、指節(jié)(6)的內(nèi)側(cè)表面上，(7)、(8)分別為大拇指指基和手掌。

附圖3為接近覺傳感網(wǎng)整體布局示意圖。靈巧手各指節(jié)內(nèi)側(cè)表面嵌入距離傳感器(1)組成了接近覺傳感網(wǎng)。

附圖4為傳感網(wǎng)整體布局簡化示意圖及識別物體的過程示意圖。(9)為目標物體。靈巧手各指節(jié)(10)內(nèi)側(cè)表面嵌入距離傳感器組成了接近覺傳感網(wǎng)，其中黑色三角形為距離傳感器，黑色圓形為該距離傳感器的目標檢測點，黑色三角形與圓形之間的虛線連線長度即為該距離傳感器與目標物體的距離。在空間坐標系下，通過旋轉(zhuǎn)腕部關(guān)節(jié)(11)，記錄并處理每一離散時刻接近覺傳感網(wǎng)中各距離傳感器的數(shù)據(jù)，從而獲得目標物體的外形點云數(shù)據(jù)、建立其三維模型。

附圖5為力規(guī)劃算法中指尖可達域的三維空間示意圖。傳統(tǒng)力規(guī)劃算法首先需要計算各指尖的可達域，該可達域為三維空間，存在運算量龐大、實時性差等問題。

附圖6為力規(guī)劃算法中指尖可達域的二維平面示意圖。通過接近覺傳感網(wǎng)控制各手指的側(cè)擺運動，使力規(guī)劃算法所需的指尖可達域從三維空間降為二維平面，從而極大降低了力規(guī)劃階段的運算量、提高了整個預(yù)抓取過程的實時規(guī)劃速度。

附圖7為接近覺傳感網(wǎng)控制手指側(cè)擺運動的示意圖。通過傳感網(wǎng)檢測各指節(jié)前方是否存在抓取目標，進而控制各手指的側(cè)擺運動，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對目標物體更快、更穩(wěn)的抓取，同時讓盡可能多的指節(jié)與目標物體接觸，為實現(xiàn)穩(wěn)定抓握奠定更好的基礎(chǔ)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明內(nèi)容設(shè)計了一種用于五指靈巧手自適應(yīng)預(yù)抓取的接近覺傳感網(wǎng)，利用仿人靈巧手結(jié)構(gòu)上的包絡(luò)特點，通過在各關(guān)節(jié)安置角度傳感器及各指節(jié)內(nèi)側(cè)表面嵌入距離傳感器組成傳感網(wǎng)絡(luò)，為靈巧手的預(yù)抓取任務(wù)提供了兩個新型功能。一方面能夠建立手掌內(nèi)物體的三維模型，基于連桿機構(gòu)學對上述兩種傳感器的數(shù)據(jù)進行實時處理，得到物體點云數(shù)據(jù)，為識別抓取目標提供了一種新的方法。另一方面，通過接近覺傳感網(wǎng)對各手指的側(cè)擺運動進行控制，傳感網(wǎng)將力規(guī)劃時指尖可達域從三維空間降為二維平面，解決了計算指尖期望位姿的運算量大等問題，提高了預(yù)抓取階段的實時規(guī)劃速度，同時讓盡可能多的指節(jié)與抓取目標接觸，為實現(xiàn)穩(wěn)定抓握奠定更好的基礎(chǔ)。

技術(shù)研發(fā)人員：羅慶生;盧奕昂;韓連強;孫堯;張道統(tǒng);王鑫;劉思燦;王宇飛
受保護的技術(shù)使用者：北京理工大學
技術(shù)研發(fā)日：2017.06.16
技術(shù)公布日：2017.09.22