[发明专利]力觉传感器、机器人及力觉传感器的应用方法

说明书

本发明公开了力觉传感器、机器人及力觉传感器的应用方法。该力觉传感器包括柔性交互模块和数据采集模块。柔性交互模块与目标交互物体接触；数据采集模块采集柔性交互模块产生的柔性形变的表征值；基于计算机视觉和计算机深度学习，获取柔性形变对应的目标交互的特性。应用该力觉传感器的机器人不仅能够显著降低硬件成本和结构复杂程度，还能够显著丰富机器人的应用场景。该机器人能够在陆地、水下等非结构化环境下完成高精度物理交互任务。

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体涉及力觉传感器、机器人及力觉传感器的应用方法。

背景技术

所谓力觉是指机器人作业过程中对来自外部的力的感知，它和压觉不同，压觉力是垂直于力接触表面的力、三维力和三维力矩的感知。机器人力觉传感器是模仿人类四肢关节功能的机器人获得实际操作时的大部分力信息的装置，它直接影响着机器人的力控制性能，是机器人主动柔顺控制必不可少的装置。分辨率高、灵敏度高、线性度高、可靠性好和抗干扰能力强是机器人力觉传感器的主要性能要求。力觉传感器按照传感器安装部位的不同可分为腕力传感器、关节力传感器、握力传感器、脚力传感器和手指力觉传感器等。

力觉传感器经常装于机器人关节处，通过检测弹性体变形来间接测量所受力。装于机器人关节处的力觉传感器常以固定的三坐标形式出现，有利于满足控制系统的要求。目前出现的六维力觉传感器可实现全力信息的测量，因其主要安装于腕关节处被称为腕力觉传感器。腕力觉传感器大部分采用应变电测原理，按其弹性体结构形式可分为筒式腕力觉传感器和十字形腕力觉传感器。筒式腕力觉传感器具有结构简单、弹性梁利用率高、灵敏度高的特点；而十字形的传感器结构简单、坐标建立容易，但加工精度高。

力控制技术尚未实用化的主要原因：一是现有的机器人技术还尚未完全达到实现力控制的水平；二是力控制的理论体系尚未完善。此外，从理论上掌握机器人动作和环境的系统配置及相应的通用机器人语言还有待进一步研究。这一系列研究开发工作需要实现传感器反馈控制，同时还需要具有通用硬件和软件的机器人控制系统。而现在商品化的机器人主要是以位置控制为基础的控制或示教方式。

多维力传感器可以提供三维空间内作用的多维力信息，其中常见的是六维力传感器，它可以提供三维空间内沿3个坐标轴的力的大小和力矩。在机器人、医疗和航空领域，六维力传感器为设备的智能、安全操作提供了重要的传感信息，其在智能化与人机交互的场景中具有广阔的应用前景。

现有多维力与力矩传感方案往往依赖刚性材料设计的内部机构实现空间运动。感压结构常见的有弹性结构式、Stewart并联结构式和柔性结构式等。这些现有传感器的结构多为刚性圆柱体设计，结构笨重，功能单一，无法直接应用于与物品或者人交互。

现有多维力与力矩传感方案往往依赖刚性材料设计的内部机构，实现物理交互过程中的多维运动的运动学表达，一般采用一体化设计，不同传感方案之间缺少互换性，应用场景单一，柔性较差。

现有多维柔性力觉传感器在应对复杂环境例如：水下环境，由于内部器件及零件数量众多，往往需要较为复杂的额外器件与设计以实现较好的密封，导致成本较高。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种力觉传感器，该力觉传感器包括：柔性交互模块和数据采集模块；柔性交互模块与数据采集模块通过机械结构相连；柔性交互模块与目标交互物体接触；数据采集模块采集柔性交互模块产生的柔性形变的表征值，根据柔性形变的表征值得到力觉数据。目标交互物体包括但不限于人体、机械手操控的物体、地面等。

作为本发明的进一步改进，该力觉传感器是基于机器视觉设计的。

作为本发明的进一步改进，柔性交互模块包括：柔性机构和视觉标记物；柔性机构包括：基于差分刚度原理设计的柔性机构和基于差分刚度原理设计柔性机构的变种机构中的一种；视觉标记物包括：柔性机构表面涂上的不同颜色、柔性机构表面涂上的几何形状图案、柔性机构上额外附着的小球或者柔性机构表面涂上的二维码中的一种。视觉标记物能够增加数据处理的准确性和鲁棒性。