具有刚柔切换且形状自适应的机械手及其控制力反馈方法

本发明涉及机器人，具体来说，涉及具有刚柔切换且形状自适应的机械手及其控制力反馈方法。

背景技术：

1、机械手臂和吸附系统是自动化和机器人技术领域的两个重要组成部分，它们通常在工业、生产和物流等多种场合发挥着关键作用，机械手臂是一种高度灵活和精确的机器人设备，设计用于模仿人类手臂的功能。它们可以执行抓取、移动、组装、焊接、喷漆等多种任务，机械手一般包括多个关节和执行器(如电机或液压系统)，能够在多个方向上移动和定位，通常由计算机程序或人工智能算法控制，从而实现高度精确和复杂的操作。

2、在机器人和自动化领域，传统的机械手臂和吸附系统经常面临着诸多限制，这些系统通常设计为刚性结构，以实现稳定性和精确控制。然而，这种刚性设计限制了机械手臂在不规则或动态环境中的适应性和灵活性，例如，在处理不同高度的台阶或不规则表面时，传统机械手可能难以保持稳定性和效率。此外，常规的吸附技术，如真空吸盘或机械夹持器，往往无法有效适应多变的表面形状或质地，这限制了其在复杂环境中的应用范围。因此，开发一种既能够在执行精细操作时提供柔软接触，又能在需要高力量输出时保持足够刚度的机械手，对于提高操作效率和减少操作难度具有重要意义。

技术实现思路

1、针对相关技术中的问题，本发明提出具有刚柔切换且形状自适应的机械手及其控制力反馈方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

2、为此，本发明采用的具体技术方案如下：

3、根据本发明的一个方面，提供了具有刚柔切换且形状自适应的机械手，包括上基座，上基座的底部设置有下基座，且上基座与下基座之间通过若干铜柱相连接；下基座的外部两端对称设置有与铜柱相配合的固定支撑组件，下基座的顶部中间位置开设有若干第一安装槽，且第一安装槽的内部对称设置有与上基座及下基座相连接的平面吸附组件。

4、进一步的，为了将平面吸附组件通过法兰连接器与开设有第一安装槽的下基座连接，并将两组平面吸附组件分别安装在第一安装槽中，并结合夹具、侧边支座及支撑板的配合作用能够确保了机械手的结构稳定性和操作效率，固定支撑组件包括对称设置在下基座外部两端并与铜柱相连接的夹具，夹具的外部设置有侧边支座，且两组侧边支座通过支撑板相连接；夹具的内部开设有与上基座相配合的夹槽。

5、进一步的，为了通过设置平面吸附组件能够提供机械手在接触物体时的灵活性和准确性时，同时平面吸附组件的刚柔切换通过驱动电机一控制圆柱齿轮和齿条带动接触前端实现的，而万向节部分通过自适应弹簧实现接触面的被动柔顺接触，进而通过这种设计使得机械手能够适应各种不同类型的物体表面，并通过粘附材料基座增强了抓取物体时的稳定性和安全性，平面吸附组件包括设置在下基座的顶端并与上基座相连接的固定板，固定板的顶部一端对称开设有第二安装槽，第二安装槽的内部设置有驱动组件，驱动组件的底端贯穿固定板并与滑筒连接，且滑筒的圆周外侧通过法兰连接器与下基座相连接，滑筒的底端设置有自适应吸附组件，固定板的顶部另一端设置有自适应力锁定机械组件；固定板的顶部两侧对称设置有第一通孔，固定板的底部两侧对称设置有若干限位柱，滑筒的圆周内侧开设有与第一通孔相配合的第二通孔，滑筒的顶部外侧开设有若干与限位柱相配合的限位孔，驱动组件包括设置在第二安装槽内部的驱动电机一，驱动电机一的输出端设置有圆柱齿轮，圆柱齿轮的圆周外侧设置有与之相啮合的齿条，齿条远离圆柱齿轮的一侧设置有连接板，连接板的顶端设置有填料端盖，填料端盖的底端两侧对称设置有与滑筒顶端相连接的限位杆，固定板的顶部两侧且位于两组限位杆之间设置有微动开关，自适应吸附组件包括设置在滑筒内底部的球头座，且球头座的顶端穿插设置在第二通孔的内部，滑筒的内底端开设有第三安装槽，且第三安装槽的内部设置有与球头座相配合的压缩弹簧；球头座的内底部开设有弧形槽，球头座的底部设置有与弧形槽相配合的粘附材料基座，且滑筒、球头座及粘附材料基座之间通过自适应弹簧相连接，粘附材料基座的底端一侧设置有单元接触模块，单元接触模块的内部一侧设置有压力传感pcb板。

6、进一步的，为了能够通过驱动电机二内置的编码器和电流反馈来间接监测和调节线的张力，避免了外部张力或力矩传感器的需要，降低了系统的复杂性和成本，并结合驱动电机二自动调整丝杠螺母的位置，从而卷绕或放松卷线盘上的线，实现两根线之间张力的动态平衡，进而通过简化的配置和增强的可靠性，使其在没有直接力矩测量的情况下，也能实现精确的力矩控制，自适应力锁定机械组件包括设置在固定板顶部一端的卷线盘，卷线盘的圆心位置设置有丝杆，且丝杆的底端与驱动电机二通过电机支架与固定板的底端相连接。

7、根据本发明的另一个方面，还提供了具有刚柔切换且形状自适应的机械手的控制力反馈方法，该具有刚柔切换且形状自适应的机械手的控制力反馈方法包括以下步骤：

8、s1、利用压力传感pcb板采集平面吸附组件与物体接触时的响应数据，并对响应数据进行预处理；

9、s2、从预处理后的响应数据中提取吸附特征，并利用分类算法根据吸附特征判断平面吸附组件与物体接触时的吸附状态；

10、s3、基于吸附状态判断结果评估平面吸附组件与物体接触时的吸附稳定性；

11、s4、根据吸附稳定性的评估结果对平面吸附组件与物体接触时的吸附状态进行持续调整，以获取最优吸附状态。

12、进一步的，从预处理后的响应数据中提取吸附特征，并利用分类算法根据吸附特征判断平面吸附组件与物体接触时的吸附状态包括以下步骤：

13、s21、从响应数据中提取平面吸附组件与物体接触时的力阵列特征，利用特征提取函数提取吸附特征，并对吸附特征进行归一化处理；

14、s22、利用度量学习算法将类别权重作为类间距离转化为softmax分类器中的权重，并构建基于权重引导的类别分类器；

15、s23、在类别分类器的特征空间中设立代理中心点并引入正则化技术加强各类别之间的区分度；

16、s24、设计用于优化类别分类器的损失函数，并将分类损失和中心引导权重损失相结合，计算总识别损失，并基于总识别损失评估类别分类器性能；

17、s25、结合损失函数并通过反向传播算法对类别分类器进行训练，在训练过程中调整分类器参数以最小化总识别损失；

18、s26、利用训练完成后的类别分类器对归一化处理后的吸附特征进行分类，并根据分类结果判断平面吸附组件与物体接触时的吸附状态。

19、进一步的，将类别权重作为类间距离转化为softmax分类器中的权重的表达式为：

20、

21、式中，mind(φ(x)，pc)表示将类别权重作将类间距离转化为softmax分类器中的权重；

22、φ(x)表示力阵列特征；

23、t表示转置；

24、c表示特征类别；

25、pc表示类间距离。

26、本发明的有益效果为：

27、1、本发明通过平面吸附组件在初始化时由驱动电机一驱动圆柱齿轮，并在圆柱齿轮与齿条的配合作用下带动接触前端整体上下移动复位，万向节部分由电机线驱进行复位，使压缩弹簧和自适应弹簧恢复至无预压状态，这种初始化设置确保了机械手在开始操作前处于最佳状态，当平面吸附组件接近待抓取物体时，通过单元接触模块上下运动配合三点式限位光轴保证运动的平稳性，以达到主动柔顺，同时万向节部分由自适应弹簧实现接触面的被动柔顺接触，确保机械手能够温和且准确地抓取物体。

28、2、本发明提供的机械手的控制力反馈方法，能够利用压力传感器数据来确定平面吸附组件与物体之间的最佳的吸附位置和力量，在复杂环境下，如不规则表面或动态变化的工作条件中，能快速响应环境变化，调整机械手的力量输出和形态，以适应不同的操作需求，从而确保抓取过程的稳定性和效率。

29、3、本发明结合刚柔切换特性的创新设计，使机械手能够适应各种形状和大小的物体，特别是在处理不平整或高差较大物体时表现出高度的灵活性，同时借助先进的控制系统和精细的机械结构，柔性机构主导的工作模态施力更加柔和，保证接触过程有较好的顺应性，在完全接触后，机械爪可转变为刚性，实现更好的力传递，满足大负载需求，进而实现对机械手位置和运动的精确控制。

30、4、本发明提供的具有刚柔切换且形状自适应的机械手总体结构相对简单，在保留了高度及形状适应性的同时，通过简洁的结构设计，提供精确的动作控制和自适应弹性，这种简化设计不仅降低了生产成本和维护难度，并且提高了机械手的可靠性和耐用性。