本發(fā)明屬于仿生機(jī)器人領(lǐng)域，涉及一種環(huán)境自適應(yīng)變形的機(jī)器人末端裝置及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著科技的飛速發(fā)展，機(jī)器人在生產(chǎn)制造、醫(yī)療護(hù)理、教育培訓(xùn)等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。然而，如何提升機(jī)器人的感知能力，尤其是足部的力位感知能力，一直是機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。力位感知技術(shù)對于提高機(jī)器人的運(yùn)動穩(wěn)定性、定位精度以及環(huán)境適應(yīng)性具有重要意義。近年來，磁傳感技術(shù)和柔性傳感技術(shù)的發(fā)展為機(jī)器人足部力位感知提供了新的解決方案。磁傳感器利用電磁感應(yīng)原理，可以在不接觸物體的情況下檢測其他參數(shù)，具有較長的使用壽命和高可靠性，而柔性傳感器則以其結(jié)構(gòu)靈活、輕巧、可彎曲以及與多種材料的相容性，使得機(jī)器人能夠更自然地感知周圍環(huán)境，對現(xiàn)有的機(jī)器人足部感知技術(shù)有顯著提升。

2、目前，市場上存在一些利用傳感技術(shù)進(jìn)行力位感知的機(jī)器人末端裝置。這些裝置大多采用傳統(tǒng)的剛性傳感器，如壓力傳感器、力傳感器等，來實現(xiàn)對足部受力的檢測，然而剛性傳感器由于其固定的形狀和尺寸，導(dǎo)致在某些接觸點(diǎn)上無法準(zhǔn)確測量力的大小，且傳統(tǒng)的傳感器較重，對機(jī)器人的運(yùn)動性能和能耗產(chǎn)生不利影響，配套的足部感知系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理方面存在瓶頸，難以實現(xiàn)對大量傳感器數(shù)據(jù)的高效、實時處理。此外，在復(fù)雜多變的工作環(huán)境中，傳統(tǒng)的傳感器可能因振動、沖擊或溫度變化而損壞或失效，影響機(jī)器人的正常運(yùn)行，進(jìn)而大大增加成本。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有機(jī)器人足部感知技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種可靠耐用，能夠隨環(huán)境自適應(yīng)變形，減小重量降低成本且能夠全方位高精度進(jìn)行力位感知的機(jī)器人末端裝置，通過集成磁傳感和柔性傳感技術(shù)，旨在通過集成磁傳感和柔性傳感技術(shù)，提高機(jī)器人的感知能力和運(yùn)動性能。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種環(huán)境自適應(yīng)變形的機(jī)器人末端裝置，其特征在于，包括柔性殼體與設(shè)置在柔性殼體的內(nèi)部的磁源，所述柔性殼體的上端設(shè)置有采集模塊，所述采集模塊上設(shè)置有連接件，所述連接件上設(shè)置有連接口，所述連接口與機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)連接；

4、所述采集模塊集成了控制單元、磁采集單元、電源管理單元，所述控制單元內(nèi)部搭載數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出的程序模塊，數(shù)據(jù)處理模塊包括磁-位-力轉(zhuǎn)化模型。

5、進(jìn)一步地，所述磁-位-力轉(zhuǎn)化模型為通過一種標(biāo)定方法得到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，所述標(biāo)定方法包括以下步驟：

6、s1：實驗準(zhǔn)備：將環(huán)境自適應(yīng)變形的機(jī)器人末端裝置置于具有三軸位置反饋的標(biāo)定平臺上，所述標(biāo)定平臺可為三維移動測試平臺、三維坐標(biāo)機(jī)或機(jī)械臂；

7、s2：力傳感器校準(zhǔn)：在所述標(biāo)定平臺的移動末端安裝一個力傳感器以記錄實際施加的三維力，所述力傳感器需要經(jīng)過校準(zhǔn)，其中力傳感器可為六軸力傳感器、三軸力傳感器或三個單軸力傳感器；

8、s3：多點(diǎn)測量：在所述機(jī)器人末端裝置的不同位置和角度選取若干個測量點(diǎn)，在每個所述測量點(diǎn)施加已知大小和方向的力，記錄相應(yīng)的三維磁感應(yīng)強(qiáng)度；

9、s4：數(shù)據(jù)采集：通過磁采集單元采集每個所述測量點(diǎn)的三維磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，同時記錄力傳感器測得的真實的三維力值和和測量點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)；

10、s5：數(shù)據(jù)處理：將采集到的三維磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)與對應(yīng)的真實的三維力值以及測量點(diǎn)的位置進(jìn)行配對，形成輸入-輸出數(shù)據(jù)集；

11、s6：模型訓(xùn)練：使用所述輸入-輸出數(shù)據(jù)集訓(xùn)練一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，輸入端為磁采集單元測得的三維磁感應(yīng)強(qiáng)度變化，輸出端為對應(yīng)的三維力值和施力位置，采用監(jiān)督學(xué)習(xí)的方法，通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，減小模型預(yù)測的力位與實際力位之間的誤差；

12、s7：模型驗證：將一部分所述輸入-輸出數(shù)據(jù)集用于模型驗證，驗證所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在未見過的數(shù)據(jù)上的表現(xiàn)，通過交叉驗證方法，評估模型的泛化能力和精度；

13、s8：模型優(yōu)化：根據(jù)模型驗證的評估結(jié)果，對所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，或重復(fù)步驟s3-s8并采集更多數(shù)據(jù)以提高模型的精度，或保持不變；使優(yōu)化后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在實際應(yīng)用中能將三維磁感應(yīng)強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)化為真實的三維力值和施力位置。

14、進(jìn)一步地，所述柔性殼體的材質(zhì)為橡膠或硅膠，具體為鉑催化硅橡膠、聚二甲基硅氧烷、或熱可塑性聚氨酯；所述柔性殼體為任意形狀的空腔結(jié)構(gòu)，所述柔性殼體表面還設(shè)置有耐磨層。

15、進(jìn)一步地，所述采集模塊為pcb硬質(zhì)電路板、fpc柔性電路板中的任意一種電路板，所述電路板的形狀為平面、球面、錐面或支架結(jié)構(gòu)。

16、進(jìn)一步地，所述磁源為磁鐵、磁膜中的任意一種。

17、進(jìn)一步地，所述磁采集單元為磁阻傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器、磁感應(yīng)線圈中的任意一種。

18、進(jìn)一步地，所述控制單元為32位單片機(jī)，具體為stm32系列或esp32系列單片機(jī)。

19、進(jìn)一步地，所述柔性殼體內(nèi)部均勻設(shè)置有若干個所述磁源，所述采集模塊還包括若干個磁采集單元，所述磁采集單元設(shè)置在所述電路板中。

20、進(jìn)一步地，所述柔性殼體上設(shè)置有氣管，并通過所述氣管與外部的氣泵連接，所述氣泵與所述控制單元電性連接,用以調(diào)節(jié)所述柔性殼體內(nèi)部空腔的氣壓。

21、本發(fā)明還提供一種上述環(huán)境自適應(yīng)變形的機(jī)器人末端裝置的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

22、步驟1：稱取硅膠材料，攪拌1-2分鐘，將混合后的硅膠材料放入真空泵抽真空并靜置2-3分鐘后排氣；排氣結(jié)束后將模具稍作傾斜，通過澆筑孔向模具中注入硅膠材料，然后在45℃下加熱1小時后，脫模，得柔性殼體；

23、步驟2：將磁源安裝在柔性殼體的底部凹槽內(nèi)，填充硅膠粘接劑并剔除多余部分，靜置12分鐘固化，然后在柔性殼體上涂抹酸性粘接劑，與采集模塊貼合完成連接，再利用螺釘和螺母固定安裝連接件。

24、本發(fā)明的有益效果在于：

25、1柔性殼體容易與不規(guī)則地面共形：在接觸不規(guī)則或復(fù)雜表面時進(jìn)行形狀調(diào)整，提升機(jī)器人在不同地形上的穩(wěn)定性。

26、2接觸面積相較于實心末端裝置大：較大的接觸面積能夠分散機(jī)器人足部的壓力，減少局部應(yīng)力集中，從而降低機(jī)器人在軟質(zhì)或松散地面上陷入或損壞的風(fēng)險。

27、3摩擦力增大，減少打滑：由于柔性殼體在接觸面上具有更大的接觸面積，同時橡膠材料本身具有較高的摩擦系數(shù)，這兩點(diǎn)結(jié)合使得摩擦力增大。

28、4通過彈性變形達(dá)到一定減振效果：空心殼體結(jié)構(gòu)能夠更有效地吸收和緩解外部沖擊和振動。

29、5質(zhì)量小于實心球體：末端裝置作為爬行機(jī)器人末端機(jī)構(gòu)，擁有較小的質(zhì)量可以減小爬行機(jī)器人末端慣量，提高機(jī)器人電機(jī)等裝置的工作壽命。

30、綜上所述，本發(fā)明通過采用輕量化的傳感器減輕了機(jī)器人的負(fù)載，提高了機(jī)器人的運(yùn)動效率，降低了成本；通過設(shè)置柔性殼體使機(jī)器人受載時足部可發(fā)生自適應(yīng)變形，提高了機(jī)器人的穩(wěn)定性，并確保其在各種地形和姿態(tài)下都能平穩(wěn)運(yùn)動并提供準(zhǔn)確的感知數(shù)據(jù)，這種靈活性大大提高了機(jī)器人在不同場景下的適應(yīng)性和操作性能。

31、本發(fā)明還通過結(jié)合磁傳感和柔性傳感技術(shù)，使機(jī)器人末端裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對足部接觸位置和受力的感知，并通過強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力能夠?qū)崟r融合和優(yōu)化來自不同傳感器的數(shù)據(jù)，從而提供更準(zhǔn)確、更及時的感知信息，這不僅有助于提升機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定性和運(yùn)動性能，還能為其提供更準(zhǔn)確的導(dǎo)航和定位能力。

32、上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本發(fā)明的較佳實施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。