一种适用于非结构化环境下进行物理交互的末端执行器

摘要

本发明公开了一种适用于非结构化环境下进行物理交互的末端执行器，末端执行器的驱动机构驱动末端执行器手指做夹持运动，末端执行器手指为第一基本单元、第二基本单元、一个第一基本单元和多个第二基本单元的叠合、或多个第二基本单元的叠合；第一基本单元的第一上层结构包含一个第一节点，第一下层结构包含至少三个不共线的第二节点，第一节点和所有第二节点通过连杆构成三维网络结构；第二基本单元的第二上层结构包含至少两个第三节点，第二下层结构包含至少两个第四节点，至少两个第四节点与至少两个第三节点不共面，所有第三节点和所有第四节点通过连杆构成三维网络结构。当夹持目标物品时，末端执行器手指与外部环境几何结构产生自适应性。

权利要求

1.一种适用于非结构化环境下进行物理交互的末端执行器，其特征在于，包括：末端执行器本体、驱动机构和两个末端执行器手指；

所述驱动机构安装在所述末端执行器本体上，两个所述末端执行器手指安装在所述驱动机构上，所述驱动机构驱动所述末端执行器手指做夹持运动；

所述末端执行器手指的网络结构采用空间三维网络结构，所述空间三维网络结构基于节点的位置并采用连杆在空间中进行有序组合；

所述末端执行器手指的空间三维网络结构为一个第一基本单元或一个第二基本单元或一个第一基本单元和多个第二基本单元的叠合或多个第二基本单元的叠合；其中：所述第一基本单元包括第一上层结构和第一下层结构，所述第一上层结构包含一个第一节点，所述第一下层结构包含至少三个第二节点，至少三个所述第二节点不共线；所述第一节点和所有所述第二节点通过连杆构成三维网络结构，所述连杆连接在两个所述第二节点之间或所述第一节点与第二节点之间；

所述第二基本单元包括第二上层结构和第二下层结构，所述第二上层结构包含至少两个第三节点，所述第二下层结构包含至少两个第四节点，至少两个所述第四节点与至少两个所述第三节点不共面；所有所述第三节点和所有所述第四节点通过连杆构成三维网络结构，所述连杆连接在两个所述第三节点之间、两个所述第四节点之间或所述第三节点与第四节点之间；

连接点处实现连杆间连接的方式包括结构固接、铰链连接或球铰连接。

2.如权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，所述驱动机构为直线运动的滑块驱动机构，或旋转运动的多连杆驱动机构。

3.如权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，所述连杆为中空柔性杆。

4.如权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，任一所述第二节点和与之距离最近的第二节点通过所述连杆连接；

基于就近原则，所述第一节点和一个或多个第二节点通过所述连杆连接。

5.如权利要求4所述的末端执行器，其特征在于，任一所述第二节点和与之未连接的一个或多个第二节点通过所述连杆连接；

所述第一节点和与之未连接的一个或多个第二节点通过所述连杆连接。

6.如权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，任一所述第三节点和与之距离最近的第三节点通过所述连杆连接；

任一所述第四节点和与之距离最近的第四节点通过所述连杆连接；

基于就近原则，一个或多个所述第三节点和一个或多个第四节点通过所述连杆连接。

7.如权利要求6所述的末端执行器，其特征在于，任一所述第三节点和与之未连接的一个或多个第三节点通过所述连杆连接；

任一所述第四节点和与之未连接的一个或多个第四节点通过所述连杆连接；

任一所述第三节点和与之未连接的一个或多个第四节点通过所述连杆连接。

8.如权利要求1‑7中任一项所述的末端执行器，其特征在于，还包括：传感系统；

所述传感系统包括：光源器件、光敏器件和光信号处理器，所述光源器件、光敏器件和光信号处理器安装在所述末端执行器本体或驱动机构上；

所述光源器件发出的光经光路入口进入所述连杆的中空通道中，并经光路出口传输至所述光敏器件；

所述光信号处理器对所述光源器件和光敏器件的光信号进行处理，转化为所述末端执行器手指的形变信号，实现传感功能。

9.如权利要求8所述的末端执行器，其特征在于，所述连杆的中空通道中内嵌单根或多根光纤回路；

所述光源器件发出的光经光路入口进入所述光纤回路中，并经光路出口传输至所述光敏器件处；

所述光信号处理器对所述光源器件和光敏器件的光信号进行处理，转化为所述末端执行器手指的形变信号，实现传感功能。

说明书

一种适用于非结构化环境下进行物理交互的末端执行器

技术领域

[0001] 本发明涉及机器人设计技术领域，具体涉及一种适用于非结构化环境下进行物理交互的末端执行器。

背景技术

[0002] 现有机器人常采用刚性材质进行结构设计，在应对结构化环境问题中已经形成较为成熟的设计方法，如工业机器人等，但在应对更加广泛的非结构化环境交互时，该设计方法仍具有较大的局限性，往往需要采用较为复杂的机械结构、传动部件、驱动部件等实现复杂的运动功能，在这个过程中，机器人结构的自适应性成为一个重要的设计问题。

[0003] 通常具有较高环境适应性的机器人可以借助单一结构或仅通过少量改动即可在更加广泛的应用场景下，特别是非结构化环境下，实现各种复杂的功能，这是机器人自适应性的一个重要体现。

[0004] 现有机器人的末端执行器(机械爪)设计中，一种极限的设计方法是仿造人手的灵活结构，但这将引入类似人手肌肉一样多达几十个驱动器和零件、通过复杂的运动控制才能实现类似的功能(如Shadow Robotics生产的人工气动肌肉驱动的机械手)，这类机器人往往结构复杂且造价昂贵，具有自适应性的机械手希望可以通过较少的驱动(如仅一个驱动器)，较少的零件，以适用于各种不同几何形状物体的稳定抓取，以及更加复杂的物理环境(如水下、无尘等环境)。

[0005] 为了应对以上问题，现有技术往往通过集成更加复杂的机械结构、驱动方式、传感器件以及控制方法等，实现可以应对以上困难的机器人设计。这类设计往往存在结构复杂、造价昂贵、零件繁多、空间狭小、控制复杂、在特种环境下保护困难等多方面的困难，而提出一个具有通用自适应性的机器人设计方法仍是目前在应对非结构化环境下特殊应用需求的机器人设计领域的一大挑战。

发明内容

[0006] 针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种适用于非结构化环境下进行物理交互的末端执行器。

[0007] 本发明公开了一种适用于非结构化环境下进行物理交互的末端执行器，包括：末端执行器本体、驱动机构和两个末端执行器手指；

[0008] 所述驱动机构安装在所述末端执行器本体上，两个所述末端执行器手指安装在所述驱动机构上，所述驱动机构驱动所述末端执行器手指做夹持运动；

[0009] 所述末端执行器手指的网络结构采用空间三维网络结构，所述空间三维网络结构基于节点的位置并采用连杆在空间中进行有序组合。

[0010] 作为本发明的进一步改进，所述空间三维网络结构为第一基本单元、第二基本单元、一个第一基本单元和多个第二基本单元的叠合、或多个第二基本单元的叠合；其中：

[0011] 所述第一基本单元包括第一上层结构和第一下层结构，所述第一上层结构包含一个第一节点，所述第一下层结构包含至少三个第二节点，至少三个所述第二节点不共线；所述第一节点和所有所述第二节点通过连杆构成三维网络结构，所述连杆连接在两个所述第二节点之间或所述第一节点与第二节点之间；

[0012] 所述第二基本单元包括第二上层结构和第二下层结构，所述第二上层结构包含至少两个第三节点，所述第二下层结构包含至少两个第四节点，至少两个所述第四节点与至少两个所述第三节点不共面；所有所述第三节点和所有所述第四节点通过连杆构成三维网络结构，所述连杆连接在两个所述第三节点之间、两个所述第四节点之间或所述第三节点与第四节点之间。

[0013] 作为本发明的进一步改进，所述驱动机构为直线运动的滑块驱动机构，或旋转运动的多连杆驱动机构。

[0014] 作为本发明的进一步改进，所述连杆为中空柔性杆。

[0015] 作为本发明的进一步改进，任一所述第二节点和与之距离最近的第二节点通过所述连杆连接；

[0016] 基于就近原则，所述第一节点和一个或多个第二节点通过所述连杆连接。

[0017] 作为本发明的进一步改进，任一所述第二节点和与之未连接的一个或多个第二节点通过所述连杆连接；

[0018] 所述第一节点和与之未连接的一个或多个第二节点通过所述连杆连接。

[0019] 作为本发明的进一步改进，任一所述第三节点和与之距离最近的第三节点通过所述连杆连接；

[0020] 任一所述第四节点和与之距离最近的第四节点通过所述连杆连接；

[0021] 基于就近原则，一个或多个所述第三节点和一个或多个第四节点通过所述连杆连接。

[0022] 作为本发明的进一步改进，任一所述第三节点和与之未连接的一个或多个第三节点通过所述连杆连接；

[0023] 任一所述第四节点和与之未连接的一个或多个第四节点通过所述连杆连接；

[0024] 任一所述第三节点和与之未连接的一个或多个第四节点通过所述连杆连接。

[0025] 作为本发明的进一步改进，还包括：传感系统；

[0026] 所述传感系统包括：光源器件、光敏器件和光信号处理器，所述光源器件、光敏器件和光信号处理器安装在所述末端执行器本体或驱动机构上；

[0027] 所述光源器件发出的光经光路入口进入所述连杆的中空通道中，并经光路出口传输至所述光敏器件；

[0028] 所述光信号处理器对所述光源器件和光敏器件的光信号进行处理，转化为所述末端执行器手指的形变信号，实现传感功能。

[0029] 作为本发明的进一步改进，所述连杆的中空通道中内嵌单根或多根光纤回路；

[0030] 所述光源器件发出的光经光路入口进入所述光纤回路中，并经光路出口传输至所述光敏器件处；

[0031] 所述光信号处理器对所述光源器件和光敏器件的光信号进行处理，转化为所述末端执行器手指的形变信号，实现传感功能。

[0032] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：

[0033] 本发明末端执行器(机械爪)的手指采用空间三维网络结构，该空间三维网络结构基于节点的位置并采用连杆在空间中进行有序组合；当末端执行器抓取并夹持目标物品时，三维网络结构的连杆在空间中进行凹陷式形变，形成与外部环境几何结构的自适应性，从而使末端执行器实现非结构化环境下的物理交互；

[0034] 在此之上，本发明可直接利用连杆的中空结构作为光路或内嵌单根或多根光纤回路，通过光信号处理器测量通光量的变化检测连杆的物理形变量，从而使末端执行器在交互时实现非结构化环境的物理感知。

附图说明

[0035] 图1为本发明一种实施例公开的末端执行器的结构示意图；

[0036] 图2为本发明另一种实施例公开的末端执行器的结构示意图；

[0037] 图3为本发明一种实施例公开的第一基本单元的结构示意图；

[0038] 图4为本发明一种实施例公开的第二基本单元的结构示意图；

[0039] 图5为本发明一种实施例公开的末端执行器手指的网络结构示意图；

[0040] 图6为本发明另一种实施例公开的末端执行器手指的网络结构示意图；

[0041] 图7为本发明一种实施例公开的传感系统的侧视剖视图；

[0042] 图8为本发明一种实施例公开的物品X与第一基本单元接触前后的自适应形变示意图；

[0043] 图9为图8中第一基本单元对物品X自适应调整后的示意图；

[0044] 图10为本发明另一种实施例公开的物品X与第一基本单元接触前后的自适应形变示意图；

[0045] 图11为本发明一种实施例公开的物品X与末端执行器手指接触后的自适应形变示意图。

[0046] 图中：

[0047] A、末端执行器本体；B、驱动机构；C、末端执行器手指；

[0048] 1、第一节点；2、第二节点；3、第三节点；4、第四节点；5、连杆；6、光源器件；7、光敏器件；8、光信号处理器；9、光路入口；10、光路出口；11、可导入侧面连杆的光路开口；12、形变信号。

具体实施方式

[0049] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0050] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0051] 在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0052] 下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

[0053] 如图1、2所示，本发明提供一种适用于非结构化环境下进行物理交互的末端执行器，末端执行器也称为机械爪，常安装于机械手臂的末端法兰，用于机器人与物理场景的实际物理交互，功能类似人手，即末端执行器(机械爪)的手指；末端执行器包括：末端执行器本体A、驱动机构B和两个末端执行器手指C；其中：

[0054] 本发明的驱动机构B安装在末端执行器本体A上，两个末端执行器手指C安装在驱动机构B上，驱动机构B驱动两个末端执行器手指C做夹持运动。

[0055] 本发明的驱动机构B可选用直线运动的滑块驱动机构，也可选用旋转运动的多连杆驱动机构。具体的：

[0056] 当驱动机构B选用直线运动的滑块驱动机构时：

[0057] 如图1所示，本发明的末端执行器为一种常见的平行二指机器爪，其中机械爪的手掌部分装有两个可以提供反向直线运动的滑块，可以直接将末端执行器手指C安装在两滑块的法兰上作为机械爪的手指，当两个滑块产生相对直线运动时，即可对所夹持的目标物品产生自适应性形变，同时达到稳定夹取的效果，可以通过该末端执行器手指C自身的扭转形变以及自身的三维结构，在二维驱动下实现三维自适应性以及稳定夹取的效果，而传统设计下的此类机械爪往往需要通过增加手指数量的方式实现三维夹取。

[0058] 当驱动机构B选用旋转运动的多连杆驱动机构时：

[0059] 如图2所示，本发明的末端执行器为另一种常见的连杆式二指机械爪，其中机械爪的上的旋转驱动通过一个多连杆机构传递至末端法兰，可以直接将末端执行器手指C安装在两法兰上作为机械爪的手指，当两个法兰产生相对转动运动时，即可对所夹持的目标物品产生自适应性形变，同时达到稳定夹取的效果，有的此类机械爪的旋转驱动法兰上安装有额外的旋转驱动使其可以绕自身法兰法向旋转，通过调整至适当的角度以提高对所夹持物品几何外形的适应性，借助末端执行器手指C的网络结构，可以通过该网络结构自身的扭转形变以及自身的三维结构，实现三维自适应性及运动稳定效果，减少所需要的驱动器数量。

[0060] 同时，本发明的驱动机构除上述两种形式外，还可采用其他可实现同等功能的驱动机构。

[0061] 本发明的末端执行器手指C的网络结构为第一基本单元、第二基本单元、一个第一基本单元和多个第二基本单元的叠合、或多个第二基本单元的叠合；其中，图1中示出的末端执行器手指C的网络结构为一个第一基本单元和多个第二基本单元的叠合，图2中示出的末端执行器手指C的网络结构为多个第二基本单元的叠合；同时，末端执行器手指C的网络结构还可采用一个第一基本单元的结构形式或一个第二基本单元的结构形式。

[0062] 具体的：

[0063] 如图3所示，本发明的第一基本单元包括第一上层结构和第一下层结构；

[0064] 第一上层结构包含一个第一节点(A)1；第一下层结构包含至少三个不共线的第二节点2，不共线的第二节点2保证第一节点1与第二节点2连接后形成的是空间三维网络结构，而不是平面网络结构；

[0065] 第一节点1和所有第二节点2通过连杆5构成三维网络结构，连杆5为中空柔性杆(即具有较高杨氏模量以及形变比例弹性或超弹性材料)，也可采用符合需求的其他实心杆件，优选采用中空柔性杆；当选用实心杆件时可在实心杆件上设置供光路通过的通道；连杆5连接在两个第二节点2之间或第一节点1与第二节点2之间。其中，本发明的所有节点(包含第一节点和第二节点)连接成一整体，并不对第一节点1与第二节点2的具体连接方式进行限定，第一节点1与第二节点2的具体连接方式可根据不同的需求进行设计。

[0066] 如图3所示，本发明示出了下层为3个第二节点(a/b)、4个第二节点(a/b/c)以及n个第二节点(a/b/c/…/n)的第一基本单元结构；其中：

[0067] 优选的，本发明在上层结构中，若本层内仅一个节点则在本层之内无连杆连接；在下层结构中，任一第二节点通常和与之距离最近的第二节点通过连杆连接。在上下两层结构中，基于就近原则，第一节点通常和一个或多个第二节点通过连杆连接。

[0068] 进一步优选的，本发明可根据不同场景的实际设计需要，在下层结构中，任一第二节点和与之未连接的一个或多个第二节点通过连杆连接；在上下两层结构中，第一节点和与之未连接的一个或多个第二节点通过连杆连接。

[0069] 如图4所示，本发明的第二基本单元包括第二上层结构和第二下层结构；

[0070] 第二上层结构包含至少两个第三节点3；

[0071] 第二下层结构包含至少两个第四节点4，至少两个第四节点4与至少两个第三节点3不共面；

[0072] 所有第三节点3和所有第四节点4通过连杆5构成三维网络结构，连杆5为中空柔性杆，连杆5连接在两个第三节点3之间、两个第四节点4之间或第三节点3与第四节点4之间。其中，本发明的所有节点(包含第三节点和第四节点)连接成一整体，并不对第三节点3与第四节点4的具体连接方式进行限定，第三节点3与第四节点4的具体连接方式可根据不同的需求进行设计。

[0073] 优选的，本发明在上层结构中，任一第三节点和与之距离最近的第三节点通过连杆连接；在下层结构中，任一第四节点和与之距离最近的第四节点通过连杆连接；在上下两层结构中，基于就近原则，一个或多个第三节点和一个或多个第四节点通过连杆连接。

[0074] 进一步优选的，本发明可根据不同场景的实际设计需要，在上层结构中，任一第三节点和与之未连接的一个或多个第三节点通过连杆连接；在下层结构中，任一第四节点和与之未连接的一个或多个第四节点通过连杆连接；在上下两层结构中，任一第三节点和与之未连接的一个或多个第四节点通过连杆连接。

[0075] 更进一步优选的，需要指出的是，此类基本结构单元也可视为前述基本结构单元的一种特例，即两个具有相同下层节点构型但不同单一上层节点构型的基本单元之间的组合。此时，可以通过连接这两个基本单元的单一上层节点，同时去除其他与该上层节点相连但长度更长的连杆的方式进行结构简化，避免连杆交错的结构。

[0076] 如图4所示，本发明示出了上层为2个第三节点(A/B)、下层为2个第四节点(a/b)，上层为2个第三节点(A/B)、下层为3个第四节点(a/b/c)，上层为2个第三节点(A/B)、下层为4个第四节点(a/b/c/d)，上层为3个第三节点(A/B/C)、下层为3个第四节点(a/b/c)，上层为
4个第三节点(A/B/C/D)、下层为4个第四节点(a/b/c/d)的第二基本单元结构；其中：

[0077] 如图4a所示的【四边形式】ABab构型，通过类似前述第一种具体示例中的分析方法可知该基本结构单元可以实现对以物品X为例的外部环境的自适应性包覆和运动稳定效果；

[0078] 如一种如图4b所示的【双三边双四边式】ABabc构型，可以等效为两个【四面体式】基本结构单元Aabc和Babc通过下层abc的叠加形成的一个复合结构单元，然后将上层的两个节点A和B进行连接，由于A与a和b的空间距离较近，而B仅与c的空间距离较近，则可以通过去除Ac，Ba，Bb这三根连杆的方式完成结构简化，避免连杆交错的结构，通过类似前述分析可知该基本结构单元可以实现对以物品X为例的外部环境的自适应性包覆和运动稳定效果。

[0079] 如另一种如图4c所示的【单四边四三边式】ABabc构型，可以等效为两个【四面体式】基本结构单元Aabc和Babc通过下层abc的叠加形成的一个复合结构单元，但Ac和Bc的空间距离基本相等，Aa和Bb的空间距离也基本相等，此时可以通过去除Ab、Ba的方式完成结构简化，避免连杆交错的结构，该构型还可以视为是一个以c为第一层，ABba为第二层的金字塔型基本结构单元，通过类似前述分析可知该基本结构单元可以实现对以物品X为例的外部环境的自适应性包覆和运动稳定效果。

[0080] 如另一种如图4d所示【三四边双三边式】ABabcd构型，可以等效为两个【金字塔式】基本结构单元Aabcd和Babcd通过下层abcd的叠加形成一个复合结构单元，但Aa和Ab的空间距离基本相等，Bc和Bd的空间距离也基本相等，此时可以通过去除Ac、Ad、Ba、Bb的方式完成结构简化，避免连杆交错的结构，通过类似前述分析可知该基本结构单元可以实现对以物品X为例的外部环境的自适应性包覆和运动稳定效果。

[0081] 其他情况可根据以上分析以此类推获得其他基本网络结构单元。

[0082] 此类基本结构单元的另一个特例是当上下两层包含相同数量的连接节点，每层内仅需通过连杆依次连接各相邻节点形成单一闭环结构，两层间通过连杆依次连接对应节点形成三维网络结构，且每层内的各节点可不共面。

[0083] 如图4e所示【双层三边式】ABCabc构型，上下两层分别包含三个连接节点；

[0084] 如图4f所示【双层四边式】ABCDabcd构型，上下两层分别包含四个连接节点。

[0085] 如图5所示，在上述第一基本单元与第二基本单元基础上，本发明所设计的末端执行器手指的网络结构可通过采用一个第一基本单元与多个第二基本单元组合堆叠的方式，每层基本结构单元可分别对物品X的不同位置的几何尺寸进行相应的凹陷式形变，通过每层基本结构的自适应性和运动稳定效果的叠加，包括网络结构通过扭转形变产生的自适应性包覆和运动稳定效果，综合提升整体空间网络结构对外部环境的自适应性包覆和运动稳定效果，本发明所涉及的末端执行器手指的空间网络结构的一个显著特点是可以从任意侧向角度实现对外部环境进行几何结构自适应以及运动稳定：

[0086] 如图5a所示【多层四面体式】结构：包含顶层的【四面体式】基本结构单元以及底部的多个双层【三边式】基本结构单元组成；

[0087] 如图5b所示【多层金字塔式】结构：包含顶层的【金字塔式】基本结构单元以及底部的多个双层【四边式】基本结构单元组成；

[0088] 根据不用场景的实际需求，可根据本发明所描述的设计方法进行相应的结构设计，实现末端执行器手指对外部环境的结构自适应性和运动稳定效果。

[0089] 优选的，本发明根据不同场景的实际设计需要，每个连杆的几何形状，可以是一般直线，也可以是某种特殊设计的复杂曲线，每个连杆的截面形状可以是圆形、方形或其他任意截面形状。

[0090] 优选的，每个连杆采用具有一定弹性的材料，即在外力作用下可产生可被检测到的弹性形变，任意连杆内部可采用中空结构，通过检测杆件内部的通光量，实现对杆件弹性形变的感知。

[0091] 优选的，根据不同场景的实际设计需要，连接节点处实现连杆间连接的方式可以是一般的结构固接(无自由度即连杆间无相对运动自由度)、铰链连接(一个自由度即连杆间有一个相对转动的运动自由度)、球铰连接(三个自由度即连杆间有两个相对转动加一个绕轴自旋的运动自由度)等多种连接方式。

[0092] 如图6所示，在上述基本单元基础上，本发明所设计的末端执行器手指的空间网络结构可通过采用多个第二基本结构组合堆叠的方式，每层基本结构单元可分别对物品X的不同位置的几何尺寸进行相应的凹陷式形变，通过每层基本结构的自适应性和运动稳定效果的叠加，包括网络结构通过扭转形变产生的自适应性包覆和运动稳定效果，综合提升整体空间网络结构对外部环境的自适应性包覆和运动稳定效果，本发明所涉及的末端执行器手指的空间网络结构的一个显著特点是可以从任意侧向角度实现对外部环境进行几何结构自适应以及运动稳定：

[0093] 如图6a所示【一种多层复合式】结构：包含顶层的【单四边三三边式】基本结构单元以及底部的多个双层【三边式】基本结构单元组成；

[0094] 如图6b所示【另一种多层复合式】结构：包含顶层的【三四边双三边式】基本结构单元以及底部的多个双层【四边式】基本结构单元组成；

[0095] 根据不用场景的实际需求，可根据本发明所描述的设计方法进行相应的结构设计，实现机器人本体对外部环境的结构自适应性和运动稳定效果，这一方法可实现的多样化机器人结构。

[0096] 优选的，本发明根据不同场景的实际设计需要，每个连杆的几何形状，可以是一般直线，也可以是某种特殊设计的复杂曲线，每个连杆的截面形状可以是圆形、方形或其他任意截面形状。

[0097] 优选的，每个连杆采用具有一定弹性的材料，即在外力作用下可产生可被检测到的弹性形变，任意连杆内部可采用中空结构，通过检测杆件内部的通光量，实现对杆件弹性形变的感知。

[0098] 优选的，根据不同场景的实际设计需要，连接节点处实现连杆间连接的方式可以是一般的结构固接(无自由度即连杆间无相对运动自由度)、铰链连接(一个自由度即连杆间有一个相对转动的运动自由度)、球铰连接(三个自由度即连杆间有两个相对转动加一个绕轴自旋的运动自由度)等多种连接方式。

[0099] 本发明可以通过采用具有内部光路的柔性杆件(即具有较高杨氏模量以及形变比例弹性或超弹性材料)，当杆件产生形变时，通过测量其光路内或光路内部如光纤的通光介质的通光量变化实现对杆件形变量的计量，从而实现末端执行器手指在交互时对物理环境的感知。

[0100] 具体的：

[0101] 如图7所示，其所示的结构为基本单元中侧面三角的剖视图；本发明提供一种末端执行器的传感系统，包括：光源器件6、光敏器件7和光信号处理器8，光源器件6、光敏器件7和光信号处理器8安装在末端执行器本体或驱动机构上；其中：

[0102] 末端执行器手指的连杆上设有光路入口9和光路出口10，并在连接点处设有可导入侧面连杆的光路开口11；光源器件6、光敏器件7与光信号处理器8相连，光源器件6置于光路入口9处，光敏器件7置于光路出口10处。

[0103] 使用时，光源器件6发出的光经光路入口9进入连杆5的中空通道中，并经光路出口10传输至光敏器件7；光信号处理器8对光源器件6和光敏器件7的光信号进行处理，转化为末端执行器手指的形变信号12，实现传感功能。

[0104] 进一步，本发明传感系统光路具体的走向可根据实际需求具体设计，底部有光路出入口并连接至机器人底座部分，光源器件可采用发光二极管，光敏器件可采用光敏传感器。

[0105] 本发明还提供另一种末端执行器的传感系统，包括：光源器件6、光敏器件7和光信号处理器8，光源器件6、光敏器件7和光信号处理器8安装在末端执行器本体或驱动机构上；其中：

[0106] 末端执行器手指的连杆上设有光路入口9和光路出口10，连杆5的中空通道中内嵌单根或多根光纤回路；并在连接点处设有可导入侧面连杆的光路开口11；光源器件6、光敏器件7与光信号处理器8相连，光源器件6置于光路入口9处，光敏器件7置于光路出口10处。

[0107] 使用时，光源器件6发出的光经光路入口9进入光纤回路中，并经光路出口10传输至光敏器件7；光信号处理器8对光源器件6和光敏器件7的光信号进行处理，转化为末端执行器手指的形变信号，实现传感功能。

[0108] 进一步，本发明传感系统光路具体的走向可根据实际需求具体设计，底部有光路出入口并连接至机器人底座部分，光源器件可采用发光二极管，光敏器件可采用光敏传感器。

[0109] 实施例：

[0110] 本发明以第一基本单元为例对自适应过程进行说明，第二基本单元的自适应过程的原理同第一基本单元一致。

[0111] 本发明第一基本单元的自适应过程为：

[0112] 本发明以图3中Aabc为例，当受到来自具有一定三维几何尺寸物品X的外部环境作用力时，与物品X接触的边分别产生不同程度的弹性形变对物品X的三维几何尺寸形成空间包覆，实现几何形状的自适应性。

[0113] 如图8所示，具有一定空间几何形状的外部环境物品X在【四面体式】的一个三边形Abc中间的空白区域内；

[0114] 产生接触前，物品X与【四面体式】基本结构单元的相对合运动方向沿虚线箭头所指，虚线箭头指向【四面体式】基本结构单元的一个三边形Abc中间空白区域内；

[0115] 产生接触后，物品X与【四面体式】基本结构单元的三边形Abc产生接触，三边形Abc产生相应的弹性形变；即，原始的连接节点A、b、c分别向内侧产生一定量的位移至A’、b’、c’位置，三根杆件通过产生的弹性形变实现对物品X几何尺寸的适应性。

[0116] 如图9所示，在图8所示接触后示意图的情况中，可能由于虚线箭头所表示的作用力不均，加上A’点额外受到来自杆件A’a的限制，使得三边形A’bc产生绕杆件A’a的旋转，造成整个【四面体式】基本结构单元的扭转运动，所产生的整体形变进一步加强对物品X几何结构的适应性，当图示三个箭头所示各力瞬时均等式，实现对物品X运动稳定的效果。

[0117] 如图10所示，具有一定空间几何形状的外部环境物品X在【四面体式】的位置几乎均匀分布在其三边形Abc和三边形Aac区域内。

[0118] 产生接触前，物品X与【四面体式】基本结构单元的相对合运动方向沿虚线箭头所指，此时由于物品X相对【四面体式】基本结构单元几乎同时均匀分布在其三边形Abc和三边形Aac区域内，即虚线箭头主要指向杆件Ac方向；

[0119] 产生接触后，物品X与【四面体式】基本结构单元的杆件Ac产生接触，杆件Ac产生相应的弹性形变；即，物品X主要与杆Ac产生接触，使得杆Ac产生弹性形变形成对物品X几何尺寸的适应性，原始的连接节点A、c分别向内侧产生一定量的位移至A’、c’位置。

[0120] 同时，基于图9的原理，本发明当物品X的对该构型不同连杆作用力不均时，会对其所施加力的那一面形成扭转作用，使得整个【四面体式】构型也随之扭转，进一步加强对物品X的自适应性几何包覆，进而实现对物品X的运动稳定。

[0121] 上述仅示出了【四面体式】的末端执行器手指，当下层连接节点数量超过三个时，采用类似以上方法所形成的【多面体式】网络构型可以视作是多个上述【四面体式】基本构型的叠加，即将下层的连接节点按照三个一组进行分割，分别形成不同的【四面体式】基本构型，然后在共用的连杆处进行重叠叠加，组合成对应的【多面体式】复合网络构型，可通过类似以上方法实现对以物品X为例的外部环境的自适应性包覆和运动稳定效果。

[0122] 本发明第二基本单元的自适应过程为：

[0123] 上述仅示出了第一基本单元网络结构，当以第二基本单元为例时，即当上层连接节点数量为多个时，采用类似以上方法所形成的【多面体式】网络构型可以视作是多个上述【四面体式】基本构型的叠加；其也可通过类似以上方法实现对以物品X为例的外部环境的自适应性包覆和运动稳定效果。

[0124] 如图11所示，以一个如图5b的多层金字塔式网络结构为例，当受到外部环境物品X来自不同角度的作用时，本发明所涉及的网络结构产生的自适应性形变，其中a图为网络结构Aabcd的实物模型，b图为当物品X主要从侧面Aab作用时产生的自适应性形变，c图为当物品X主要从靠近Ab杆件作用时产生的自适应性形变，此时整个网络结构产生逆时针扭转使接触面自适应为侧面Aab，d图为当物品X主要从靠近Aa杆件作用时产生的自适应性形变，此时整个网络结构产生顺时针扭转使接触面自适应为侧面Aab。

[0125] 以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。