本發(fā)明屬于機器人和人工智能領域，特別是涉及一種具備抓取功能的機器人智能末端執(zhí)行器及控制系統(tǒng)。

背景技術：

隨著機器人技術的飛速發(fā)展，其應用領域日益擴大。作為機器人與環(huán)境相互作用的執(zhí)行部件，末端執(zhí)行器對機器人智能化水平和作業(yè)水平的提高具有十分重要的作用。機器人的末端執(zhí)行器，在不同的領域有不同的名稱，工業(yè)機器人上它被稱為機械臂，其抓取方式單一，缺少靈活性。類人手的機器人末端執(zhí)行器從3指發(fā)展到了更符合人體工學的5指，自由度也不斷的增加，驅動和傳動方式也各式各樣?，F在大部分的類人手的機器人末端執(zhí)行還未有自主識別和深度學習功能，大多是通過數據手套反饋控制信號，進行末端執(zhí)行器的控制。現在還未有通過自主識別，進行自主工作的機器人末端執(zhí)行器。

由于現有的機器人末端執(zhí)行器多基于數據手套，通過電機驅動連桿傳動、電機驅動齒輪鋼絲復合傳動、氣動驅動腱傳動等方式進行驅動和傳動，這些傳動方式存在一些弊端：1、機器人末端執(zhí)行器不能自主識別，進而進行自主抓取，而是通過外部數據手套等控制，進行被動工作；2、由于驅動和傳動方式的限制，機器人末端執(zhí)行器的自由度配置、尺寸、外觀和運動特性等擬人化有限；3、結構、傳感器、驅動以及控制系統(tǒng)集成化程度不高；4、由于驅動和傳動方式的限制，機器人末端執(zhí)行器的抓取力有限，并不能抓取相對較重的物體。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于克服現有技術中機器人末端執(zhí)行器不能自主識別、靈活性不高、擬人化程度有限、體積大、抓取力有限等缺陷，通過使用電機驅動齒輪皮帶傳動的方案，并配置深度學習系統(tǒng)，使本發(fā)明具備如下優(yōu)勢：

1、通過深度學習系統(tǒng)進行自主的物體識別，進行物體預判，從而選擇抓取方案，自主抓取各種具備不同規(guī)則形狀的物體；

2、由于使用電機驅動齒輪皮帶傳動的方式，使得機器人末端執(zhí)行器的自由度更高，可達到17個自由度，手指多達5指，指長95mm，指寬20mm。從外觀、尺寸、自由度配置以及運動特性等更加擬人化；

3、本發(fā)明的機器人末端執(zhí)行器具有位置、力（力矩）、觸覺和溫度等多種感知功能，能更好的與外界環(huán)境交互；

4、由于使用電機驅動齒輪皮帶傳動的方式，使得本發(fā)明的機器人末端執(zhí)行器的驅動力更大，能輕易的拿起鐵塊等重物；

5、驅動器內置于本發(fā)明的機器人末端執(zhí)行器內部，使得本執(zhí)行器的集成化程度更高，且具有模塊化的優(yōu)勢。

為達到上述目的，本發(fā)明是通過下述技術方案實現的：

一種具備抓取功能的機器人智能末端執(zhí)行器及控制系統(tǒng)，包含深度學習系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。

所述的機器人智能末端執(zhí)行器及控制系統(tǒng)，其具備多個可活動關節(jié)和多個分支結構，可模擬人手或動物爪子的抓取動作。

所述的機器人智能末端執(zhí)行器及控制系統(tǒng)，該深度學習系統(tǒng)是一個具備深度學習功能的物體識別算法系統(tǒng)，通過物體識別算法進行物體形狀的預判，進而規(guī)劃末端執(zhí)行器抓取的動作。

所述的機器人智能末端執(zhí)行器及控制系統(tǒng)，該運動控制系統(tǒng)包括基于現場可編程門陣列（fpga）的主控模塊、通信模塊、存儲模塊和數字信號算法處理模塊。

所述的機器人智能末端執(zhí)行器及控制系統(tǒng)，該fpga主控模塊包含一個emif總線接口，用于與數字信號處理器進行通信，將fpga等同于一個掛在數字信號處理器上的傳感器數據存儲器。

所述的機器人智能末端執(zhí)行器及控制系統(tǒng)，該運動控制系統(tǒng)包括一個基關節(jié)控制模塊，該模塊的通信系統(tǒng)是四向通信，包括與指關節(jié)控制模塊進行雙向通信，和與手掌進行雙向通信。

所述的機器人智能末端執(zhí)行器及控制系統(tǒng)，該驅動系統(tǒng)包括一個基于微控制單元（mcu）的指關節(jié)驅動器，該驅動器使用小尺寸的特制電機，采用鋼絲耦合的方式通過一個電機控制多個關節(jié)的驅動。

所述的機器人智能末端執(zhí)行器及控制系統(tǒng)，該通信系統(tǒng)包括一個菊花鏈式的通信系統(tǒng)，該通信系統(tǒng)采用并行處理方式，將多個手指的數據同時傳入主控模塊進行實時的數據融合處理，并將主控模塊的不同控制指令分別分發(fā)給各個手指。

所述的機器人智能末端執(zhí)行器及控制系統(tǒng)，包括一個傳感系統(tǒng)，該傳感系統(tǒng)由觸摸傳感器、力矩傳感器、位置傳感器、溫度傳感器、電流傳感器等多種傳感器構成。

綜上所述，本發(fā)明通過使用電機驅動齒輪皮帶傳動的方案，并配置深度學習系統(tǒng)，使本發(fā)明能夠進行自主的物體識別，進行物體預判，從而選擇抓取方案，從而自主抓取各種具備不同規(guī)則形狀的物體；由于使用電機驅動齒輪皮帶傳動的方式，使得靈巧手的自由度更高，可達到17個自由度，手指多達5指，指長95mm，指寬20mm。從外觀、尺寸、自由度配置以及運動特性等更加擬人化；本發(fā)明具有位置、力（力矩）、觸覺和溫度等多種感知功能，能更好的與外界環(huán)境交互；由于使用電機驅動齒輪皮帶傳動的方式，使得本發(fā)明的驅動力更大，能輕易的拿起鐵塊等重物；驅動器置于末端執(zhí)行器內部，使得本發(fā)明的集成化程度更高，且具有模塊化的優(yōu)勢。

前面所述的為本申請的概述，因此必然有簡化、概括和細節(jié)省略的情況；本領域的技術人員應該認識到，概述部分僅是對本申請的說明，而不應看作是對本申請的任何限定。本說明書中描述的裝置和/或方法和/或其他主題的其他方面、特征和優(yōu)點將會由于本說明書的闡述而變得清晰。概述部分是用來以一種簡化的方式導入多個將在以下具體實施方式部分進一步描述的概念。本概述部分既非用于確定所要求保護主題的關鍵特征或必要特征，也非用來作為確定所要求保護主題的范圍的輔助手段。

附圖說明

通過下面說明書和所附的權利要求書并與附圖結合，就會更加充分地清楚理解本申請的上述和其他特征。應當理解，這些附圖僅是對本申請若干實施方式的描述，不應認為是對本申請范圍的限定，通過附圖，本申請內容將會得到更加明確和詳細地說明。

圖1是機器人智能末端執(zhí)行器的電氣系統(tǒng)總體結構圖。

圖2是末端執(zhí)行器及系統(tǒng)控制流程圖。

具體實施方式

在下面的具體實施方式部分中，結合作為說明書一部分的附圖進行說明。在附圖中，相同/類似的標記通常表示相同/類似的部件，除非說明書中另有說明。具體實施方式、附圖和權利要求書中描述的用來舉例說明的實施方式不應認為是對本申請的限定。在不偏離本申請表述的主題的精神或范圍的情況下，可以采用本申請的其他實施方式，并且可以對本申請做出其他變化。應該很容易理解，可以對本說明書中一般性描述的、附圖中圖解說明的本申請的各個方面進行各種不同構成的配置、替換、組合，設計，而所有這些改變都顯然在預料之中，并構成本申請的一部分。

參考圖1，一種具備抓取功能的機器人智能末端執(zhí)行器，包含深度學習系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)。在電氣系統(tǒng)設計上，本發(fā)明由上到下的以遙操作層、外部命令層、高層控制、通信層、底層控制來布局。遙操作層以深度學習系統(tǒng)和圖形化數控軟件構成。深度學習系統(tǒng)主要是指基于深度學習算法的物體識別算法，它通過物體識別算法進行物體形狀的預判，實現靈巧手多值抓取的規(guī)劃算法。外部命令層為上位機，可以為pc，或arm。高層控制模塊的主要部件是運動控制卡，主要由外部存儲模塊、fpga主控模塊、通信模塊以及數字信號算法處理模塊構成。數字信號算法處理模塊主要進行算法運算。fpga主控模塊主要用于多路多種傳感器的驅動、數據接收、數據處理、數據存儲以及通信。emif總線接口用于與數字信號處理器進行通信，將fpga模塊等同于一個掛在數字信號處理器上的傳感器數據存儲器。通信模塊包括兩個部分，一個是與手掌通信模塊，一個是與上位機通信模塊。上位機通信模塊可用于與其他主控外設，如pc、arm等進行高速通信。傳輸速度可根據實際傳輸要求調節(jié)為10m、100m或者1000m。傳輸協(xié)議可根據通信外設要求設置為tcp或udp等方式。以上調節(jié)均只需通過軟件指令便可調節(jié)，方便實行。在通信層是手掌控制器，主要是指基于fpga的數據處理系統(tǒng)和菊花鏈式的通信系統(tǒng)。菊花鏈式的通信系統(tǒng)通過并行處理方式，將五個手指的數據同時傳入fpga，fpga進行數據融合處理，實時的將五個手指數據傳給運動控制卡。于此同時，手掌控制模塊獲取了運動控制卡傳來的控制指令，通過交互通信協(xié)議，將不同的控制指令分發(fā)給五個手指。形成了獨特的雙向菊花鏈通信架構。在底層控制系統(tǒng)中，包括基關節(jié)控制模塊和指關節(jié)控制模塊?；P節(jié)控制模塊主要是指基于mcu的基關節(jié)驅動器、傳感器系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)?；P節(jié)驅動器主要用于控制基關節(jié)單元內部的電機，從而控制基關節(jié)的彎曲和伸張。傳感器其他主要用于基關節(jié)兩個自由度的位置傳感器數據的收集。通信系統(tǒng)是四向通信，既可以實現與指節(jié)控制模塊的雙向通信，又可以與手掌進行雙向通信。基關節(jié)驅動模塊通過與諧波減速器并排橫置的方式，實現在一個關節(jié)具有兩個運動自由度。通信系統(tǒng)通過使用多傳輸接口的mcu，實現了指節(jié)與基關節(jié)數據的上傳和控制指令的下達。指節(jié)控制模塊主要是指基于mcu的指節(jié)驅動器、傳感系統(tǒng)及通信系統(tǒng)。指節(jié)驅動器主要用于控制手指單元內部的電機，進而控制手指末端的兩個關節(jié)。傳感系統(tǒng)主要用于手指關節(jié)內部的力矩傳感器、位置傳感器、溫度傳感器以及電流傳感器等驅動和數據采集。通信系統(tǒng)是通過高速rs422將手指末端關節(jié)數據傳至基關節(jié)控制模塊。指節(jié)驅動器模塊使用小尺寸的特制電機，使得手指末端尺寸只有20mm。在結構上通過鋼絲耦合的方式實現一個電機控制兩個關節(jié)的傳動。通過使用具有多種接口的mcu，實現了在小尺寸環(huán)境下進行多個傳感器的傳感器數據的高速采集，同時進行高速串行數據傳輸。在整體的通信方式上，手指、手掌以及運動控制卡通過雙向菊花鏈形式通信。通過主控芯片的并行處理特點，將大量高速的手指傳感器數據匯集于手掌，并通過帶寬更大的通信方式，將數據傳給運動控制系統(tǒng)。形成了數據收集的匯集式菊花鏈。運動控制系統(tǒng)給每個手指的控制指令各不相同，根據私有交互通信協(xié)議，將控制指令傳給手掌主控芯片。手掌主控芯片通過并行處理特點，將指令同時發(fā)給五個手指。手指數據的收集和指令下發(fā)均可在同一進程時間內執(zhí)行。如拇指、食指、中指、無名指以小指等多個手指控制模塊在同一個時鐘周期內進行數據采集和反饋，而不是像單片機等通過順序執(zhí)行的方式，第一個進程時間執(zhí)行拇指，第二個進程時間執(zhí)行食指，依次進行。這種菊花鏈式的通信方式在這種多個執(zhí)行模塊情況下極有優(yōu)勢。

參考圖2，末端執(zhí)行器識別并抓取不規(guī)則形狀物體時，機器人自身的攝像頭對三維物體進行識別，獲取物體特征。深度學習系統(tǒng)進行工作，獲取最佳的抓取方案。運動控制卡通過抓取方案，計算出控制指令，并發(fā)給手掌控制模塊。手掌控制模塊將數據發(fā)送給各個手指，進而進行抓取。經測試，末端執(zhí)行器可以成功的拿起大部分的形狀不規(guī)則的物體，而將物體抬高和搖晃過程中也不會輕易將物體弄掉，測試成功率高達百分之八十。

綜上所述，本發(fā)明通過使用電機驅動齒輪皮帶傳動的方案，并配置深度學習系統(tǒng)，使本發(fā)明能夠進行自主的物體識別，進行物體預判，從而選擇抓取方案，自主抓取各種具備不同規(guī)則形狀的物體；由于使用電機驅動齒輪皮帶傳動的方式，使得靈巧手的自由度更高，可達到17個自由度，手指多達5指，指長95mm，指寬20mm。從外觀、尺寸、自由度配置以及運動特性等更加擬人化；本發(fā)明具有位置、力（力矩）、觸覺和溫度等多種感知功能，能更好的與外界環(huán)境交互；由于使用電機驅動齒輪皮帶傳動的方式，使得本發(fā)明的驅動力更大，能輕易的拿起鐵塊等重物；驅動器置于末端執(zhí)行器內部，使得本發(fā)明的集成化程度更高，且具有模塊化的優(yōu)勢。

從系統(tǒng)角度來說，硬件執(zhí)行和軟件執(zhí)行之間區(qū)別不大；采用硬件或者軟件通常(但并非總是，在一些情況下，在硬件和軟件之間進行選擇會很重要)是反映成本/效率權衡的設計選擇。通過其實現本說明書中描述的方法和/或系統(tǒng)和/或其他技術的工具(例如硬件、軟件、和/或固件)有許多，并且，根據方法和/或系統(tǒng)和/或其他技術所處環(huán)境不同，所選擇的工具也可以不同。例如，如果實施者判定速度和準確性至關重要，則該實施者會選擇以硬件和/或固件的工具為主；如果靈活性至關重要，則實施者可能選擇以軟件執(zhí)行為主；實施者也可選擇硬件、軟件和/或固件的某些組合。

前述已通過框圖、流程圖和/或實施例子進行了詳細描述，闡明了本申請裝置和/或方法的不同實施方式。當這些框圖、流程圖和/或實施例包含一個或多個功能和/或操作時，本領域的技術人員會明白，這些框圖、流程圖和/或實施例中的各功能和/或操作可以通過各種硬件、軟件、固件或實質上它們的任意組合而單獨地和/或共同地實施。在一種實施方式中，本說明書中描述的主題的幾個部分可通過特定用途集成電路(asic)、現場可編程門陣列(fpga)、數字信號處理器(dsp)或其他集成形式實現。然而，本領域的技術人員會認識到，本說明書中描述的實施方式的一些方面能夠全部或部分地在集成電路中以在一個或多個計算機上運行的一個或多個計算機程序的形式(例如，以在一個或多個計算機系統(tǒng)上運行的一個或多個計算機程序的形式)、以在一個或多個處理器上運行的一個或多個程序的形式(例如，以在一個或多個微處理器上運行的一個或多個程序的形式)、以固件的形式、或以實質上它們的任意組合的形式等效地實施，并且，根據本說明書中公開的內容，設計用于本申請的電路和/或寫用于本申請的軟件和/或固件的代碼完全是在本領域技術人員的能力范圍之內。另外，本領域的技術人員會認識到，無論用來實際進行分發(fā)的信號承載介質的類型是什么，本說明書中描述的主題的機制能夠以各種形式作為程序產品分發(fā)，并且，本說明書中描述的主題的示例性實施方式均適用。例如，信號承載介質包括但不限于下列：可記錄型介質，如軟盤、硬盤、致密盤(cd)、數字視頻光盤數字多功能盤(dvd)、數字磁帶、計算機存儲器等；傳輸型介質，如數字和/或模擬通訊介質(例如光纜、波導、有線通訊鏈路、無線通訊鏈路等)。

本領域的技術人員會認識到，以本說明書中說明的方式描述裝置和/或方法，然后進行工程實踐以將所描述的裝置和/或方法集成到數據處理系統(tǒng)中，在本領域里是很常見的。也就是說，本說明書中描述的裝置和/或方法中的至少一部分，可通過合理數量的實驗集成到數據處理系統(tǒng)中。本領域技術人員會認識到，典型的數據處理系統(tǒng)通常包括下列中的一個或多個：系統(tǒng)單元殼體、視頻顯示設備、諸如易失性和非易失性存儲器之類的存儲器、諸如微處理器和數字信號處理器之類的處理器、諸如操作系統(tǒng)、驅動程序器、圖形用戶界面及應用程序之類的計算實體、一個或多個諸如觸摸板或觸摸屏之類的交互裝置、和/或包括反饋回路和控制馬達在內的控制系統(tǒng)(如檢測位置和/或速度的反饋；用于移動和/或調節(jié)部件和/或大小的控制馬達)。典型的數據處理系統(tǒng)可以采用任何合適的、能夠通過商業(yè)方法得到的部件(如數據計算/通訊和/或網絡計算/通訊系統(tǒng)中通常會有的那些部件)來實現。

本說明書中描述的主題內容有時會舉例說明這樣的不同部件，這些部件被包含于或連接于不同的其他部件。應當理解，所描述的這些結構僅僅是示例性的，實際上，也可以用許多其他結構來實現同一功能。從概念上來講，用于實現同一功能的任何配置的部件都被有效地“關聯(lián)”以獲得所需功能。因此，本說明書中被組合在一起以實現特定功能的任何兩個部件可視為相互“關聯(lián)”以獲得所需功能，而不論其結構或可能中間部件如何。同樣地，如此關聯(lián)的任何二個部件也可視為相互“可操作地連接”，亦即“可操作地耦合”以實現所需功能，能夠被如此連接的任何兩個部件也可視為相互“能夠可操作地耦合”以實現所需功能。能夠可操作地耦合的具體例子包括但不限于：物理上可耦合的和/或物理上互相作用的部件和/或可無線互相作用的和/或無線互相作用的部件和/或邏輯上互相作用和/或邏輯上可互相作用的部件。

對于本說明書中所用的基本上任何復數和/或單數術語，本領域的技術人員可以將復數解釋為單數和/或將單數解釋為復數，只要這樣做從上下文和/或應用上看是合適的即可。為了清楚起見，在本說明書中可能將各種單數/復數組合明確地表述出來。

本領域技術人員應該明白，一般來說，本申請中，尤其是所附權利要求書(例如，所附權利要求書的正文)中所用的術語通常是“開放式”術語(例如，“包括”一詞應該解釋為“包括但不限于”，“具有”一詞應該解釋為“至少具有”，等等)。本領域技術人員還應該明白，如果意圖是特定數目的所引入的權利要求限定，那么這種意圖會在權利要求中明確地表述出來，如果沒有這種表述，則不存在這種意圖。例如，為了便于理解，下面所附的權利要求書中可使用引導性短語“至少一項”及“一項或多項”來引入權利要求限定。然而，不應將使用這種引導性短語解釋成暗示通過術語“一”引入的權利要求限定，將包含這樣引入的權利要求限定的任何特定權利要求限定為僅包含一項這種限定的申請，即使同一權利要求包含引導性短語“一項或多項”或“至少一項”以及諸如“一”之列的術語(例如，“一”通常應該解釋成這意味著“至少一項”或“一項或多項”)；這同樣適用于使用“所述”、“該”來引述權利要求限定的情況。此外，即使明確表述了特定數目的所引入的權利要求限定，本領域技術人員也應該認識到，這種表述應該解釋成表示至少是所表述的數目(例如，只說“兩項限定”，而沒有其它修飾語，通常是指至少兩項限定，亦即兩項或更多項限定)。此外，在使用類似于“a、b或c等中的至少一個”的習慣性表述的情況下，通常其要表達的意思就是本領域技術人員會就該慣用表述所理解的那樣(例如，“具有a、b或c中的至少一個的系統(tǒng)”將包括但不限于僅具有a的系統(tǒng)、僅具有b的系統(tǒng)、僅具有c的系統(tǒng)、具有a和b的系統(tǒng)、具有a和c的系統(tǒng)、具有b和c的系統(tǒng)和/或具有a、b和c的系統(tǒng)，等等)。本領域技術人員還會明白，實際上任何能夠提供兩個或更多選項的選言詞和/或短語，無論是在說明書中、權利要求書中還是在附圖中，都應該理解為其考慮了包括所述選項中的一個、所述選項中的任一個、或全部二個選項的所有可能性。例如，短語“a或b”應該理解成包括“a”或“b”或者“a和b”的可能性。

本申請中公開了本申請的多個方面和實施方式，本領域的技術人員會明白本申請的其它方面和實施方式。本申請中公開的多個方面和實施方式只是用于舉例說明，并非是對本申請的限定，本申請的真正保護范圍和精神應當以下面的權利要求書為準。