水下柔性目标抓取系统及其精确力感知方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011009532.3 (22)申请日 2020.09.23 (71)申请人 哈尔滨工程大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南 通大街145号哈尔滨工程大学科技处 知识产权办公室 (72)发明人 黄海徐明浩张万里徐杨 李冀永姜涛李加强 (51)Int.Cl. B25J 11/00(2006.01) B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 一种水下柔性目标抓取系统及其精确力感 知方法 (57)摘要 本发明属于水下机器人技术领域, 具体涉及 一种水下。

2、柔性目标抓取系统及其精确力感知方 法。 本发明的一种水下柔性目标抓取系统主要用 于在复杂水下环境中完成对抓取力的精确感知 和对作业目标的无损可靠抓取。 传感器首先通过 与手爪相连的弹性体与应变电桥感知形变, 随后 力信号经过电路系统转化为电信号经处理后传 输至上位机, 最后经由基于最小二乘原理的数据 解耦算法进行处理, 补偿水动力和摩擦后得到最 终的实际抓取力大小。 本发明的一种水下柔性目 标抓取系统的精确力感知方法能够在水下机器 人腕力传感器系统设计初期代替部分复杂高昂 的水池实验, 针对外载荷作用下的输出进行定性 定量分析, 为水下机器人抓取力感知与控制的进 一步优化设计提供参考。 权利要。

3、求书3页 说明书10页 附图8页 CN 112140125 A 2020.12.29 CN 112140125 A 1.一种水下柔性目标抓取系统, 其特征在于: 包括欠驱动多指手爪模块、 驱动模块和信 息处理模块; 所述的欠驱动多指手爪模块包括手爪基座, 在手爪基座两侧分别安装有两根 机械手指, 四根机械手指结构相同; 所述的机械手指包括上指节、 下指节和手指基座; 所述 的手指基座安装于手爪模块上; 所述的下指节包括下指节左侧板和下指节右侧板, 在下指 节左侧板上部与下指节右侧板上部之间设有上关节扭簧, 在下指节左侧板底部与下指节右 侧板底部之间设有下关节扭簧; 所述的下关节扭簧的下端抵在手。

4、指基座下平面凸台处, 下 关节扭簧的上端抵在下指节右侧板凸起处; 所述的下指节左侧板下端、 下指节右侧板下端 和下关节扭簧通过手指长轴串连在一起, 安装在手指基座上; 所述的手指长轴上设有轴套, 在轴套上开设有沟槽; 所述的上指节包括上指节指板; 所述的上指节指板下端、 下指节左侧 板上端、 上关节扭簧和下指节右侧板上端通过手指关节销轴串连在一起; 所述的手指关节 销轴左右两端通过轴承分别安置在下指节左侧板上端和下指节右侧板上端, 手指关节销轴 穿过上关节扭簧中心并将上关节扭簧的上端抵在上指节指板内侧凸起处, 上关节扭簧的下 端抵在手指细轴上; 所述的手指细轴安装在上关节扭簧下方, 手指细轴两。

5、端分别穿过下指 节左侧板与下指节右侧板上的定位孔并抵住两板, 在下指节左侧板与下指节右侧板上方设 有手指护板, 手指护板将下指节左侧板与下指节右侧板连接为一体; 所述的上指节指板的 上部设有立柱结构, 在立柱结构外部包覆有指套; 所述的上指节指板上端安装有腱绳; 所述 的腱绳的上端固定于上指节指板上端, 腱绳的下端依次绕过手指关节销轴、 手指细轴与轴 套上的沟槽后固定在绳轮筒上; 所述的绳轮筒与驱动模块的驱动主轴连接; 位于手爪基座 同一侧的两根机械手指的手指长轴相连; 所述的信息处理模块包括十字梁弹性体; 所述的十字梁弹性体为中心对称结构, 包括 中心台; 所述的中心台是底面为正方形的立方体。

6、, 在中心台中央开设有与驱动主轴适配的 安装孔, 中心台的正面安装有第一主梁, 中心台的背面安装有第二主梁, 中心台的左侧面安 装有第三主梁, 中心台的右侧面安装有第四主梁, 四根主梁结构相同, 四根主梁的另一端安 装有浮动梁, 四根浮动梁通过四组固定平台首尾连接; 所述的驱动模块包括水密外壳和驱 动舵机; 所述的驱动舵机固定于水密外壳中, 驱动舵机输出端通过轴承与驱动主轴连接; 所 述的十字梁弹性体安装在水密外壳的动密封盖上; 所述的驱动主轴上端穿过动密封盖和中 心台中央的安装孔后与绳轮筒连接; 所述的十字梁弹性体的四根主梁上贴覆有差动惠斯通 全桥。 2.基于权利要求1所述的一种水下柔性目标。

7、抓取系统的一种水下柔性目标抓取系统的 精确力感知方法, 其特征在于, 包括以下步骤: 步骤1: 水下柔性目标抓取系统在执行对作业目标的无损可靠抓取时, 信息处理模块获 取十字梁弹性体因形变产生的电信号, 根据十字梁弹性体受到的力向量与差动惠斯通全桥 输出的电压关系, 获取竖直方向的抓取力矩MZ; 步骤2: 计算抓取过程中作用在每根机械手指上的水阻力矩 D1; 其中, 为水密度; Cd为阻力系数; r1为机械手指的上指节等效柱体的半径; r2为机械手 指的下指节等效柱体的半径; l1为机械手指的上指节等效柱体的长度; l2为机械手指的下指 节等效柱体的长度; 权利要求书 1/3 页 2 CN 1。

8、12140125 A 2 步骤3: 计算腱绳在传动过程中, 腱绳与手指长轴上轴套的摩擦力矩; 其中, FB为腱绳的主动张力; 为腱绳绳索微段的摩擦系数; R1为轴套沟槽的半径; 步骤4: 计算欠驱动多指手爪的抓取力矩, 完成对水下柔性目标抓取系统的精确力感 知; 3.根据权利要求2所述的一种水下柔性目标抓取系统的精确力感知方法, 其特征在于: 所述的步骤1中十字梁弹性体受到的力向量与差动惠斯通全桥输出的电压关系的获取方法 为: 以十字梁弹性体中央位置为原点, 以十字梁弹性体相互垂直的两条主梁为x轴和y轴, 以竖直方向为z轴建立坐标系; 所述的差动惠斯通全桥由电阻应变片组成; 所述的第一主梁的顶。

9、面安装有第三电阻应变片R3和第四电阻应变片R4, 在第一主梁的 底面安装有第九电阻应变片R9和第十电阻应变片R10, 在第一主梁的两侧面分别安装有第 十五电阻应变片R15和第十六电阻应变片R16; 所述的第二主梁的顶面安装有第一电阻应变片R1和第二电阻应变片R2, 在第二主梁的 底面安装有第七电阻应变片R7和第八电阻应变片R8, 在第二主梁的两侧面分别安装有第十 三电阻应变片R13和第十四电阻应变片R14; 所述的第三主梁的顶面安装有第六电阻应变片R6, 在第三主梁的底面安装有第十二电 阻应变片R12, 在第三主梁的一侧安装有第二十一电阻应变片R21和第二十二电阻应变片 R22, 在第三主梁的。

10、另一侧安装有第二十三电阻应变片R23和第二十四电阻应变片R24; 所述的第四主梁的顶面安装有第五电阻应变片R5, 在第四主梁的底面安装有第十一电 阻应变片R11, 在第四主梁的一侧安装有第十七电阻应变片R17和第十八电阻应变片R18, 在 第四主梁的另一侧安装有第十九电阻应变片R19和第二十电阻应变片R20; 所有电阻阻值相同, 第十四电阻应变片R14、 第十七电阻应变片R17和第十八电阻应变 片R18位于坐标系同一象限; 第十三电阻应变片R13、 第二十一电阻应变片R21和第二十二电 阻应变片R22位于坐标系同一象限; 第十五电阻应变片R15、 第二十三电阻应变片R23和第二 十四电阻应变片。

11、R24位于坐标系同一象限; 第十六电阻应变片R16、 第十九电阻应变片R19和 第二十电阻应变片R20位于坐标系同一象限; 第一电阻应变片R1、 第七电阻应变片R7、 第十三电阻应变片R13、 第十四电阻应变片 R14、 第三电阻应变片R3、 第九电阻应变片R9、 第十五电阻应变片R15、 第十六电阻应变片 R16、 第二十一电阻应变片R21、 第二十三电阻应变片R23、 第十七电阻应变片R17和第十九电 阻应变片R19距离原点的距离相同; 第二电阻应变片R2、 第八电阻应变片R8、 第六电阻应变片R6、 第十二电阻应变片R12、 第 二十二电阻应变片R22、 第二十四电阻应变片R24、 第四。

12、电阻应变片R4、 第十电阻应变片R10、 第五电阻应变片R5、 第十一电阻应变片R11、 第十八电阻应变片R18和第二十电阻应变片R20 距离原点的距离相同; 十字梁弹性体受到的力向量F与差动惠斯通全桥输出的电压关系为: 权利要求书 2/3 页 3 CN 112140125 A 3 其中, Fx、 Fy、 Fz分别为作用力向量F沿x轴、 y轴和z轴的分力; Mx、 My、 Mz分别为作用力向量 F绕x轴、 y轴和z轴的力矩;为由第十三电阻应变片R13、 第十四电阻应变片R14、 第十五电 阻应变片R15和第十六电阻应变片R16组成的差动惠斯通全桥的输出电压;为由第十九 电阻应变片R19、 第十。

13、七电阻应变片R17、 第二十三电阻应变片R23和第二十一电阻应变片 R21组成的差动惠斯通全桥的输出电压;为由第七电阻应变片R7、 第一电阻应变片R1、 第 九电阻应变片R9和第三电阻应变片R3组成的差动惠斯通全桥的输出电压;为由第四电 阻应变片R4、 第十电阻应变片R10、 第八电阻应变片R8和第二电阻应变片R2组成的差动惠斯 通全桥的输出电压;为由第十二电阻应变片R12、 第六电阻应变片R6、 第五电阻应变片R5 和第十一电阻应变片R11组成的差动惠斯通全桥的输出电压;为由第二十二电阻应变 片R22、 第二十四电阻应变片R24、 第二十电阻应变片R20和第十八电阻应变片R18组成的差 动惠。

14、斯通全桥的输出电压; 解耦矩阵C可通过对十字梁弹性体施加标准力载荷进行标定试 验获取。 权利要求书 3/3 页 4 CN 112140125 A 4 一种水下柔性目标抓取系统及其精确力感知方法 技术领域 0001 本发明属于水下机器人技术领域, 具体涉及一种水下柔性目标抓取系统及其精确 力感知 方法。 背景技术 0002 自上个世纪后半叶以来, 各种力感知和力控制系统在工业装配、 目标抓取、 医学工 程、 空间探索等领域取得了广泛的应用。 而由于水下的密封限制, 水动力和作业深度的影 响, 水 下机器人在目标抓取和操作时较少地使用力感知和力控制技术, 对目标的抓取主要 依赖于视 觉感知以及对水。

15、下机器人和手爪的位姿控制。 然而水下的视觉观察受到了微粒 和洋流的影响, 尤其是针对柔性目标的可靠抓取, 不仅难以单凭视觉观察实现, 而且现有 力传感器的力感知 还在水下受到了环境水流的干扰。 近年来, 随着我国深远海战略的实 施, 尤其是随着对水下 机器人抓取和操作的智能需求不断提高, 不仅需要在水下机器人的 操作手爪上配备力传感器, 还需要对水动力和密封预紧力加以考虑, 以实现系统对柔性目 标和危险目标的准确感知和抓 取操作控制。 0003 哈尔滨工程大学发表了 一种水下灵巧手指端力测量方法的研究 等3篇论文, 论 及水 下目标抓取时利用手指端多维力传感器测量水下的抓取力与控制方法。 中国。

16、科学院 合肥智能 机械研究所发表了 水下作业机械灵巧手接触力控制方案的研究 等4篇论文, 论 及水下目 标抓取的接触力测量与阻抗控制方法。 但这些手爪的传感器虽然很灵敏但都安 装在手爪的端 部, 不宜密封至深水使用。 而且, 文献中所发表的力感知和力控制方法均未 涉及到解耦中对 密封预紧力和机械手运动的水动力的区别方法, 所以在水下对柔性目标 的抓取控制精度受到 一定限制。 发明内容 0004 本发明的目的在于提供一种水下柔性目标抓取系统。 0005 本发明的目的通过如下技术方案来实现: 包括欠驱动多指手爪模块、 驱动模块和 信息处 理模块; 所述的欠驱动多指手爪模块包括手爪基座, 在手爪基座。

17、两侧分别安装有两 根机械手 指, 四根机械手指结构相同; 所述的机械手指包括上指节、 下指节和手指基座; 所 述的手指 基座安装于手爪模块上; 所述的下指节包括下指节左侧板和下指节右侧板, 在下 指节左侧板 上部与下指节右侧板上部之间设有上关节扭簧, 在下指节左侧板底部与下指 节右侧板底部之 间设有下关节扭簧; 所述的下关节扭簧的下端抵在手指基座下平面凸台 处, 下关节扭簧的上 端抵在下指节右侧板凸起处; 所述的下指节左侧板下端、 下指节右侧 板下端和下关节扭簧通 过手指长轴串连在一起, 安装在手指基座上; 所述的手指长轴上设 有轴套, 在轴套上开设有 沟槽; 所述的上指节包括上指节指板; 所。

18、述的上指节指板下端、 下 指节左侧板上端、 上关节 扭簧和下指节右侧板上端通过手指关节销轴串连在一起; 所述的 手指关节销轴左右两端通过 轴承分别安置在下指节左侧板上端和下指节右侧板上端, 手 指关节销轴穿过上关节扭簧中心 并将上关节扭簧的上端抵在上指节指板内侧凸起处, 上 说明书 1/10 页 5 CN 112140125 A 5 关节扭簧的下端抵在手指细轴上; 所 述的手指细轴安装在上关节扭簧下方, 手指细轴两端 分别穿过下指节左侧板与下指节右侧板 上的定位孔并抵住两板, 在下指节左侧板与下指 节右侧板上方设有手指护板, 手指护板将下 指节左侧板与下指节右侧板连接为一体; 所述 的上指节指。

19、板的上部设有立柱结构, 在立柱结 构外部包覆有指套; 所述的上指节指板上端 安装有腱绳; 所述的腱绳的上端固定于上指节指 板上端, 腱绳的下端依次绕过手指关节销 轴、 手指细轴与轴套上的沟槽后固定在绳轮筒上; 所述的绳轮筒与驱动模块的驱动主轴连 接; 位于手爪基座同一侧的两根机械手指的手指长轴 相连; 0006 所述的信息处理模块包括十字梁弹性体; 所述的十字梁弹性体为中心对称结构, 包括中 心台; 所述的中心台是底面为正方形的立方体, 在中心台中央开设有与驱动主轴适 配的安装 孔, 中心台的正面安装有第一主梁, 中心台的背面安装有第二主梁, 中心台的左 侧面安装有 第三主梁, 中心台的右侧面。

20、安装有第四主梁, 四根主梁结构相同, 四根主梁的 另一端安装有 浮动梁, 四根浮动梁通过四组固定平台首尾连接; 所述的驱动模块包括水密 外壳和驱动舵机; 所述的驱动舵机固定于水密外壳中, 驱动舵机输出端通过轴承与驱动主 轴连接; 所述的十字 梁弹性体安装在水密外壳的动密封盖上; 所述的驱动主轴上端穿过动 密封盖和中心台中央的 安装孔后与绳轮筒连接; 所述的十字梁弹性体的四根主梁上贴覆 有差动惠斯通全桥。 0007 本发明的目的还在于提供实现对抓取力的精确感知的一种水下柔性目标抓取系 统的精确 力感知方法。 0008 本发明的目的通过如下技术方案来实现: 包括以下步骤: 0009 步骤1: 水下。

21、柔性目标抓取系统在执行对作业目标的无损可靠抓取时, 信息处理模 块获 取十字梁弹性体因形变产生的电信号, 根据十字梁弹性体受到的力向量与差动惠斯 通全桥输 出的电压关系, 获取竖直方向的抓取力矩MZ; 0010 步骤2: 计算抓取过程中作用在每根机械手指上的水阻力矩 D1; 0011 0012 其中, 为水密度; Cd为阻力系数; r1为机械手指的上指节等效柱体的半径; r2为机 械 手指的下指节等效柱体的半径; l1为机械手指的上指节等效柱体的长度; l2为机械手指 的下指 节等效柱体的长度; 0013 步骤3: 计算腱绳在传动过程中, 腱绳与手指长轴上轴套的摩擦力矩; 0014 0015 。

22、其中, FB为腱绳的主动张力; 为腱绳绳索微段的摩擦系数; R1为轴套沟槽的半径; 0016 步骤4: 计算欠驱动多指手爪的抓取力矩, 完成对水下柔性目标抓取系统的精确力 感知; 0017 0018 本发明还可以包括: 0019 所述的步骤1中十字梁弹性体受到的力向量与差动惠斯通全桥输出的电压关系的 获取方 法为: 0020 以十字梁弹性体中央位置为原点, 以十字梁弹性体相互垂直的两条主梁为x轴和y 说明书 2/10 页 6 CN 112140125 A 6 轴, 以竖直方向为z轴建立坐标系; 所述的差动惠斯通全桥由电阻应变片组成; 0021 所述的第一主梁的顶面安装有第三电阻应变片R3和第四。

23、电阻应变片R4, 在第一主 梁的 底面安装有第九电阻应变片R9和第十电阻应变片R10, 在第一主梁的两侧面分别安装 有第十 五电阻应变片R15和第十六电阻应变片R16; 0022 所述的第二主梁的顶面安装有第一电阻应变片R1和第二电阻应变片R2, 在第二主 梁的 底面安装有第七电阻应变片R7和第八电阻应变片R8, 在第二主梁的两侧面分别安装 有第十 三电阻应变片R13和第十四电阻应变片R14; 0023 所述的第三主梁的顶面安装有第六电阻应变片R6, 在第三主梁的底面安装有第十 二电阻 应变片R12, 在第三主梁的一侧安装有第二十一电阻应变片R21和第二十二电阻应 变片R22, 在第三主梁的另。

24、一侧安装有第二十三电阻应变片R23和第二十四电阻应变片 R24; 0024 所述的第四主梁的顶面安装有第五电阻应变片R5, 在第四主梁的底面安装有第十 一电阻 应变片R11, 在第四主梁的一侧安装有第十七电阻应变片R17和第十八电阻应变片 R18, 在 第四主梁的另一侧安装有第十九电阻应变片R19和第二十电阻应变片R20; 0025 所有电阻阻值相同, 第十四电阻应变片R14、 第十七电阻应变片R17和第十八电阻 应变 片R18位于坐标系同一象限; 第十三电阻应变片R13、 第二十一电阻应变片R21和第二 十二 电阻应变片R22位于坐标系同一象限; 第十五电阻应变片R15、 第二十三电阻应变片。

25、 R23和 第二十四电阻应变片R24位于坐标系同一象限; 第十六电阻应变片R16、 第十九电阻 应变片 R19和第二十电阻应变片R20位于坐标系同一象限; 0026 第一电阻应变片R1、 第七电阻应变片R7、 第十三电阻应变片R13、 第十四电阻应变 片 R14、 第三电阻应变片R3、 第九电阻应变片R9、 第十五电阻应变片R15、 第十六电阻应变片 R16、 第二十一电阻应变片R21、 第二十三电阻应变片R23、 第十七电阻应变片R17和第十 九 电阻应变片R19距离原点的距离相同; 0027 第二电阻应变片R2、 第八电阻应变片R8、 第六电阻应变片R6、 第十二电阻应变片 R12、 第二。

26、十二电阻应变片R22、 第二十四电阻应变片R24、 第四电阻应变片R4、 第十电阻应 变片 R10、 第五电阻应变片R5、 第十一电阻应变片R11、 第十八电阻应变片R18和第二十电阻 应 变片R20距离原点的距离相同; 0028 十字梁弹性体受到的力向量F与差动惠斯通全桥输出的电压关系为: 0029 0030 其中, Fx、 Fy、 Fz分别为作用力向量F沿x轴、 y轴和z轴的分力; Mx、 My、 Mz分别为 作用 力向量F绕x轴、 y轴和z轴的力矩;为由第十三电阻应变片R13、 第十四电阻应变 片R14、 第十五电阻应变片R15和第十六电阻应变片R16组成的差动惠斯通全桥的输出电压; 为。

27、 由第十九电阻应变片R19、 第十七电阻应变片R17、 第二十三电阻应变片R23和第二十 一电 阻应变片R21组成的差动惠斯通全桥的输出电压;为由第七电阻应变片R7、 第一电 阻应 说明书 3/10 页 7 CN 112140125 A 7 变片R1、 第九电阻应变片R9和第三电阻应变片R3组成的差动惠斯通全桥的输出电压; 为由第四电阻应变片R4、 第十电阻应变片R10、 第八电阻应变片R8和第二电阻应变片 R2组 成的差动惠斯通全桥的输出电压;为由第十二电阻应变片R12、 第六电阻应变片R6、 第 五电阻应变片R5和第十一电阻应变片R11组成的差动惠斯通全桥的输出电压;为由第 二十二电阻应变。

28、片R22、 第二十四电阻应变片R24、 第二十电阻应变片R20和第十八电阻应 变片R18组成的差动惠斯通全桥的输出电压; 解耦矩阵C可通过对十字梁弹性体施加标准力 载荷进行标定试验获取。 0031 本发明的有益效果在于: 0032 本发明的一种水下柔性目标抓取系统主要用于在复杂水下环境中完成对抓取力 的精确感 知和对作业目标的无损可靠抓取。 传感器首先通过与手爪相连的弹性体与应变 电桥感知形变, 随后力信号经过电路系统转化为电信号经处理后传输至上位机, 最后经由 基于最小二乘原理 的数据解耦算法进行处理, 补偿水动力和摩擦后得到最终的实际抓取 力大小。 本发明的一种 水下柔性目标抓取系统的精确。

29、力感知方法能够在水下机器人腕力 传感器系统设计初期代替部 分复杂高昂的水池实验, 针对外载荷作用下的输出进行定性 定量分析并将感知数据发送至上 位机相应单元, 进而为水下机器人抓取力感知与控制的 进一步优化设计提供参考。 附图说明 0033 图1为十字梁弹性体坐标系示意图。 0034 图2为十字梁弹性体网格划分图。 0035 图3(a)为Fx作用下十字梁弹性体上弹性应力分布图。 0036 图3(b)为Fz作用下十字梁弹性体上弹性应力分布图。 0037 图3(c)为Mx作用下十字梁弹性体上弹性应力分布图。 0038 图3(d)为Mz作用下十字梁弹性体上弹性应力分布图。 0039 图4(a)为十字。

30、梁弹性体上电阻应变片布局示意图。 0040 图4(b)为电阻应变片组桥方式示意图。 0041 图5为信息处理模块的系统流程图。 0042 图6为十字梁弹性体标定实验装置图。 0043 图7为水下柔性目标抓取系统捏取海参的实物图。 0044 图8为基关节力矩响应曲线图。 0045 图9为摩擦力与水动力分离曲线图。 0046 图10为欠驱动多指手爪模块的示意图。 0047 图11(a)为驱动模块的剖面图。 0048 图11(b)为驱动模块的示意图。 具体实施方式 0049 下面结合附图对本发明做进一步描述。 0050 一种水下柔性目标抓取系统, 包括欠驱动多指手爪模块、 驱动模块和信息处理模 块;。

31、 所 述的欠驱动多指手爪模块包括手爪基座1-6; 所述的手爪基座两侧分别安装有两根 说明书 4/10 页 8 CN 112140125 A 8 机械手指, 四根机械手指结构相同; 所述的机械手指包括手指基座1-5、 上指节和下指节; 所述的下指节 包括下指节左侧板1-7和下指节右侧板1-10, 在下指节左侧板上部与下指节 右侧板上部之间 设有上关节扭簧1-14, 在下指节左侧板底部与下指节右侧板底部之间设 有下关节扭簧1-13; 所述的下关节扭簧的下端抵在手指基座下平面凸台处, 下关节扭簧的 上端抵在下指节右侧板 凸起处; 所述的下指节左侧板下端、 下指节右侧板下端和下关节扭 簧通过手指长轴1。

32、-4串连 在一起, 安装在手指基座上; 所述的手指长轴上设有手指长轴套, 在手指长轴套上开设有沟 槽; 所述的上指节包括上指节指板1-2; 所述的上指节指板下端、 下指节左侧板上端、 上关节 扭簧和下指节右侧板上端通过手指关节销轴串连在一起; 所述 的手指关节销轴1-3左右两端 通过轴承分别安置在下指节左侧板上端和下指节右侧板上 端, 手指关节销轴穿过上关节扭簧 中心并将上关节扭簧的上端抵在上指节指板内侧凸起 处, 上关节扭簧的下端抵在手指细轴1-9 上; 所述的手指细轴安装在上关节扭簧下方, 手指 细轴两端分别穿过下指节左侧板与下指节 右侧板上的定位孔并抵住两板, 在下指节左侧 板与下指节右。

33、侧板上方设有手指护板1-13, 手 指护板将下指节左侧板与下指节右侧板连 接为一体; 所述的上指节指板的上部设有立柱结构, 在立柱结构外部包覆有指套1-1; 所述 的上指节指板上端安装有腱绳1-8; 所述的腱绳的上端 固定于上指节指板上端, 腱绳的下 端依次绕过手指关节销轴、 手指细轴与手指长轴套沟槽后 固定在绳轮筒2-8上; 所述的绳 轮筒与驱动模块的驱动主轴连接; 位于手爪基座同一侧的两 根机械手指的手指长轴相连。 0051 所述的驱动模块包括水密外壳2-9和驱动舵机2-3; 所述的驱动舵机固定于水密外 壳中, 驱动舵机的舵机主轴与舵盘2-7连接; 所述的舵盘的下端与舵机主轴齿轮啮合, 舵。

34、盘 的上端 与驱动主轴2-2的下端连接; 所述的驱动主轴的上端与绳轮筒连接。 0052 所述的驱动舵机由舵机固定件2-6包络, 舵机下端安装有同心定位盘2-4; 所述的 同心定 位盘与舵机下端定位孔配合, 同时通过定位销与舵机固定件配合, 使得舵机、 舵机 固定件与 同心定位盘组成一体; 所述的舵机固定件上部柱状薄壁与水密外壳的隔板定位 孔同心配合, 辅之以螺钉与水密外壳固结, 保证舵机与水密壳体的同心度符合要求; 所述 的驱动主轴下部 通过球轴承与水密壳体中间隔板同心配合, 驱动主轴上端穿过格莱圈盖 2-10和手爪基座定位 孔后进入到绳轮筒中, 满足同心度要求的同时保证驱动主轴的动密 封有效。

35、; 所述的格莱圈盖 中设有格莱圈, 格莱圈安置于格莱圈盖凹槽中, 格莱圈的内壁与 驱动主轴上端贴合, 格莱圈 的外壁与格莱圈盖贴合; 所述的格莱圈盖与水密壳体之间通过 O型圈2-5密封。 0053 一种水下柔性目标抓取系统的精确力感知方法, 包括以下步骤: 0054 步骤1: 水下柔性目标抓取系统在执行对作业目标的无损可靠抓取时, 信息处理模 块获 取十字梁弹性体因形变产生的电信号, 根据十字梁弹性体受到的力向量与差动惠斯 通全桥输 出的电压关系, 获取竖直方向的抓取力矩MZ; 0055 步骤2: 计算抓取过程中作用在每根机械手指上的水阻力矩 D1; 0056 0057 其中, 为水密度; C。

36、d为阻力系数; r1为机械手指的上指节等效柱体的半径; r2为机 械 手指的下指节等效柱体的半径; l1为机械手指的上指节等效柱体的长度; l2为机械手指 的下指 节等效柱体的长度; 说明书 5/10 页 9 CN 112140125 A 9 0058 步骤3: 计算腱绳在传动过程中, 腱绳与手指长轴上轴套的摩擦力矩; 0059 0060 其中, FB为腱绳的主动张力; 为腱绳绳索微段的摩擦系数; R1为轴套沟槽的半径; 0061 步骤4: 计算欠驱动多指手爪的抓取力矩, 完成对水下柔性目标抓取系统的精确力 感知; 0062 0063 所述的步骤1中十字梁弹性体受到的力向量与差动惠斯通全桥输出。

37、的电压关系的 获取方 法为: 0064 如图1所示, 以十字梁弹性体中央位置为原点, 以十字梁弹性体相互垂直的两条主 梁为 x轴和y轴, 以竖直方向为z轴建立坐标系; 所述的差动惠斯通全桥由电阻应变片组成; 0065 如图4(a)所示, 所述的第一主梁的顶面安装有第三电阻应变片R3和第四电阻应变 片 R4, 在第一主梁的底面安装有第九电阻应变片R9和第十电阻应变片R10, 在第一主梁的 两 侧面分别安装有第十五电阻应变片R15和第十六电阻应变片R16; 0066 所述的第二主梁的顶面安装有第一电阻应变片R1和第二电阻应变片R2, 在第二主 梁的 底面安装有第七电阻应变片R7和第八电阻应变片R8。

38、, 在第二主梁的两侧面分别安装 有第十 三电阻应变片R13和第十四电阻应变片R14; 0067 所述的第三主梁的顶面安装有第六电阻应变片R6, 在第三主梁的底面安装有第十 二电阻 应变片R12, 在第三主梁的一侧安装有第二十一电阻应变片R21和第二十二电阻应 变片R22, 在第三主梁的另一侧安装有第二十三电阻应变片R23和第二十四电阻应变片 R24; 0068 所述的第四主梁的顶面安装有第五电阻应变片R5, 在第四主梁的底面安装有第十 一电阻 应变片R11, 在第四主梁的一侧安装有第十七电阻应变片R17和第十八电阻应变片 R18, 在 第四主梁的另一侧安装有第十九电阻应变片R19和第二十电阻应。

39、变片R20; 0069 所有电阻阻值相同, 第十四电阻应变片R14、 第十七电阻应变片R17和第十八电阻 应变 片R18位于坐标系同一象限; 第十三电阻应变片R13、 第二十一电阻应变片R21和第二 十二 电阻应变片R22位于坐标系同一象限; 第十五电阻应变片R15、 第二十三电阻应变片 R23和 第二十四电阻应变片R24位于坐标系同一象限; 第十六电阻应变片R16、 第十九电阻 应变片 R19和第二十电阻应变片R20位于坐标系同一象限; 0070 第一电阻应变片R1、 第七电阻应变片R7、 第十三电阻应变片R13、 第十四电阻应变 片R14、 第三电阻应变片R3、 第九电阻应变片R9、 第十。

40、五电阻应变片R15、 第十六电阻应变片 R16、 第二十一电阻应变片R21、 第二十三电阻应变片R23、 第十七电阻应变片R17和第十 九 电阻应变片R19距离原点的距离相同; 0071 第二电阻应变片R2、 第八电阻应变片R8、 第六电阻应变片R6、 第十二电阻应变片 R12、 第二十二电阻应变片R22、 第二十四电阻应变片R24、 第四电阻应变片R4、 第十电阻应 变片 R10、 第五电阻应变片R5、 第十一电阻应变片R11、 第十八电阻应变片R18和第二十电阻 应 变片R20距离原点的距离相同; 0072 十字梁弹性体受到的力向量F与差动惠斯通全桥输出的电压关系为: 说明书 6/10 页。

41、 10 CN 112140125 A 10 0073 0074 其中, Fx、 Fy、 Fz分别为作用力向量F沿x轴、 y轴和z轴的分力; Mx、 My、 Mz分别为 作用 力向量F绕x轴、 y轴和z轴的力矩; 0075如图4(b)所示,为由第十三电阻应变片R13、 第十四电阻应变片R14、 第十五电 阻 应变片R15和第十六电阻应变片R16组成的差动惠斯通全桥的输出电压;为由第十九 电 阻应变片R19、 第十七电阻应变片R17、 第二十三电阻应变片R23和第二十一电阻应变片 R21 组成的差动惠斯通全桥的输出电压;为由第七电阻应变片R7、 第一电阻应变片R1、 第九 电阻应变片R9和第三电阻。

42、应变片R3组成的差动惠斯通全桥的输出电压;为由第四 电阻 应变片R4、 第十电阻应变片R10、 第八电阻应变片R8和第二电阻应变片R2组成的差动 惠 斯通全桥的输出电压;为由第十二电阻应变片R12、 第六电阻应变片R6、 第五电阻应 变 片R5和第十一电阻应变片R11组成的差动惠斯通全桥的输出电压;为由第二十二电 阻应 变片R22、 第二十四电阻应变片R24、 第二十电阻应变片R20和第十八电阻应变片R18组 成 的差动惠斯通全桥的输出电压; 解耦矩阵C可通过对十字梁弹性体施加标准力载荷进行 标定试 验获取。 0076 本发明的一种水下柔性目标抓取系统主要用于在复杂水下环境中完成对抓取力 的精。

43、确感 知和对作业目标的无损可靠抓取, 包括一套基于有限元方法(Finite Element Method, FEM) 设计的适用于海底高湿高盐环境的水下机器人腕力传感器系统弹性敏感结 构单元、 硬件处理 电路系统以及一种实验室条件下的传感器解耦补偿方法。 传感器首先通 过与手爪相连的弹性 体与应变电桥感知形变, 随后力信号经过电路系统转化为电信号经 处理后传输至上位机, 最 后经由基于最小二乘原理的数据解耦算法进行处理, 补偿水动力 和摩擦后得到最终的实际抓 取力大小。 本发明的一种水下柔性目标抓取系统的精确力感 知方法能够在水下机器人腕力传 感器系统设计初期代替部分复杂高昂的水池实验, 针对。

44、 外载荷作用下的输出进行定性定量分 析并将感知数据发送至上位机相应单元, 进而为水 下机器人抓取力感知与控制的进一步优化 设计提供参考。 0077 本发明通过对作用在末端执行器上的力进行拾取、 采集、 传递、 处理得到各个轴上 线性 无关的六个分量实现对抓取力的精确感知。 0078 一种水下柔性目标抓取系统, 硬件部分主要包括传动驱动部分、 抓取结构部分、 和 力感 信息部分。 欠驱动手爪开合由舵机驱动, 动力传递方式为蜗轮蜗杆传动。 弹性体、 应变 片、 放大电路、 信息采集与处理板位于水密外壳中, 阳极氧化的铝合金制外壳为其中元件 提供密 封与碰撞防护。 手爪受力后力传递至十字梁弹性体使其。

45、产生形变, 通过对称布于其 上的电阻 应变片将力信号转化为电信号。 其中弹性体的一端直接固定在舵机输出轴上, 应 变片固定在 弹性体的十字交叉应变梁上, 放大电路直接和应变片相连, 信息采集预处理板 通过接口和放 大电路相连, 从而完成信号的采集与处理工作, 弹性体的另一端和欠驱动多 说明书 7/10 页 11 CN 112140125 A 11 指手爪的基关节 主轴相连, 欠驱动多指手爪由基关节主轴通过舵机驱动, 实现手爪的欠驱 动抓取运动, 这样 应变片可以根据弹性体十字梁的应变感知所受到的驱动抓取力。 通过对 十字梁的标定和解耦 处理, 并在解耦同时计算分离该方向的水动力, 可以精确地得。

46、到手爪 对目标的抓取力, 从而 实现欠驱动多指手爪对柔性目标的精确抓取控制。 0079 水下目标抓取的力感知主要由弹性敏感单元和感知电路来实现多维力信息的获 取与采集, 弹性敏感单元将接触力转变成位移变化, 感知电路负责将位移量转化成电信号 输出。 为了解 决水下密封问题, 将敏感单元和硬件配套电路安装于阳极氧化处理的铝制外 壳中。 为了提高 检测精度, 电桥部分采用四片防水应变片组成差动惠斯通全桥贴覆于弹性 体十字梁各个表面, 建立弹性体应变与电桥输出的关系。 根据数据采集电路的电压采集范 围设置适当的放大倍数, 通过仪表放大芯片AD620对传感器小信号进行变送调理至stm32 进行处理并经。

47、由通用串行接 口总线将数据发送到上位机, 进而解耦计算得到各方向的抓 取力。 0080 一种面向水下柔性目标抓取的精确力感知系统, 处理算法部分首先测量并记录通 过标准 砝码标定实验在上位机获得的各通道电压数据。 十字应变梁的标定与解耦过程遵 循应变与桥 路输出公式: 0081 0082 根据全桥电路的特点建立阻值变化与桥路输出的联系: 0083 0084 其中KS为电阻应变片灵敏度系数; 为贴片位置应变大小; 应变片初始阻值相同, 应变片 的粘贴位置对称, 故各电阻应变片阻值变化量的大小相同, 得到桥路输出: 0085 UoutKs E 0086 为了精确获得输入的六维力向量与输出电压向量之。

48、间的关系, 通过对简易标定装 置施加 标准力载荷分析各通道输出数据。 标定方法为: 0087 1)对传感器用一力向量F加载任意作用力, 此时六通道的输入输出满足如下关系: 0088 0089 其中, F为六行一列输入力向量; C为标定解耦矩阵; U为六行一列输出电压向量。 0090 2)为腕力传感器输入三十六组标准力并将其按照一定的顺序排列, 同时把对应于 输入的 输出电压向量按序排列, 则有: 0091 F6*36C6*6U6*36 0092 其中, F6*36为输入力矩阵; U6*36为输出电压矩阵。 0093 3)根据最小二乘理论计算解耦矩阵求得的是最小范数解, 对应的传感器体系具有 最。

49、小应 变能, 当(UUT)满秩的情况下计算得出的解耦矩阵最为准确, 最终得到的解耦矩 说明书 8/10 页 12 CN 112140125 A 12 阵 为: 0094 CFUT(UUT)-1 0095 此时再次输入一组空间任意力即可得到去耦合情况下的解。 0096 d、 水动力的分离中将每个手指的指节近似等效成圆柱体。 当物体在粘性流体中做 相对运 动时就会产生水阻力, 水阻力又分为切向阻力和法向阻力。 切向阻力的方向与物体 表面相切, 主要考虑水产生的法向阻力, 则抓取过程中作用在每个手指的指节的水阻力和 阻力矩为: 0097 0098 0099 其中, -水密度, kg/mm3; 010。

50、0 Cd-阻力系数; 0101 vn(x)-柱体表面法向速度, mm/s; 0102 r-柱体的半径, mm; 0103 dx-切片单元的厚度 0104 由于水阻力系数Cd是随某些参量做非线性变化的, 本发明中采用经验值取Cd 1.1。 抓取 手爪结构手指中由两段圆柱结构组成, 综合分析每一段指节结构水动力的共同 作用得到整体 影响下基关节(关节1)的水阻力关系如下: 0105 0106 e、 机械手腱绳在传动过程中, 腱绳是传递拉力的中介, 腱绳的布置方式是绕着圆 柱体进 行导向, 本发明为排除摩擦损耗的影响对该传动过程进行分析, 建立腱绳与圆柱体 传动摩擦 模型。 腱绳传递过程中存在以下摩。

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内容关键字: 水下 柔性 目标 抓取 系统 及其 精确 感知 方法
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本文标题:水下柔性目标抓取系统及其精确力感知方法.pdf
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