一种水下柔性目标抓取系统及其精确力感知方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种水下柔性目标抓取系统及其精确力感知方法
本专利技术属于水下机器人
，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。
技术介绍
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。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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种水下柔性目标抓取系统。本专利技术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，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。本专利技术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。本专利技术的目的通过如下技术方案来实现：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τD1；其中，ρ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；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；ζβ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；本专利技术还可以包括：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R本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；/n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。/n...

【技术特征摘要】
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，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τD1；



其中，ρ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；
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；ζβ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...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄海，徐明浩，张万里，徐杨，李冀永，姜涛，李加强，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23