一种深海机械手多维力感知系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种深海机械手多维力感知系统及方法，涉及机械手传感器技术领域。该方法用于对受力微元进行受力分析，受力微元包括弹性体和粘贴在弹性体上的应变片，该方法包括：建立弹性体受到拉压应力的数学模型；建立弹性体受到剪应力的数学模型；根据建立的弹性体受到拉压应力的数学模型、弹性体受到剪应力的数学模型解耦出X轴、Y轴、Z轴三个方向的力、力矩与弹性体弹性形变的关系；获取应变片在弹性体上受到已知力时所检测到的校准数据，以及应变片在弹性体上受到外力时所检测到的应变值；根据解耦出的X轴、Y轴、Z轴三个方向的力、力矩与弹性体弹性形变的关系，以及校准数据和应变值计算出X轴、Y轴、Z轴三个方向的力和力矩。Z轴三个方向的力和力矩。Z轴三个方向的力和力矩。

【技术实现步骤摘要】
一种深海机械手多维力感知系统及方法


[0001]本专利技术涉及机械手传感器
，尤其涉及一种深海机械手多维力感知系统及方法。

技术介绍

[0002]现有的深海机械手作业全都是采用位置角度反馈控制，其每次作业收到上位机下发的位置控制指令后，深海机械手按照指令执行固定角度作业，当位置检测传感器检测到深海机械手转动角度已到指定位置时，深海机械手停止作业。
[0003]位置反馈控制的缺点主要有：
[0004]1)每次作业必须到达指定位置才有反馈信息，无法实时反馈作业受力情况；
[0005]2)无力感知，只有位置控制无法实现深海机械手的精细化控制，无法满足精细化作业场景的需求；
[0006]3)采用位置反馈控制，无法实现作业过程控制，只能实现终末控制。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种深海机械手多维力感知系统及方法，用于解决深海机械手在海底作业时无力感知反馈的问题，提高深海机械手作业精度，使机械手完成精细化作业。
[0008]根据本专利技术的第一个方面，提供了深海机械手多维力感知的解耦方法，用于对受力微元进行受力分析，受力微元包括弹性体和粘贴在弹性体上的应变片，该解耦方法包括：
[0009]建立弹性体受到拉压应力的数学模型；
[0010]建立弹性体受到剪应力的数学模型；
[0011]根据建立的弹性体受到拉压应力的数学模型、弹性体受到剪应力的数学模型解耦出X轴、Y轴、Z轴三个方向的力、力矩与弹性体弹性形变的关系；
[0012]获取应变片在弹性体上受到已知力时所检测到的校准数据，以及应变片在弹性体上受到外力时所检测到的应变值；
[0013]根据解耦出的X轴、Y轴、Z轴三个方向的力、力矩与弹性体弹性形变的关系，以及校准数据和应变值计算出X轴、Y轴、Z轴三个方向的力和力矩。
[0014]本专利技术的深海机械手多维力感知的解耦方法，通过应变片受到的应力和海水压力建立力解耦数学模型，该解耦方法具有灵敏度高、易实现的优点。
[0015]在一些实施方式中，弹性体为圆柱体状，应变片粘贴在弹性体外侧圆柱面，弹性体受到拉压应力的数学模型为：
[0016][0017]其中，F
X
表示X轴方向的力，M
X
表示X轴方向的力矩；F
Y
表示Y轴方向的力，M
Y
表示Y轴方向的力矩；F
Z
表示Z轴方向的力，M
Z
表示Z轴方向的力矩；L表示应变片中间位置到弹性体顶
面的垂直距离；θ表示应变片粘贴在弹性体的θ度位置；W
X
表示弹性体横截面抗弯模量，S表示弹性体横截面面积。
[0018]在一些实施方式中，弹性体受到剪应力的数学模型为：
[0019][0020]其中，t＝D
‑
d，D表示弹性体的外径，d表示弹性体的内径。
[0021]在一些实施方式中，应变片设置有多路，多路应变片均布在弹性体外侧圆柱面。由此，通过多路应变片在弹性体上不同的粘贴位置组合成受力微元建立力解耦数学模型。
[0022]在一些实施方式中，解耦出X轴、Y轴、Z轴三个方向的力、力矩与弹性体弹性形变的关系为：
[0023][0024]其中，C为在标准已知力加载时，应变检测电路所测得的校准数据矩阵，为6x6的对角矩阵；G为未知外力加载时，应变检测电路动态检测到的补偿深海压力后的应变值，为1x6的矩阵。
[0025]在一些实施方式中，计算出X轴、Y轴、Z轴三个方向的力和力矩为：
[0026]将G矩阵求逆解算出G的逆矩阵，然后将校准矩阵C与G的逆矩阵之间的乘积再进行矩阵逆运算，解算出来X、Y、Z方向的力和力矩。
[0027]根据本专利技术的第二个方面，提供一种深海机械手多维力感知系统，该深海机械手多维力感知系统用于实现上述的深海机械手多维力感知的解耦方法，包括多路电阻应变片电桥、模拟开关、A/D采样电路和MCU处理控制电路；
[0028]电阻应变片电桥中的应变片粘贴在弹性体上，电阻应变片电桥用于获取应变片在弹性体上受到已知力时所检测到的校准数据，以及应变片在弹性体上受到外力时所检测到的应变值，其中，校准数据、应变值为模拟电压信号；
[0029]模拟开关与多路电阻应变片电桥连接；
[0030]A/D采样电路与模拟开关连接，A/D采样电路用于将模拟电压信号转换为数字信号；
[0031]MCU处理控制电路分别与模拟开关的通道选择端、A/D采样电路连接，MCU处理控制电路根据采样时隙控制模拟开关通道的选通，MCU处理控制电路对数字信号进行解耦运算，实现上述的深海机械手多维力感知的解耦方法。
[0032]在一些实施方式中，MCU处理控制电路将一个采样周期等量划分为多个时隙，分别在多个时隙中控制对应的电阻应变片电阻桥接入至后端的电路中。
[0033]在一些实施方式中，还包括前置滤波放大电路，前置滤波放大电路连接于模拟开
关和A/D采样电路之间，前置滤波放大电路用于对模拟电压信号进行滤波和初级放大处理。由此，前置滤波放大电路用于对弹性体应变片产生的应变信号进行高频滤波处理以及对滤波后的信号进行初级放大。
[0034]在一些实施方式中，还包括自动增益控制电路，自动增益控制电路连接于前置滤波放大电路和A/D采样电路之间，自动增益控制电路用于补偿不同海水深度对弹性体的压力，根据海水深度自适应调节A/D采样前信号的增益大小。由此，自动增益控制电路用于对弹性体海水压力的动态补偿，根据海水深度自适应调节A/D采样前信号的增益大小，可进行海水深度压力补偿。
[0035]与现有技术相比，本专利技术的深海机械手多维力感知系统及方法，通过应变片受到的应力和海水压力建立力解耦数学模型和海水深度压力补偿，该解耦方法具有灵敏度高、易实现的优点。
附图说明
[0036]图1为本专利技术一实施方式的深海机械手多维力感知的解耦方法的流程图；
[0037]图2为本专利技术一实施方式的应变片受力分析数学模型图；
[0038]图3为本专利技术一实施方式的六路应变片在弹性体外侧圆柱面分布示意图；
[0039]图4为本专利技术一实施方式的深海机械手多维力感知系统的组成示意图；
[0040]图5为本专利技术一实施方式的电阻应变片电桥的电路图；
[0041]图6为本专利技术一实施方式的深海机械手多维力感知系统的运行流程图；
[0042]图7为本专利技术一实施方式的模拟开关切换选通时序图。
[0043]附图标号说明：弹性体100，应变片200，电阻应变片电桥300，模拟开关400，前置滤波放大电路500，自动增益控制电路600，A/D采样电路700，MCU处理控制电路800。
具体实施方式
[0044]下面结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。
[0045]根据本专利技术的第一个方面，图1示意性地显示了根据本专利技术的一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深海机械手多维力感知的解耦方法，用于对受力微元进行受力分析，所述受力微元包括弹性体和粘贴在所述弹性体上的应变片，其特征在于，所述解耦方法包括：建立所述弹性体受到拉压应力的数学模型；建立所述弹性体受到剪应力的数学模型；根据建立的所述弹性体受到拉压应力的数学模型、所述弹性体受到剪应力的数学模型解耦出X轴、Y轴、Z轴三个方向的力、力矩与所述弹性体弹性形变的关系；获取所述应变片在所述弹性体上受到已知力时所检测到的校准数据，以及所述应变片在所述弹性体上受到外力时所检测到的应变值；根据解耦出的X轴、Y轴、Z轴三个方向的力、力矩与所述弹性体弹性形变的关系，以及所述校准数据和所述应变值计算出X轴、Y轴、Z轴三个方向的力和力矩。2.根据权利要求1所述的深海机械手多维力感知的解耦方法，其特征在于，所述弹性体为圆柱体状，所述应变片粘贴在所述弹性体外侧圆柱面，所述弹性体受到拉压应力的数学模型为：其中，F
X
表示X轴方向的力，M
X
表示X轴方向的力矩；F
Y
表示Y轴方向的力，M
Y
表示Y轴方向的力矩；F
Z
表示Z轴方向的力，M
Z
表示Z轴方向的力矩；L表示所述应变片中间位置到所述弹性体顶面的垂直距离；θ表示所述应变片粘贴在所述弹性体的θ度位置；W
X
表示弹性体横截面抗弯模量，S表示弹性体横截面面积。3.根据权利要求2所述的深海机械手多维力感知的解耦方法，其特征在于，所述弹性体受到剪应力的数学模型为：其中，t＝D
‑
d，D表示所述弹性体的外径，d表示所述弹性体的内径。4.根据权利要求3所述的深海机械手多维力感知的解耦方法，其特征在于，所述应变片设置有多路，多路所述应变片均布在所述弹性体外侧圆柱面。5.根据权利要求4所述的深海机械手多维力感知的解耦方法，其特征在于，所述解耦出X轴、Y轴、Z轴三个方向的力、力矩与所述弹性体弹性形变的关系为：其中，C为在标准已知力加载时，应变检测电路所测得的所述校准数据矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：张奇峰，蒋健波，刘涛，翟宝琦，
申请(专利权)人：广东智能无人系统研究院，
类型：发明
国别省市：