專利名稱：水下機(jī)器人四維指尖力傳感器及其信息獲取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及海洋測量與傳感技術(shù)、仿人機(jī)器人技術(shù)，特別涉及水下機(jī) 器人四維指尖力傳感器及其信息獲取方法。
技術(shù)背景眾所周知，海底環(huán)境非常惡劣。無論是沉船打撈、海上救生、光纜鋪 設(shè)，還是資源勘探和開采， 一般的設(shè)備很難完成。針對這種情況，國內(nèi)外 研制了多種水下機(jī)器人，為了讓水下機(jī)器人更加順利完成水下特殊環(huán)境中 的作業(yè)，應(yīng)當(dāng)使機(jī)器人手爪具有一定的自主功能，這就要求機(jī)器人手爪具備 感知諸如力覺、觸覺、滑覺、振動(dòng)覺等環(huán)境信息的功能。雖然各種普通力 覺觸覺傳感器功能齊全、種類繁多，但是受到深海環(huán)境限制不能直接用于 水下，必須進(jìn)行改造或者重新設(shè)計(jì)。目前國內(nèi)外尚無較好解決深水壓力問題的力傳感器。扁TI公司研制的 UDMW3力傳感器采用一個(gè)充油的軟外殼來平衡水壓，但在深海環(huán)境下要較好 的滿足水壓平衡的要求，需軟外殼發(fā)生較大的變形，機(jī)器人工作時(shí)，受到 水阻力的軟外殼產(chǎn)生一定變形，使力傳感器的性能大大下降，另外軟外殼 抗破壞的能力較差及形狀、質(zhì)心不定，這些都限制了該壓力平衡方式的力 傳感器的工作狀況與環(huán)境要求。根據(jù)水下作業(yè)時(shí)手指接觸模型的研究結(jié)果，要求指力傳感器有4個(gè)方 向力檢測能力，即接觸法線方向的正壓力Fx，作為夾緊力大小、和接觸覺 檢測；接觸切平面兩個(gè)方向的力Fy、 Fz作為滑覺檢測， 一個(gè)繞接觸面法線 的轉(zhuǎn)矩Mz作為多指夾抓取時(shí)，對目標(biāo)力約束條件分析。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā) 現(xiàn)在水下應(yīng)用場合中的四維力傳感器是最實(shí)用的力傳感器，而目前尚無專 用于水下的四維力傳感器， 一般是利用現(xiàn)有六維力傳感器其中的四維信號 來實(shí)現(xiàn)四維力信息的獲取，這樣不僅造成硬件資源的浪費(fèi)，而且維間耦合 很難消除。并且現(xiàn)在的大部分傳感器都未能考慮到密封和壓力補(bǔ)償，因而無法直接用于水下機(jī)器人智能手爪?，F(xiàn)在技術(shù)已有多種力傳感器，如中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所戈瑜、葛運(yùn)建等于2001年4月4日公開的公開號為CN1289917A發(fā)明專利。該發(fā) 明名稱是 一種基于陶瓷厚膜技術(shù)的六維力傳感器，該六維力傳感器采用 燒結(jié)體陶瓷的上下E型圓膜片和十字梁作為彈性體，并在上下E型圓膜片 和十字梁上燒結(jié)釕系厚膜力敏電阻，下E型膜的三組電阻用來實(shí)現(xiàn)對Fx， Fy， Fz的測量，上E型膜的兩組電阻用來實(shí)現(xiàn)對Mx， My的測量，十字梁用 來實(shí)現(xiàn)對Mz的測量。其加工實(shí)現(xiàn)容易、易于實(shí)現(xiàn)小型化，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、彈 性體不是一體化的結(jié)構(gòu)、存在大量冗余信息、受力時(shí)十字梁的變形影響了 下E型圓膜片的測量，而且十字梁和燒結(jié)體陶瓷強(qiáng)度有限，故傳感器的量 程也有限，限制了其在水下傳感器中的應(yīng)用。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對目前國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)存在的問題和缺陷，提出 一種新型的水下機(jī)器人四維指尖力傳感器及其信息獲取方法，該發(fā)明能同 時(shí)獲取水下機(jī)器人智能手爪指尖受到的四維力信息，為水下器人及智能手 爪完成智能作業(yè)提供高質(zhì)量的力信息。該四維指尖力傳感器結(jié)構(gòu)簡單、靈 敏度高、維間耦合小、容易標(biāo)定，同時(shí)獲取力信息的精度高、可靠性好。本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種水下機(jī)器人四維指尖力傳感器，包括相互 連接的指尖、上蓋、密封圈、彈性體、底座，指尖是水下機(jī)器人四維指尖 力傳感器中的受力體，采用半橢球形狀增大受力面積，置于水下機(jī)器人四 維指尖力傳感器的頂端，指尖的中間置有小孔內(nèi)螺紋經(jīng)上蓋與彈性體上的 圓柱體外螺紋旋轉(zhuǎn)連接，上蓋中置有內(nèi)螺紋和外螺紋；彈性體的結(jié)構(gòu)是由E型膜通過下面的兩個(gè)薄矩形金屬片固定連接在圓 形金屬底板上，圓形金屬底板中間開有小孔，便于彈性體上的測量電路與 集成在底座中測量電路板相連接，E型膜的中間是一圓柱體，圓柱體的上面 置有螺紋且四周是一圓形凹槽，圓形凹槽的邊緣置有圓環(huán)槽用于放置密封 圈，E型膜外圓面上置有的外螺紋與上蓋內(nèi)部的內(nèi)螺紋連接并用螺紋密封膠密封，上蓋中置有的外螺紋與底座中的內(nèi)螺紋旋轉(zhuǎn)連接并用螺紋密封膠密 封，底座置有一空腔用于在安裝后放置測量電路板，底座的下面置有多個(gè)小孔，其中間的小孔用于引出導(dǎo)線，旁邊的小孔是螺紋孔用于與機(jī)器人手 爪本體的智能手爪機(jī)械連接，彈性體中的E型膜通過下面的兩個(gè)薄矩形金 屬片固定連接在圓形金屬底板上，特別是水下機(jī)器人四維指尖力傳感器還包括兩個(gè)薄矩形金屬片、E型膜底部和 與測量電路板電連接的數(shù)字硬件電路板；彈性體的結(jié)構(gòu)是由E型膜通過下面的兩個(gè)薄矩形金屬片固定連接在圓 形金屬底板上，在E型膜上背面的貼有12片初始電阻值相等的應(yīng)變片Rl R12,分為a、 b、 c三組電橋，每組電橋由四片應(yīng)變片構(gòu)成，其中Rl、 R2、 R3、 R4構(gòu)成a組電橋用于檢測Fx， a組電橋的Rl、 R2、 R3、 R4在薄矩形金屬片的縱向方向平行貼放；R5、 R6、 R7、 R8構(gòu)成b組電橋用于檢測Fy， b組電橋的R5、 R6、 R7、 R8在薄矩形金屬片的橫向方向平行貼放；R9、 RIO、 Rll、 R12構(gòu)成c組電橋用于檢測Fz， c組電橋的應(yīng)變片R9、 RIO、 Rll、 R12在圓周上互成90度均勻貼放；兩個(gè)薄矩形金屬片包括第一薄矩形金屬片和第二薄矩形金屬片，其中 第一薄矩形金屬片貼有應(yīng)變片R13、 R14，第二薄矩形金屬片分別貼有應(yīng)變 片R15、 R16，應(yīng)變片R13、 R14分別貼于第一薄矩形板對角線的兩端，與第 二薄矩形金屬片對角線方向分別貼有的應(yīng)變片R15、 R16構(gòu)成d組電橋用于a、 b、 c、 d四組電橋中a組電橋的Rl與R2、 R3與R4， b組電橋的應(yīng) 變片R5與R6、 R7與R8， c組電橋的應(yīng)變片R9與R12、 R10與Rll， d組電 橋的應(yīng)變片R13與R14, R15與R16分別置于各自全橋檢測電路相對應(yīng)的橋 臂上；應(yīng)變片R1、 R2、 R3、 R4、 R5、 R6、 R7、 R8、 RIO、 R11貼于E型膜背面 (42)的內(nèi)圓周，R9、 R12貼于E型膜背面(42)的外圓周；水下機(jī)器人四維指尖力傳感器在安裝結(jié)束前，將硅膠灌于整個(gè)內(nèi)部空 腔中，防止E型膜下面的圓形金屬板在深海壓力作用下發(fā)生變形，保證傳 感器的內(nèi)外壓力平衡達(dá)到自動(dòng)壓力補(bǔ)償?shù)淖饔茫粶y量電路板是模擬硬件電路板，用于對全橋檢測電路采集的信息進(jìn)行調(diào)零、運(yùn)放、模擬濾波；數(shù)字硬件電路板置于水下機(jī)器人本體的智能手爪中，用于對模擬信息進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)值計(jì)算、解耦和與水下機(jī)器人本體通訊；水下機(jī)器人本體的智能手爪上裝配有三個(gè)手指，每個(gè)手指尖裝有四維 指尖力傳感器，水下機(jī)器人本體的智能手爪抓取工件時(shí)，位于機(jī)器人手指 指尖的水下機(jī)器人四維指尖力傳感器能夠同時(shí)檢測到各自所受到的四維力 信息Fx、 Fy、 Fz、 Mz。一種用于水下機(jī)器人四維指尖力傳感器的信息獲取方法，包括接收a、 b、 c、 d四組電橋的信號，特別是設(shè)定四維力信息中Fx信號取自a組電橋，四維力信息中Fy信號取自b 組電橋，四維力信息中Fz信號取自c組電橋，四維力信息中Mz信號取自d 組電橋；將a組電橋檢測到的電壓變化A Ux、 b組電橋檢測到的電壓變化△ Uy、 c組電橋檢測到的電壓變化AUz、 d組電橋檢測到的電壓變化AUmz在傳感 器內(nèi)腔的測量電路板上進(jìn)行信號調(diào)理中的調(diào)零、運(yùn)放、模擬濾波；將調(diào)理后的信號在數(shù)字硬件電路板上進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)值計(jì)算、數(shù)字 濾波、解耦，通訊接口將獲得的四維力信息Fx、 Fy、 Fz、 Mz傳送至水下機(jī) 器人本體。有益效果現(xiàn)有技術(shù)中的一種基于陶瓷厚膜技術(shù)的六維力傳感器CN1289917A，采 用燒結(jié)體陶瓷的上下E型圓膜片和十字梁作為彈性體，并在上下E型圓膜 片和十字梁上燒結(jié)釕系厚膜力敏電阻，下E型膜的三組電阻用來實(shí)現(xiàn)對F x， Fy， Fz的測量，上E型膜的兩組電阻用來實(shí)現(xiàn)對Mx， My的測量，十字 梁用來實(shí)現(xiàn)對Mz的測量。其加工實(shí)現(xiàn)容易、易于實(shí)現(xiàn)小型化，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、彈性體不是一體化的結(jié)構(gòu)、存在大量冗余信息、受力時(shí)十字梁的變形影響 了下E型圓膜片的測量，而且十字梁和燒結(jié)體陶瓷強(qiáng)度有限，故傳感器的量程也有限，限制了其在水下傳感器中的應(yīng)用。本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)是水下機(jī)器人四維指尖力傳感器彈性體的結(jié)構(gòu)是由E 型膜通過下面的兩個(gè)薄矩形金屬片固定連接在圓形金屬底板上，在E型膜的背面和薄矩形金屬片上放置水下機(jī)器人四維指尖力傳感器的檢測電路并組成相應(yīng)的電橋。其中，E型膜背面的內(nèi)圓周貼有應(yīng)變片R1、 R2、 R3、 R4、 R5、 R6、 R7、 R8、 RIO、 Rll，外圓周貼有R9、 R12;兩個(gè)薄矩形金屬片的對 角線兩端分別貼有應(yīng)變片R13、 R14和應(yīng)變片R15、 R16。 16片應(yīng)變片構(gòu)成a、 b、 c、 d四組全橋檢測電路。其中，Rl、 R2、 R3、 R4構(gòu)成a組電橋用于檢 測Fx，在薄矩形金屬片的縱向方向平行貼放；R5、 R6、 R7、 R8構(gòu)成b組電 橋用于檢測Fy，在薄矩形金屬片的橫向方向平行貼放；R9、 RIO、 Rll、 R12 構(gòu)成c組電橋用于檢測Fz，在圓周上互成90度均勻貼放；R13、 R14、 R15、 R16構(gòu)成d組電橋用于檢測Mz。在各組全橋檢測電路中Rl與R2、 R3與 R4、 R5與R6、 R7與R8、 R9與R12、 R10與Rll、 R13與R14、 R15與R16分 別置于各自全橋檢測電路相對應(yīng)的橋臂上；E型膜外圓面外螺紋與上蓋內(nèi)部內(nèi)螺紋連接處、上蓋外螺紋與底座內(nèi)螺 紋連接處都用螺紋密封膠密封，結(jié)合E型膜邊緣置有的圓環(huán)槽上放置的密 封圈來實(shí)現(xiàn)密封；整個(gè)水下機(jī)器人四維指尖力傳感器內(nèi)部空腔中澆灌的硅膠和E型膜下 面的圓形金屬板共同作用，保證水下機(jī)器人四維指尖力傳感器的內(nèi)外壓力 平衡達(dá)到自動(dòng)壓力補(bǔ)償?shù)淖饔茫ＷC水下機(jī)器人四維指尖力傳感器在深海 壓力作用下不被破壞；位于水下機(jī)器人四維指尖力傳感器內(nèi)部空腔中的模擬電路部分接收測 量電路傳來的原始信息進(jìn)行調(diào)零、放大、模擬濾波，位于水下機(jī)器人四維 指尖力傳感器外部的數(shù)字電路部分接收模擬電路傳來的信息，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn) 換、數(shù)字濾波、數(shù)值計(jì)算、解耦，最后通過通訊接口將獲得的四維力信息 Fx、 Fy、 Fz、 Mz傳送至水下機(jī)器人本體。本發(fā)明充分考慮到深海水下機(jī)器人作業(yè)時(shí)所處的高壓力、強(qiáng)腐蝕性等 特殊環(huán)境因素，采用大量程的彈性體結(jié)構(gòu)、采用硅膠加圓形金屬薄板的變形 來實(shí)現(xiàn)壓力補(bǔ)償、采用螺紋密封膠加密封圈來實(shí)現(xiàn)雙重密封防泄露。通過 這些措施，能同時(shí)檢測水下機(jī)器人本體的智能手爪指尖受到的四維力信息: 手爪接觸面法向的力Fz、切向的力Fx、 Fy，繞法向轉(zhuǎn)矩Mz，并實(shí)時(shí)將信息 傳送到水下機(jī)器人本體，水下機(jī)器人本體利用這些力信息不但能檢測和控制抓取物體時(shí)的握力，而且還可以檢測被抓取物體的重量，以及在抓取操 作過程中的抓取狀態(tài)是否存在滑動(dòng)、振動(dòng)等現(xiàn)象，為水下機(jī)器人本體的智 能手爪完成智能作業(yè)提供硬件基礎(chǔ)。本發(fā)明的水下機(jī)器人四維指尖力傳感 器結(jié)構(gòu)簡單、強(qiáng)度合適、靈敏度高、維間耦合小、容易標(biāo)定。


圖1為水下機(jī)器人四維指尖力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為水下機(jī)器人四維指尖力傳感器彈性體上應(yīng)變片的貼片示意圖。 圖3為水下機(jī)器人四維指尖力傳感器信息獲取中應(yīng)變片組橋的示意圖。 圖4為水下機(jī)器人四維指尖力傳感器彈性體受力分析圖。 圖5為水下機(jī)器人四維指尖力傳感器信息獲取示意圖。 圖6為水下機(jī)器人四維指尖力傳感器信號采集與處理流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。 在圖1中，l是指尖，2是上蓋，3是密封圈，4是彈性體，5是底座， 6是測量電路板，7是數(shù)字硬件電路板，42是E型膜背面，41是薄矩形金 屬片，43是圓形金屬底板。彈性體4的結(jié)構(gòu)是由E型膜通過下面的兩個(gè)薄矩形金屬片41固定連接 在圓形金屬底板43上，圓形金屬底板43中間開有小孔，便于彈性體4上 的測量電路與集成在底座5中測量電路板6電連接，E型膜的中間是一圓柱 體，圓柱體的上面置有螺紋且四周是一圓形凹槽，圓形凹槽的邊緣置有圓 環(huán)槽用于放置密封圈3，在E型膜的背面42和薄矩形金屬片41上放置水下 機(jī)器人四維指尖力傳感器的檢測電路并組成相應(yīng)的電橋，E型膜外圓面上置 有的外螺紋與上蓋2內(nèi)部的內(nèi)螺紋連接并用螺紋密封膠密封，上蓋2中置 有的外螺紋與底座5中的內(nèi)螺紋旋轉(zhuǎn)連接并用螺紋密封膠密封，底座5置 有一空腔用于在安裝后放置測量電路板6，底座5的下面置有多個(gè)小孔，其 中間的小孔用于引出導(dǎo)線，旁邊的螺紋孔用于與水下機(jī)器人本體的智能手 爪機(jī)械連接。對水下機(jī)器人四維指尖力傳感器內(nèi)部澆灌硅膠，配合彈性體4 下部圓形金屬薄板43完成水壓力補(bǔ)償。位于水下機(jī)器人四維指尖力傳感器 內(nèi)部空腔中的測量電路板6接收測量電路傳來的原始信息進(jìn)行調(diào)零、放大、 模擬濾波，位于水下機(jī)器人四維指尖力傳感器外部的數(shù)字電路板7接收模擬電路傳來的信息進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)值計(jì)算、解耦，并通過通訊接口將獲得的四維力信息Fx、 Fy、 Fz、 Mz傳送至水下機(jī)器人本體。圖2為水下機(jī)器人四維指尖力傳感器彈性體上應(yīng)變片的貼片示意圖。 其中圖2左圖為E型膜背面42的貼片方式，共貼有12片初始電阻值相 等的應(yīng)變片R1 R12，分為a、 b、 c三組，Rl、 R2、 R3、 R4構(gòu)成a檢測組 用于檢測Fx，在薄矩形金屬片41的縱向方向分別平行貼放；R5、 R6、 R7、 R8構(gòu)成b檢測組用于檢測Fy，在薄矩形金屬片41的橫向方向分別平行貼 放；R9、 RIO、 Rll、 R12構(gòu)成c檢測組用于檢測Fz，在圓周上互成90度均 勻貼放。圖2右圖為薄矩形金屬片41上的貼片方式，其中第一薄矩形金屬片分 別貼有應(yīng)變片R13、 R14，第二薄矩形金屬片分別貼有應(yīng)變片R15、 R16，應(yīng) 變片R13、 R14分別貼于第一薄矩形金屬片對角線的兩端，與第二薄矩形金 屬片對角線方向分別貼有的應(yīng)變片R15、 R16構(gòu)成d組電橋用于檢測Mz。圖3為水下機(jī)器人四維指尖力傳感器信息獲取中應(yīng)變片組橋的示意圖。 a、 b、 c、 d各組都分別構(gòu)成全橋檢測電路，其中a組的Rl與R2、 R3與R4 分別置于相對應(yīng)橋臂上，b組的R5與R6、 R7與R8分別置于相對應(yīng)橋臂上，c 組的R9與R12、 R10與Rll分別置于相對應(yīng)橋臂上，d組的R13與R14、 R15 與R16分別置于相對應(yīng)橋臂上。圖4為水下機(jī)器人四維指尖力傳感器受力分析圖。在圖4中，以半橢 球端面中心點(diǎn)為原心，長軸方向?yàn)閦方向建立笛卡爾坐標(biāo)系。力和力矩方 向規(guī)定為沿坐標(biāo)軸方向?yàn)檎较?，相?yīng)的力矩遵循右手原則。分析球面 上任意一點(diǎn)受力F，根據(jù)兩剛體點(diǎn)接觸原理，F(xiàn)方向應(yīng)為公法線的方向。根 據(jù)橢球特點(diǎn)，橢球上某點(diǎn)的公法線必與橢球的中心軸相交。設(shè)交點(diǎn)與原點(diǎn) 相距為h，作用力F與oxy平面的夾角為P ,作用力F在oxy平面的投影與 x軸的夾角為a。因?yàn)榘霗E球的抗彎截面系數(shù)較大，變形可忽略，即將受力體視為剛體，所以根據(jù)理論力學(xué)中空間任意力系向一點(diǎn)簡化的原理，可將F 簡化至原點(diǎn)o的等效力系《=(《，《，M,， A, MZ)T，并且滿足等式組-《=Fcos"cosa Fr = F cos / sin a Fz =Fsin/ < M乂 = My = F>顯然，如果傳感器測得等效力系《，相應(yīng)的受到的空間力大小、方向、角度都可以求得。由于傳感器夾持工件時(shí)受到的^、 ^^提供的信息并不重 要，所以不納入考慮范圍。而當(dāng)機(jī)器人手爪夾持工件有歪斜或者工件處于非穩(wěn)固抓取時(shí)^-對智能手爪的控制至關(guān)重要。所以只關(guān)心《，&，《，M、雖 然不能完全確定所受力的大小的精確方位，但是可以由這四個(gè)力信息可以得到一個(gè)等效力和一個(gè)等效力矩。該等效力作用于坐標(biāo)系原點(diǎn)，與oxy平 面的夾角為P，在oxy平面的投影與x軸的夾角為a 。圖5為水下機(jī)器人四維指尖力傳感器信息獲取示意圖。當(dāng)機(jī)器人本體 的智能手爪抓取物體時(shí)，指尖力傳感器l、指尖力傳感器2、指尖力傳感器 3的彈性體4接受從指尖1傳來的力發(fā)生一定量的形變，粘貼在彈性體4上 的應(yīng)變片隨彈性體4發(fā)生變形，應(yīng)變片的電阻亦發(fā)生改變，電阻變化率的 大小與應(yīng)變片粘貼處彈性體4的應(yīng)變的大小成比例變化。根據(jù)測量任務(wù)確 定的測量電路(接橋形式)將應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，由于 檢測電路的輸出信號極為微弱，因此用測量電路板6將指尖力傳感器1、指 尖力傳感器2、指尖力傳感器3的信號進(jìn)行信號調(diào)理調(diào)零、放大和模擬濾 波。得到的信號用數(shù)字硬件電路板7進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)值計(jì)算、 解耦，最后通過通訊接口將獲得的四維力信息Fx、 Fy、 Fz、 Mz傳送至水下 機(jī)器人本體。圖6為水下機(jī)器人四維指尖力傳感器信號采集與處理流程圖。水下機(jī) 器人四維指尖力傳感器采集與處理的步驟是開始進(jìn)行采集(步驟200);設(shè)定四維力信息中Fx信號取自a組電橋， Fy信號取自b組電橋，F(xiàn)z信號取自c組電橋，Mz信號取自d組電橋(步驟 210);位于水下機(jī)器人四維指尖力傳感器彈性體4上的四組電橋檢測到電 壓變化(步驟220);將a組電橋檢測到的電壓變化AUx、 b組電橋檢測到的電壓變化AUy、 c組電橋檢測到的電壓變化AUz、 d組電橋檢測到的電壓 變化A Umz在水下機(jī)器人四維指尖力傳感器內(nèi)腔的測量電路板6上進(jìn)行信號 調(diào)理，如調(diào)零、放大、模擬濾波(步驟230);將調(diào)理后的信號在數(shù)字硬件 電路板7上進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換(步驟240);等待水下機(jī)器人本體指令，判斷是 否進(jìn)行采集(步驟250)，當(dāng)未接收到數(shù)據(jù)采集指令，則繼續(xù)等待，當(dāng)接收 到數(shù)據(jù)采集指令，采集的原始信號經(jīng)過數(shù)值計(jì)算(步驟260);通過數(shù)字濾 波、解耦(步驟270);通訊接口將獲得的四維力信息傳送至水下機(jī)器人本 體(步驟280);由水下機(jī)器人本體決定采集是否結(jié)束(步驟290)，如果否 則返回步驟250繼續(xù)進(jìn)行采集，如果是則任務(wù)完成結(jié)束(步驟300)。實(shí)施例水下機(jī)器人本體的智能手爪上裝配有三個(gè)手指，每個(gè)手指尖 裝有四維指尖力傳感器，水下機(jī)器人智能手爪抓取工件時(shí)，位于機(jī)器人手 指指尖的水下機(jī)器人四維指尖力傳感器能夠檢測到各自所受到的Fx、 Fy、 Fz、 Mz。各水下機(jī)器人四維指尖力傳感器彈性體4的E型膜背面42和薄矩形金 屬片41隨著所受的四維力的變化發(fā)生形變，傳感器彈性體4上的a、 b、 c、 d四組電橋分別構(gòu)成全橋檢測電路將這種形變轉(zhuǎn)換為電壓的變化，電壓的變 化經(jīng)過集成于水下機(jī)器人四維指尖力傳感器上的測量電路板6進(jìn)行信號調(diào) 理，再經(jīng)過數(shù)字硬件電路7的模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)值計(jì)算、解耦，最后通過通訊 接口將獲得的四維力信息Fx、 Fy、 Fz、 Mz傳送至水下機(jī)器人本體。在E型膜四周圓環(huán)槽上放置密封圈3、 E型膜外圓面上的外螺紋與上蓋 2內(nèi)部的內(nèi)螺紋連接處的螺紋使用密封膠密封、上蓋2外螺紋與底座5內(nèi)螺 紋連接處的螺紋使用密封膠密封、水下機(jī)器人四維指尖力傳感器內(nèi)部全部 使用硅膠密封，使得整個(gè)水下機(jī)器人四維指尖力傳感器處于雙重密封之中。 傳感器內(nèi)部澆灌的硅膠能夠保護(hù)底座5空腔中放置的測量電路板6不與海 水接觸，配合彈性體4下部圓形金屬底板43完成深水壓力補(bǔ)償。
權(quán)利要求
1、一種水下機(jī)器人四維指尖力傳感器，包括相互連接的指尖(1)、上蓋(2)、密封圈(3)、彈性體(4)、底座(5)，所述指尖(1)是水下機(jī)器人四維指尖力傳感器中的受力體，采用半橢球形狀增大受力面積，置于水下機(jī)器人四維指尖力傳感器的頂端，所述指尖(1)的中間置有小孔內(nèi)螺紋經(jīng)上蓋(2)與彈性體(4)上的圓柱體外螺紋旋轉(zhuǎn)連接，所述上蓋(2)中置有內(nèi)螺紋和外螺紋；所述彈性體(4)的結(jié)構(gòu)是由E型膜通過下面的兩個(gè)薄矩形金屬片(41)固定連接在圓形金屬底板(43)上，所述彈性體(4)的圓形金屬底板(43)中間開有小孔，便于彈性體(4)上的測量電路與集成在底座(5)中測量電路板(6)相連接，所述E型膜的中間是一圓柱體，所述圓柱體的上面置有螺紋且四周是一圓形凹槽，所述圓形凹槽的邊緣置有圓環(huán)槽用于放置密封圈(3)，所述E型膜外圓面上置有的外螺紋與上蓋(2)內(nèi)部的內(nèi)螺紋連接并用螺紋密封膠密封，所述上蓋(2)中置有的外螺紋與底座(5)中的內(nèi)螺紋旋轉(zhuǎn)連接并用螺紋密封膠密封，所述底座(5)置有一空腔用于在安裝后放置測量電路板(6)，所述底座(5)的下面置有多個(gè)小孔，其中間的小孔用于引出導(dǎo)線，旁邊的小孔是螺紋孔用于與水下機(jī)器人本體的智能手爪機(jī)械連接，所述彈性體(4)中的E型膜通過下面的兩個(gè)薄矩形金屬片(41)固定連接在圓形金屬底板(43)上，其特征在于水下機(jī)器人四維指尖力傳感器還包括兩個(gè)薄矩形金屬片(41)、E型膜背面(42)和與測量電路板(6)電連接的數(shù)字硬件電路板(7)；所述彈性體(4)的結(jié)構(gòu)是由E型膜通過下面的兩個(gè)薄矩形金屬片(41)固定連接在圓形金屬底板(43)上，在所述E型膜背面(42)的貼有12片初始電阻值相等的應(yīng)變片R1～R12，分為a、b、c三組電橋，每組電橋由四片應(yīng)變片構(gòu)成，其中應(yīng)變片R1、R2、R3、R4構(gòu)成a組電橋用于檢測Fx，所述a組電橋的應(yīng)變片R1、R2、R3、R4在薄矩形金屬片(41)的縱向方向平行貼放；應(yīng)變片R5、R6、R7、R8構(gòu)成b組電橋用于檢測Fy，所述b組電橋的應(yīng)變片R5、R6、R7、R8在薄矩形金屬片(41)的橫向方向平行貼放；應(yīng)變片R9、R10、R11、R12構(gòu)成c組電橋用于檢測Fz，所述c組電橋的應(yīng)變片R9、R10、R11、R12在圓周上互成90度均勻貼放；應(yīng)變片R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R10、R11貼于E型膜背面(42)的內(nèi)圓周，R9、R12貼于E型膜背面(42)的外圓周；所述兩個(gè)薄矩形金屬片(41)包括第一薄矩形金屬片和第二薄矩形金屬片，其中所述第一薄矩形金屬片貼有應(yīng)變片R13、R14，所述第二薄矩形金屬片貼有應(yīng)變片R15、R16，所述應(yīng)變片R13、R14分別貼于第一薄矩形板對角線的兩端，與第二薄矩形金屬片對角線方向分別貼有的應(yīng)變片R15、R16構(gòu)成d組電橋用于檢測Mz；所述a、b、c、d四組電橋分別構(gòu)成全橋檢測電路，其中所述a組電橋的應(yīng)變片R1與R2、R3與R4分別置于相對應(yīng)的橋臂上，b組電橋的應(yīng)變片R5與R6、R7與R8分別置于相對應(yīng)的橋臂上，所述c組電橋的應(yīng)變片R9與R12、R10與R11分別置于相對應(yīng)的橋臂上，d組電橋的應(yīng)變片R13與R14、R15與R16分別置于相對應(yīng)的橋臂上；所述水下機(jī)器人四維指尖力傳感器在安裝結(jié)束前，將硅膠灌于整個(gè)內(nèi)部空腔中，防止所述E型膜下面的圓形金屬板(43)在深海壓力作用下發(fā)生變形，保證水下機(jī)器人四維指尖力傳感器的內(nèi)外壓力平衡達(dá)到自動(dòng)壓力補(bǔ)償?shù)淖饔?；所述測量電路板(6)是用于對信號進(jìn)行信號調(diào)理的模擬硬件電路板，所述信號調(diào)理是指對全橋檢測電路采集到的信息進(jìn)行調(diào)零、運(yùn)放、模擬濾波；所述數(shù)字硬件電路板(7)置于水下機(jī)器人本體的智能手爪中，用于對模擬信息進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)值計(jì)算、解耦和與水下機(jī)器人本體通訊；所述水下機(jī)器人本體的智能手爪上裝配有三個(gè)手指，每個(gè)手指尖裝有四維指尖力傳感器，水下機(jī)器人本體的智能手爪抓取工件時(shí)，位于機(jī)器人手指指尖的水下機(jī)器人四維指尖力傳感器能夠同時(shí)檢測到各自所受到的四維力信息Fx、Fy、Fz、Mz。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述一種用于水下機(jī)器人指尖四維力信息的獲取方 法，包括接收a、 b、 c、 d四組電橋的信號，其特征在于設(shè)定四維力信息中Fx信號取自a組電橋，四維力信息中Fy信號取自b 組電橋，四維力信息中Fz信號取自c組電橋，四維力信息中Mz信號取自d 組電橋；將a組電橋檢測到的電壓變化A Ux、 b組電橋檢測到的電壓變化A Uy、 c組電橋檢測到的電壓變化AUz、 d組電橋檢測到的電壓變化AUmz在傳感 器內(nèi)腔的測量電路板(6)上進(jìn)行信號調(diào)理中的調(diào)零、放大、模擬濾波；將調(diào)理后的信號在數(shù)字硬件電路板(7)上進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、 數(shù)值計(jì)算、解耦，經(jīng)通訊接口將獲得的四維力信息Fx、 Fy、 Fz、 Mz傳送至 水下機(jī)器人本體。
全文摘要
本發(fā)明公開了水下機(jī)器人四維指尖力傳感器及其信息獲取方法，傳感器包括相互連接的底座、上蓋、密封圈、指尖與彈性體及測量電路板和數(shù)字硬件電路板。彈性體E型膜感應(yīng)手爪接觸面法向的力Fz、切向的力Fx、Fy，薄矩形金屬片感應(yīng)繞法向的轉(zhuǎn)矩Mz，粘貼在彈性體上的應(yīng)變片組成的檢測電路將傳感器所受力和力矩的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化。方法中電壓的變化經(jīng)過集成于傳感器的測量電路板進(jìn)行信號調(diào)理，經(jīng)過數(shù)字硬件電路板的模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)值計(jì)算、解耦，經(jīng)通訊接口將四維力信息傳送至水下機(jī)器人本體。本發(fā)明用螺紋密封膠加密封圈來實(shí)現(xiàn)水下密封，用硅膠和圓形金屬底板實(shí)現(xiàn)深水下自動(dòng)壓力補(bǔ)償，能同時(shí)獲取水下機(jī)器人智能手爪所受的四維力。
文檔編號G01L1/20GK101281067SQ20081009789
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月21日
發(fā)明者孫玉蘋, 宋全軍, 張廣斌, 張棟翔, 瑜 戈, 曹會彬, 梁橋康, 王以俊, 葛運(yùn)建 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院