[發明專利]一種水下柔性目標抓取系統及其精確力感知方法

有效

• 申請號: 202011009532.3
• 申請日: 2020-09-23
• 公開（公告）號: CN112140125B
• 公開（公告）日: 2022-01-14
• 發明（設計）人: 黃海;徐明浩;張萬里;徐楊;李冀永;姜濤;李加強
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: B25J11/00
• 分類號: B25J11/00;B25J9/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種水下柔性目標抓取系統的精確力感知方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：水下柔性目標抓取系統在執行對作業目標的無損可靠抓取時，信息處理模塊獲取十字梁彈性體因形變產生的電信號，根據十字梁彈性體受到的力向量與差動惠斯通全橋輸出的電壓關系，獲取豎直方向的抓取力矩M_Z；

所述的水下柔性目標抓取系統包括欠驅動多指手爪模塊、驅動模塊和信息處理模塊；所述的欠驅動多指手爪模塊包括手爪基座，在手爪基座兩側分別安裝有兩根機械手指，四根機械手指結構相同；所述的機械手指包括上指節、下指節和手指基座；所述的手指基座安裝于手爪模塊上；所述的下指節包括下指節左側板和下指節右側板，在下指節左側板上部與下指節右側板上部之間設有上關節扭簧，在下指節左側板底部與下指節右側板底部之間設有下關節扭簧；所述的下關節扭簧的下端抵在手指基座下平面凸臺處，下關節扭簧的上端抵在下指節右側板凸起處；所述的下指節左側板下端、下指節右側板下端和下關節扭簧通過手指長軸串連在一起，安裝在手指基座上；所述的手指長軸上設有軸套，在軸套上開設有溝槽；所述的上指節包括上指節指板；所述的上指節指板下端、下指節左側板上端、上關節扭簧和下指節右側板上端通過手指關節銷軸串連在一起；所述的手指關節銷軸左右兩端通過軸承分別安置在下指節左側板上端和下指節右側板上端，手指關節銷軸穿過上關節扭簧中心并將上關節扭簧的上端抵在上指節指板內側凸起處，上關節扭簧的下端抵在手指細軸上；所述的手指細軸安裝在上關節扭簧下方，手指細軸兩端分別穿過下指節左側板與下指節右側板上的定位孔并抵住兩板，在下指節左側板與下指節右側板上方設有手指護板，手指護板將下指節左側板與下指節右側板連接為一體；所述的上指節指板的上部設有立柱結構，在立柱結構外部包覆有指套；所述的上指節指板上端安裝有腱繩；所述的腱繩的上端固定于上指節指板上端，腱繩的下端依次繞過手指關節銷軸、手指細軸與軸套上的溝槽后固定在繩輪筒上；所述的繩輪筒與驅動模塊的驅動主軸連接；位于手爪基座同一側的兩根機械手指的手指長軸相連；

所述的信息處理模塊包括十字梁彈性體；所述的十字梁彈性體為中心對稱結構，包括中心臺；所述的中心臺是底面為正方形的立方體，在中心臺中央開設有與驅動主軸適配的安裝孔，中心臺的正面安裝有第一主梁，中心臺的背面安裝有第二主梁，中心臺的左側面安裝有第三主梁，中心臺的右側面安裝有第四主梁，四根主梁結構相同，四根主梁的另一端安裝有浮動梁，四根浮動梁通過四組固定平臺首尾連接；所述的驅動模塊包括水密外殼和驅動舵機；所述的驅動舵機固定于水密外殼中，驅動舵機輸出端通過軸承與驅動主軸連接；所述的十字梁彈性體安裝在水密外殼的動密封蓋上；所述的驅動主軸上端穿過動密封蓋和中心臺中央的安裝孔后與繩輪筒連接；所述的十字梁彈性體的四根主梁上貼覆有差動惠斯通全橋；

步驟2：計算抓取過程中作用在每根機械手指上的水阻力矩τ_D1；

其中，ρ為水密度；C_d為阻力系數；r₁為機械手指的上指節等效柱體的半徑；r₂為機械手指的下指節等效柱體的半徑；l₁為機械手指的上指節等效柱體的長度；l₂為機械手指的下指節等效柱體的長度；

步驟3：計算腱繩在傳動過程中，腱繩與手指長軸上軸套的摩擦力矩；

其中，F_B為腱繩的主動張力；ζ_β為腱繩繩索微段的摩擦系數；R₁為軸套溝槽的半徑；

步驟4：計算欠驅動多指手爪的抓取力矩，完成對水下柔性目標抓取系統的精確力感知；

2.根據權利要求1所述的一種水下柔性目標抓取系統的精確力感知方法，其特征在于：所述的步驟1中十字梁彈性體受到的力向量與差動惠斯通全橋輸出的電壓關系的獲取方法為：

以十字梁彈性體中央位置為原點，以十字梁彈性體相互垂直的兩條主梁為x軸和y軸，以豎直方向為z軸建立坐標系；所述的差動惠斯通全橋由電阻應變片組成；

所述的第一主梁的頂面安裝有第三電阻應變片R3和第四電阻應變片R4，在第一主梁的底面安裝有第九電阻應變片R9和第十電阻應變片R10，在第一主梁的兩側面分別安裝有第十五電阻應變片R15和第十六電阻應變片R16；

所述的第二主梁的頂面安裝有第一電阻應變片R1和第二電阻應變片R2，在第二主梁的底面安裝有第七電阻應變片R7和第八電阻應變片R8，在第二主梁的兩側面分別安裝有第十三電阻應變片R13和第十四電阻應變片R14；

所述的第三主梁的頂面安裝有第六電阻應變片R6，在第三主梁的底面安裝有第十二電阻應變片R12，在第三主梁的一側安裝有第二十一電阻應變片R21和第二十二電阻應變片R22，在第三主梁的另一側安裝有第二十三電阻應變片R23和第二十四電阻應變片R24；

所述的第四主梁的頂面安裝有第五電阻應變片R5，在第四主梁的底面安裝有第十一電阻應變片R11，在第四主梁的一側安裝有第十七電阻應變片R17和第十八電阻應變片R18，在第四主梁的另一側安裝有第十九電阻應變片R19和第二十電阻應變片R20；

所有電阻阻值相同，第十四電阻應變片R14、第十七電阻應變片R17和第十八電阻應變片R18位于坐標系同一象限；第十三電阻應變片R13、第二十一電阻應變片R21和第二十二電阻應變片R22位于坐標系同一象限；第十五電阻應變片R15、第二十三電阻應變片R23和第二十四電阻應變片R24位于坐標系同一象限；第十六電阻應變片R16、第十九電阻應變片R19和第二十電阻應變片R20位于坐標系同一象限；

第一電阻應變片R1、第七電阻應變片R7、第十三電阻應變片R13、第十四電阻應變片R14、第三電阻應變片R3、第九電阻應變片R9、第十五電阻應變片R15、第十六電阻應變片R16、第二十一電阻應變片R21、第二十三電阻應變片R23、第十七電阻應變片R17和第十九電阻應變片R19距離原點的距離相同；

第二電阻應變片R2、第八電阻應變片R8、第六電阻應變片R6、第十二電阻應變片R12、第二十二電阻應變片R22、第二十四電阻應變片R24、第四電阻應變片R4、第十電阻應變片R10、第五電阻應變片R5、第十一電阻應變片R11、第十八電阻應變片R18和第二十電阻應變片R20距離原點的距離相同；

十字梁彈性體受到的力向量F與差動惠斯通全橋輸出的電壓關系為：

其中，F_x、F_y、F_z分別為作用力向量F沿x軸、y軸和z軸的分力；M_x、M_y、M_z分別為作用力向量F繞x軸、y軸和z軸的力矩；為由第十三電阻應變片R13、第十四電阻應變片R14、第十五電阻應變片R15和第十六電阻應變片R16組成的差動惠斯通全橋的輸出電壓；為由第十九電阻應變片R19、第十七電阻應變片R17、第二十三電阻應變片R23和第二十一電阻應變片R21組成的差動惠斯通全橋的輸出電壓；為由第七電阻應變片R7、第一電阻應變片R1、第九電阻應變片R9和第三電阻應變片R3組成的差動惠斯通全橋的輸出電壓；為由第四電阻應變片R4、第十電阻應變片R10、第八電阻應變片R8和第二電阻應變片R2組成的差動惠斯通全橋的輸出電壓；為由第十二電阻應變片R12、第六電阻應變片R6、第五電阻應變片R5和第十一電阻應變片R11組成的差動惠斯通全橋的輸出電壓；為由第二十二電阻應變片R22、第二十四電阻應變片R24、第二十電阻應變片R20和第十八電阻應變片R18組成的差動惠斯通全橋的輸出電壓；解耦矩陣C可通過對十字梁彈性體施加標準力載荷進行標定試驗獲取。