CN112140125B - 一种水下柔性目标抓取***及其精确力感知方法 - Google Patents

Abstract

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***及其精确力感知方法。本发明的一种水下柔性目标抓取***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***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***的精确力感知方法能够在水下机器人腕力传感器***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。

Description

一种水下柔性目标抓取***及其精确力感知方法

技术领域

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***及其精确力感知方法。

背景技术

自上个世纪后半叶以来，各种力感知和力控制***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***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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下柔性目标抓取***。

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***的精确力感知方法。

本发明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***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M_Z；

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τ_D1；

其中，ρ为水密度；C_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；

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，F_B为腱绳的主动张力；ζ_β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***的精确力感知；

本发明还可以包括：

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：

其中，F_x、F_y、F_z分别为作用力向量F沿x轴、y轴和z轴的分力；M_x、M_y、M_z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。

本发明的有益效果在于：

本发明的一种水下柔性目标抓取***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***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***的精确力感知方法能够在水下机器人腕力传感器***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

图1为十字梁弹性体坐标系示意图。

图2为十字梁弹性体网格划分图。

图3(a)为F_x作用下十字梁弹性体上弹性应力分布图。

图3(b)为F_z作用下十字梁弹性体上弹性应力分布图。

图3(c)为M_x作用下十字梁弹性体上弹性应力分布图。

图3(d)为M_z作用下十字梁弹性体上弹性应力分布图。

图4(a)为十字梁弹性体上电阻应变片布局示意图。

图4(b)为电阻应变片组桥方式示意图。

图5为信息处理模块的***流程图。

图6为十字梁弹性体标定实验装置图。

图7为水下柔性目标抓取***捏取海参的实物图。

图8为基关节力矩响应曲线图。

图9为摩擦力与水动力分离曲线图。

图10为欠驱动多指手爪模块的示意图。

图11(a)为驱动模块的剖面图。

图11(b)为驱动模块的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

一种水下柔性目标抓取***，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1-6；所述的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1-4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。

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。

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；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。

一种水下柔性目标抓取***的精确力感知方法，包括以下步骤：

步骤1：水下柔性目标抓取***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M_Z；

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τ_D1；

其中，ρ为水密度；C_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；

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，F_B为腱绳的主动张力；ζ_β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***的精确力感知；

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：

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；

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；

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：

其中，F_x、F_y、F_z分别为作用力向量F沿x轴、y轴和z轴的分力；M_x、M_y、M_z分别为作用力向量F绕x轴、y轴和z轴的力矩；

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。

本发明的一种水下柔性目标抓取***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，包括一套基于有限元方法(Finite ElementMethod，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***弹性敏感结构单元、硬件处理电路***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***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***的精确力感知方法能够在水下机器人腕力传感器***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。

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。

一种水下柔性目标抓取***，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。

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。

一种面向水下柔性目标抓取的精确力感知***，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：

根据全桥电路的特点建立阻值变化与桥路输出的联系：

其中K_S为电阻应变片灵敏度系数；ε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：

U_out＝K_sεE

为了精确获得输入的六维力向量与输出电压向量之间的关系，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：

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：

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。

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：

F_6*36＝C_6*6U_6*36

其中，F_6*36为输入力矩阵；U_6*36为输出电压矩阵。

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小应变能，当(U·U^T)满秩的情况下计算得出的解耦矩阵最为准确，最终得到的解耦矩阵为：

C＝F·U^T·(U·U^T)^-1

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。

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：

其中，ρ----水密度，kg/mm³；

C_d----阻力系数；

v_n(x)----柱体表面法向速度，mm/s；

r----柱体的半径，mm；

dx----切片单元的厚度

由于水阻力系数C_d是随某些参量做非线性变化的，本发明中采用经验值取C_d＝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：

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擦：第一，手指关节轴与轴承的摩擦，此处摩擦力非常小，可以忽略；第二，拉动过程忽略腱绳自身内部摩擦；第三，腱绳与支柱之间的摩擦，此处为主要的摩擦，故只针对该摩擦建立摩擦力补偿模型，位于关节处的摩擦力矩如下：

式中，F_B为腱绳的主动张力；

为腱绳与手指长轴上轴套的摩擦力矩；R₁为手指长轴上的轴套的沟槽的半径；ζ_β为绳索微段的摩擦系数。本专利所设计的手爪抓取结构由四根完全相同的手指构成，由于结构的对称性，只需在计算一根手指阻力矩的基础上就可以得到整个抓取结构最终整体的抓取力大小，其表达式为：

图2为利用有限元方法对弹性体进行网络划分，利用SMARTSIZING功能自动划分网络以适应弹性体复杂的几何外形。

图3(a)至图3(d)中使用ANSYS软件复现弹性体在几种外力作用下的受力状况，在软件中定义弹性体材料属性及约束，对其施加一定的力载荷，分析结果通过应力分布云图展现，并以此为依据提出一种应变片贴片位置方案。

图4(a)是应变片的位置示意图，图4(b)是组桥方式示意图，六组电桥分别测量六路力分量，根据弹性体受力结果分析，为提高精度将应变片贴片位置布置在不同十字梁的不同位置并最大程度上靠近变形较大的靠中心台区域。

图5是硬件电路部分电路原理图，采用仪表放大芯片AD620对应变电桥输出的微弱差分信号进行放大。

图6展示与弹性敏感单元配套装配于水密保护外壳中的印制电路板，为便于布置电路板形状为圆形。

图5介绍了传感器的采集流程，使用应变片完成力信号到电信号的转换，电桥信号经拾取处理后通过串行接口传送至上位机。

图6是实验室简易传感器标定加载实验装置，利用专用的加载帽配合细线、滑轮和砝码改变加载力的大小和方向。十字梁弹性体标定加载实验流程如下：

1)电源通电，记录空载时各输出通道读数大小；

2)调节定滑轮高度，使滑轮与加载帽上细线系留点高度一致以确保细线与工作台台面保持水平；

3)在十字梁弹性体量程范围内划分出若干等间距加载点

4)根据步骤(3)中的划分情况，按照加载量从小到大的原则，逐渐增加输入的标准力大小，并在上位机软件保存记录每组输入输出；

5)达到传感器最大测量范围后将输入值逆量程逐渐减少，同时记录与输入力值对应的输出电压；

6)重复步骤(4)、(5)多次按照正反行程对传感器进行往复标定测量列出相应表格，对相同输入下的测量结果取平均，绘制输入输出曲线。

力加载的砝码起始重量从0kg开始，将满量程100N等分为5个间距点并按照2Kg的增量间隔增减；扭矩利用两组滑轮和砝码通过一对等大反向力偶的形式作用到弹性体上，将满量程100N·m等分为5个间距点并按照2N·m的增量间隔改变。

图7是机械手抓取海参实物图，将传感器、相关电路部分与壳体装配一致后用上位机控制机械手进行实体海参的抓取，同时在上位机上位机上采集通道获得的抓取数据以便后续处理。

图8是基关节力矩响应曲线图，利用图9获得的相关数据在软件中得到抓取过程中基关节的力矩随时间相应图像。

图9是抓取摩擦力与水动力分离曲线，利用本发明中摩擦损耗力矩和水阻力矩的相关分析方法对传感器测得力矩进行补偿，从而获得补偿摩擦力与水动力后的真实抓取力矩大小。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种水下柔性目标抓取***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***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M_Z；

所述的水下柔性目标抓取***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；

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τ_D1；

其中，ρ为水密度；C_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；

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，F_B为腱绳的主动张力；ζ_β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***的精确力感知；

2.根据权利要求1所述的一种水下柔性目标抓取***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：

其中，F_x、F_y、F_z分别为作用力向量F沿x轴、y轴和z轴的分力；M_x、M_y、M_z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。

Images