[发明专利]水下机器人四维指尖力传感器及其信息获取方法

说明书

技术领域

本发明涉及海洋测量与传感技术、仿人机器人技术，特别涉及水下机器人四维指尖力传感器及其信息获取方法。

背景技术

众所周知，海底环境非常恶劣。无论是沉船打捞、海上救生、光缆铺设，还是资源勘探和开采，一般的设备很难完成。针对这种情况，国内外研制了多种水下机器人，为了让水下机器人更加顺利完成水下特殊环境中的作业，应当使机器人手爪具有一定的自主功能，这就要求机器人手爪具备感知诸如力觉、触觉、滑觉、振动觉等环境信息的功能。虽然各种普通力觉触觉传感器功能齐全、种类繁多，但是受到深海环境限制不能直接用于水下，必须进行改造或者重新设计。

目前国内外尚无较好解决深水压力问题的力传感器。AMTI公司研制的UDMW3力传感器采用一个充油的软外壳来平衡水压，但在深海环境下要较好的满足水压平衡的要求，需软外壳发生较大的变形，机器人工作时，受到水阻力的软外壳产生一定变形，使力传感器的性能大大下降，另外软外壳抗破坏的能力较差及形状、质心不定，这些都限制了该压力平衡方式的力传感器的工作状况与环境要求。

根据水下作业时手指接触模型的研究结果，要求指力传感器有4个方向力检测能力，即接触法线方向的正压力Fx，作为夹紧力大小、和接触觉检测；接触切平面两个方向的力Fy、Fz作为滑觉检测，一个绕接触面法线的转矩Mz作为多指夹抓取时，对目标力约束条件分析。在实际应用中，发现在水下应用场合中的四维力传感器是最实用的力传感器，而目前尚无专用于水下的四维力传感器，一般是利用现有六维力传感器其中的四维信号来实现四维力信息的获取，这样不仅造成硬件资源的浪费，而且维间耦合很难消除。并且现在的大部分传感器都未能考虑到密封和压力补偿，因而无法直接用于水下机器人智能手爪。

现在技术已有多种力传感器，如中国科学院合肥智能机械研究所戈瑜、葛运建等于2001年4月4日公开的公开号为CN1289917A发明专利。该发明名称是：一种基于陶瓷厚膜技术的六维力传感器，该六维力传感器采用烧结体陶瓷的上下E型圆膜片和十字梁作为弹性体，并在上下E型圆膜片和十字梁上烧结钌系厚膜力敏电阻，下E型膜的三组电阻用来实现对Fx，Fy，Fz的测量，上E型膜的两组电阻用来实现对Mx，My的测量，十字梁用来实现对Mz的测量。其加工实现容易、易于实现小型化，但结构复杂、弹性体不是一体化的结构、存在大量冗余信息、受力时十字梁的变形影响了下E型圆膜片的测量，而且十字梁和烧结体陶瓷强度有限，故传感器的量程也有限，限制了其在水下传感器中的应用。

发明内容

本发明的目的是：针对目前国内外相关技术存在的问题和缺陷，提出一种新型的水下机器人四维指尖力传感器及其信息获取方法，该发明能同时获取水下机器人智能手爪指尖受到的四维力信息，为水下器人及智能手爪完成智能作业提供高质量的力信息。该四维指尖力传感器结构简单、灵敏度高、维间耦合小、容易标定，同时获取力信息的精度高、可靠性好。

本发明的技术方案是：一种水下机器人四维指尖力传感器，包括相互连接的指尖、上盖、密封圈、弹性体、底座，指尖是水下机器人四维指尖力传感器中的受力体，采用半椭球形状增大受力面积，置于水下机器人四维指尖力传感器的顶端，指尖的中间置有小孔内螺纹经上盖与弹性体上的圆柱体外螺纹旋转连接，上盖中置有内螺纹和外螺纹；

弹性体的结构是由E型膜通过下面的两个薄矩形金属片固定连接在圆形金属底板上，圆形金属底板中间开有小孔，便于弹性体上的测量电路与集成在底座中测量电路板相连接，E型膜的中间是一圆柱体，圆柱体的上面置有螺纹且四周是一圆形凹槽，圆形凹槽的边缘置有圆环槽用于放置密封圈，E型膜外圆面上置有的外螺纹与上盖内部的内螺纹连接并用螺纹密封胶密封，上盖中置有的外螺纹与底座中的内螺纹旋转连接并用螺纹密封胶密封，底座置有一空腔用于在安装后放置测量电路板，底座的下面置有多个小孔，其中间的小孔用于引出导线，旁边的小孔是螺纹孔用于与机器人手爪本体的智能手爪机械连接，弹性体中的E型膜通过下面的两个薄矩形金属片固定连接在圆形金属底板上，特别是：

水下机器人四维指尖力传感器还包括两个薄矩形金属片、E型膜底部和与测量电路板电连接的数字硬件电路板；

弹性体的结构是由E型膜通过下面的两个薄矩形金属片固定连接在圆形金属底板上，在E型膜上背面的贴有12片初始电阻值相等的应变片R1～R12，分为a、b、c三组电桥，每组电桥由四片应变片构成，其中：

R1、R2、R3、R4构成a组电桥用于检测Fx，a组电桥的R1、R2、R3、R4在薄矩形金属片的纵向方向平行贴放；