[发明专利]半球形机器人柔软指尖结构的整体刚度及接触力计算方法

权利要求书

1.一种半球形机器人柔软指尖结构的整体刚度及接触力计算方法，其特征在于：

所述半球形机器人柔软指尖结构包括弹性半球体和硬质底板；

所述弹性半球体，是形状为正半球形状的整块柔软材料，其材料弹性模量为E，球体半径为R，其底面为圆形，圆心标记为o；所述弹性半球体，具有良好的可压缩性和可恢复性；

所述硬质底板，为刚性薄板结构，且薄板平面的形状完全包络所述弹性半球体的底面；所述硬质底板，与所述弹性半球体的底面固连，为所述弹性半球体的整块柔软材料提供支撑；

所述半球形机器人柔软指尖结构，通过所述硬质底板与其它运动机构连接，进而通过所述其它运动机构的运动，带动自身运动；

所述半球形机器人柔软指尖结构，其弹性半球体在与硬质物件接触时发生变形，并与所述硬质物件间沿硬质物件的表面紧密贴合，形成接触面，将所述硬质物件的表面定义为载荷面；

所述载荷面为平面时，则所述接触面的形状为圆形，接触面在所述弹性半球体的底面的投影为椭圆投影面；所述椭圆投影面的形状为椭圆形，所述椭圆形的中心标记为o₁，将的方向设置为所述半球形机器人柔软指尖结构的X轴正向；将垂直于所述弹性半球体的底面，且经过o的轴线设置为所述半球形机器人柔软指尖结构的Z轴，所述Z轴的正向为从o指向所述弹性半球体的方向；将与XoZ平面垂直，并经过o的轴线标记为Y轴；所述接触面与所述弹性半球体未变形前的半球表面间，沿球体径向的间距，定义为最大径向位移量，记为s；所述载荷面与所述弹性半球体的底面间的相对偏角，定义为载荷面倾角，记为θ；所述X轴在XoY平面中逆时针旋转的转角，定义为水平考察角，记为α；所述X轴在XoY平面中逆时针旋转α形成的新轴线标记为X′轴；

所述半球形机器人柔软指尖结构，其沿Z轴方向的刚度定义为垂向刚度，记为K_v，其沿Z轴方向的弹性力定义为垂向接触力，记为F_v，其沿X′轴方向的刚度定义为水平刚度，记为K_h,α，其沿X′轴方向的弹性力定义为水平接触力，记为F_h,α。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述可压缩性，是指所述弹性半球体在受压时，所述弹性半球体的表面中未与载荷面接触的部分不发生明显变形；

所述可恢复性，是指所述接触面因载荷减小或载荷方向变化而发生变化时，所述弹性半球体的相关部分实时复原为原先形状；当所述载荷面完全离开所述弹性半球体后，所述弹性半球体恢复为正半球形。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取弹性半球体材料的弹性模量E和球体半径R；

获取所述载荷面倾角θ，实时计算得到所述垂向接触力F_v；

获取所述载荷面倾角θ与水平考察角α，计算水平刚度K_h,α，进而实时计算得到所述水平接触力F_h,α。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述水平刚度K_h,α，为所述半球形机器人柔软指尖结构沿所述X′轴方向的弯曲刚度，其值为

所述水平接触力F_h,α，其值为

其中，s_h,α为沿X′方向的位移量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

当所述水平考察角α的值为0时，所述水平刚度K_h,α的值为

即当α＝0时，水平刚度K_h,α与所述载荷面倾角θ无关，只与所述最大径向位移量s有关；

当所述水平考察角α的值为0时，所述水平接触力F_h,α的值为

其中，s_h为沿X轴方向的位移量，且s、s_h、s_h,α相互间的关系为s＝s_h·sinθ＝s_h,α·sinθ·cosα。