[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

摘要

本发明公开了水下机器人四维指尖力传感器及其信息获取方法，传感器包括相互连接的底座、上盖、密封圈、指尖与弹性体及测量电路板和数字硬件电路板。弹性体E型膜感应手爪接触面法向的力Fz、切向的力Fx、Fy，薄矩形金属片感应绕法向的转矩Mz，粘贴在弹性体上的应变片组成的检测电路将传感器所受力和力矩的变化转化为电压的变化。方法中电压的变化经过集成于传感器的测量电路板进行信号调理，经过数字硬件电路板的模数转换、数字滤波、数值计算、解耦，经通讯接口将四维力信息传送至水下机器人本体。本发明用螺纹密封胶加密封圈来实现水下密封，用硅胶和圆形金属底板实现深水下自动压力补偿，能同时获取水下机器人智能手爪所受的四维力。

主权项

1、一种水下机器人四维指尖力传感器，包括相互连接的指尖(1)、上盖(2)、密封圈(3)、弹性体(4)、底座(5)，所述指尖(1)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，所述指尖(1)的中间置有小孔内螺纹经上盖(2)与弹性体(4)上的圆柱体外螺纹旋转连接，所述上盖(2)中置有内螺纹和外螺纹；所述弹性体(4)的结构是由E型膜通过下面的两个薄矩形金属片(41)固定连接在圆形金属底板(43)上，所述弹性体(4)的圆形金属底板(43)中间开有小孔，便于弹性体(4)上的测量电路与集成在底座(5)中测量电路板(6)相连接，所述E型膜的中间是一圆柱体，所述圆柱体的上面置有螺纹且四周是一圆形凹槽，所述圆形凹槽的边缘置有圆环槽用于放置密封圈(3)，所述E型膜外圆面上置有的外螺纹与上盖(2)内部的内螺纹连接并用螺纹密封胶密封，所述上盖(2)中置有的外螺纹与底座(5)中的内螺纹旋转连接并用螺纹密封胶密封，所述底座(5)置有一空腔用于在安装后放置测量电路板(6)，所述底座(5)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水下机器人本体的智能手爪机械连接，所述弹性体(4)中的E型膜通过下面的两个薄矩形金属片(41)固定连接在圆形金属底板(43)上，其特征在于：水下机器人四维指尖力传感器还包括两个薄矩形金属片(41)、E型膜背面(42)和与测量电路板(6)电连接的数字硬件电路板(7)；所述弹性体(4)的结构是由E型膜通过下面的两个薄矩形金属片(41)固定连接在圆形金属底板(43)上，在所述E型膜背面(42)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：应变片R1、R2、R3、R4构成a组电桥用于检测Fx，所述a组电桥的应变片R1、R2、R3、R4在薄矩形金属片(41)的纵向方向平行贴放；应变片R5、R6、R7、R8构成b组电桥用于检测Fy，所述b组电桥的应变片R5、R6、R7、R8在薄矩形金属片(41)的横向方向平行贴放；应变片R9、R10、R11、R12构成c组电桥用于检测Fz，所述c组电桥的应变片R9、R10、R11、R12在圆周上互成90度均匀贴放；应变片R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R10、R11贴于E型膜背面(42)的内圆周，R9、R12贴于E型膜背面(42)的外圆周；所述两个薄矩形金属片(41)包括第一薄矩形金属片和第二薄矩形金属片，其中所述第一薄矩形金属片贴有应变片R13、R14，所述第二薄矩形金属片贴有应变片R15、R16，所述应变片R13、R14分别贴于第一薄矩形板对角线的两端，与第二薄矩形金属片对角线方向分别贴有的应变片R15、R16构成d组电桥用于检测Mz；所述a、b、c、d四组电桥分别构成全桥检测电路，其中所述a组电桥的应变片R1与R2、R3与R4分别置于相对应的桥臂上，b组电桥的应变片R5与R6、R7与R8分别置于相对应的桥臂上，所述c组电桥的应变片R9与R12、R10与R11分别置于相对应的桥臂上，d组电桥的应变片R13与R14、R15与R16分别置于相对应的桥臂上；所述水下机器人四维指尖力传感器在安装结束前，将硅胶灌于整个内部空腔中，防止所述E型膜下面的圆形金属板(43)在深海压力作用下发生变形，保证水下机器人四维指尖力传感器的内外压力平衡达到自动压力补偿的作用；所述测量电路板(6)是用于对信号进行信号调理的模拟硬件电路板，所述信号调理是指对全桥检测电路采集到的信息进行调零、运放、模拟滤波；所述数字硬件电路板(7)置于水下机器人本体的智能手爪中，用于对模拟信息进行模数转换、数字滤波、数值计算、解耦和与水下机器人本体通讯；所述水下机器人本体的智能手爪上装配有三个手指，每个手指尖装有四维指尖力传感器，水下机器人本体的智能手爪抓取工件时，位于机器人手指指尖的水下机器人四维指尖力传感器能够同时检测到各自所受到的四维力信息Fx、Fy、Fz、Mz。