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。

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；

R5、R6、R7、R8构成b组电桥用于检测Fy，b组电桥的R5、R6、R7、R8在薄矩形金属片的横向方向平行贴放；

R9、R10、R11、R12构成c组电桥用于检测Fz，c组电桥的应变片R9、R10、R11、R12在圆周上互成90度均匀贴放；

两个薄矩形金属片包括第一薄矩形金属片和第二薄矩形金属片，其中第一薄矩形金属片贴有应变片R13、R14，第二薄矩形金属片分别贴有应变片R15、R16，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；

a、b、c、d四组电桥中a组电桥的R1与R2、R3与R4，b组电桥的应变片R5与R6、R7与R8，c组电桥的应变片R9与R12、R10与R11，d组电桥的应变片R13与R14，R15与R16分别置于各自全桥检测电路相对应的桥臂上；

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；

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E型膜下面的圆形金属板在深海压力作用下发生变形，保证传感器的内外压力平衡达到自动压力补偿的作用；

测量电路板是模拟硬件电路板，用于对全桥检测电路采集的信息进行调零、运放、模拟滤波；

数字硬件电路板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；

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。

一种用于水下机器人四维指尖力传感器的信息获取方法，包括接收a、b、c、d四组电桥的信号，特别是：

设定四维力信息中Fx信号取自a组电桥，四维力信息中Fy信号取自b组电桥，四维力信息中Fz信号取自c组电桥，四维力信息中Mz信号取自d组电桥；

将a组电桥检测到的电压变化ΔUx、b组电桥检测到的电压变化ΔUy、c组电桥检测到的电压变化ΔUz、d组电桥检测到的电压变化ΔUmz在传感器内腔的测量电路板上进行信号调理中的调零、运放、模拟滤波；

将调理后的信号在数字硬件电路板上进行模数转换、数值计算、数字滤波、解耦，通讯接口将获得的四维力信息Fx、Fy、Fz、Mz传送至水下机器人本体。

有益效果：

现有技术中的一种基于陶瓷厚膜技术的六维力传感器CN1289917A，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。

本发明的发明点是：水下机器人四维指尖力传感器弹性体的结构是由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型膜的背面和薄矩形金属片上放置水下机器人四维指尖力传感器的检测电路并组成相应的电桥。其中，E型膜背面的内圆周贴有应变片R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R10、R11，外圆周贴有R9、R12；两个薄矩形金属片的对角线两端分别贴有应变片R13、R14和应变片R15、R16。16片应变片构成a、b、c、d四组全桥检测电路。其中，R1、R2、R3、R4构成a组电桥用于检测Fx，在薄矩形金属片的纵向方向平行贴放；R5、R6、R7、R8构成b组电桥用于检测Fy，在薄矩形金属片的横向方向平行贴放；R9、R10、R11、R12构成c组电桥用于检测Fz，在圆周上互成90度均匀贴放；R13、R14、R15、R16构成d组电桥用于检测Mz。在各组全桥检测电路中：R1与R2、R3与R4、R5与R6、R7与R8、R9与R12、R10与R11、R13与R14、R15与R16分别置于各自全桥检测电路相对应的桥臂上；

E型膜外圆面外螺纹与上盖内部内螺纹连接处、上盖外螺纹与底座内螺纹连接处都用螺纹密封胶密封，结合E型膜边缘置有的圆环槽上放置的密封圈来实现密封；

整个水下机器人四维指尖力传感器内部空腔中浇灌的硅胶和E型膜下面的圆形金属板共同作用，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，保证水下机器人四维指尖力传感器在深海压力作用下不被破坏；

位于水下机器人四维指尖力传感器内部空腔中的模拟电路部分接收测量电路传来的原始信息进行调零、放大、模拟滤波，位于水下机器人四维指尖力传感器外部的数字电路部分接收模拟电路传来的信息，进行模数转换、数字滤波、数值计算、解耦，最后通过通讯接口将获得的四维力信息Fx、Fy、Fz、Mz传送至水下机器人本体。

本发明充分考虑到深海水下机器人作业时所处的高压力、强腐蚀性等特殊环境因素，采用大量程的弹性体结构、采用硅胶加圆形金属薄板的变形来实现压力补偿、采用螺纹密封胶加密封圈来实现双重密封防泄露。通过这些措施，能同时检测水下机器人本体的智能手爪指尖受到的四维力信息：手爪接触面法向的力Fz、切向的力Fx、Fy，绕法向转矩Mz，并实时将信息传送到水下机器人本体，水下机器人本体利用这些力信息不但能检测和控制抓取物体时的握力，而且还可以检测被抓取物体的重量，以及在抓取操作过程中的抓取状态是否存在滑动、振动等现象，为水下机器人本体的智能手爪完成智能作业提供硬件基础。本发明的水下机器人四维指尖力传感器结构简单、强度合适、灵敏度高、维间耦合小、容易标定。

附图说明

图1为水下机器人四维指尖力传感器结构示意图。

图2为水下机器人四维指尖力传感器弹性体上应变片的贴片示意图。

图3为水下机器人四维指尖力传感器信息获取中应变片组桥的示意图。

图4为水下机器人四维指尖力传感器弹性体受力分析图。

图5为水下机器人四维指尖力传感器信息获取示意图。

图6为水下机器人四维指尖力传感器信号采集与处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步的详细说明。

在图1中，1是指尖，2是上盖，3是密封圈，4是弹性体，5是底座，6是测量电路板，7是数字硬件电路板，42是E型膜背面，41是薄矩形金属片，43是圆形金属底板。

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，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电连接，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3，在E型膜的背面42和薄矩形金属片41上放置水下机器人四维指尖力传感器的检测电路并组成相应的电桥，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，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，底座5置有一空腔用于在安装后放置测量电路板6，底座5的下面置有多个小孔，其中间的小孔用于引出导线，旁边的螺纹孔用于与水下机器人本体的智能手爪机械连接。对水下机器人四维指尖力传感器内部浇灌硅胶，配合弹性体4下部圆形金属薄板43完成水压力补偿。位于水下机器人四维指尖力传感器内部空腔中的测量电路板6接收测量电路传来的原始信息进行调零、放大、模拟滤波，位于水下机器人四维指尖力传感器外部的数字电路板7接收模拟电路传来的信息进行模数转换、数字滤波、数值计算、解耦，并通过通讯接口将获得的四维力信息Fx、Fy、Fz、Mz传送至水下机器人本体。

图2为水下机器人四维指尖力传感器弹性体上应变片的贴片示意图。其中：图2左图为E型膜背面42的贴片方式，共贴有12片初始电阻值相等的应变片R1～R12，分为a、b、c三组，R1、R2、R3、R4构成a检测组用于检测Fx，在薄矩形金属片41的纵向方向分别平行贴放；R5、R6、R7、R8构成b检测组用于检测Fy，在薄矩形金属片41的横向方向分别平行贴放；R9、R10、R11、R12构成c检测组用于检测Fz，在圆周上互成90度均匀贴放。

图2右图为薄矩形金属片41上的贴片方式，其中第一薄矩形金属片分别贴有应变片R13、R14，第二薄矩形金属片分别贴有应变片R15、R16，应变片R13、R14分别贴于第一薄矩形金属片对角线的两端，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。

图3为水下机器人四维指尖力传感器信息获取中应变片组桥的示意图。a、b、c、d各组都分别构成全桥检测电路，其中a组的R1与R2、R3与R4分别置于相对应桥臂上，b组的R5与R6、R7与R8分别置于相对应桥臂上，c组的R9与R12、R10与R11分别置于相对应桥臂上，d组的R13与R14、R15与R16分别置于相对应桥臂上。

图4为水下机器人四维指尖力传感器受力分析图。在图4中，以半椭球端面中心点为原心，长轴方向为z方向建立笛卡尔坐标系。力和力矩方向规定为：沿坐标轴方向为正方向，相应的力矩遵循右手原则。分析球面上任意一点受力F，根据两刚体点接触原理，F方向应为公法线的方向。根据椭球特点，椭球上某点的公法线必与椭球的中心轴相交。设交点与原点相距为h，作用力F与oxy平面的夹角为β，作用力F在oxy平面的投影与x轴的夹角为α。因为半椭球的抗弯截面系数较大，变形可忽略，即将受力体视为刚体，所以根据理论力学中空间任意力系向一点简化的原理，可将F简化至原点o的等效力系F_o＝(F_x，F_y，F_z，M_x，M_y，M_z)^T，并且满足等式组：

$\left(\begin{array}{c}{F}_x=F\cos \beta \cos \alpha \\ F_y=F\cos \beta \sin \alpha \\ F_z=F\sin \beta \\ M_x=F_{x}h\\ M_y=F_{x}h\\ M_z=0\end{array}\right)$

显然，如果传感器测得等效力系F_o，相应的受到的空间力大小、方向、角度都可以求得。由于传感器夹持工件时受到的M_x、M_y提供的信息并不重要，所以不纳入考虑范围。而当机器人手爪夹持工件有歪斜或者工件处于非稳固抓取时M_z对智能手爪的控制至关重要。所以只关心F_x，F_y，F_z，M_z，虽然不能完全确定所受力的大小的精确方位，但是可以由这四个力信息可以得到一个等效力和一个等效力矩。该等效力作用于坐标系原点，与oxy平面的夹角为β，在oxy平面的投影与x轴的夹角为α。

图5为水下机器人四维指尖力传感器信息获取示意图。当机器人本体的智能手爪抓取物体时，指尖力传感器1、指尖力传感器2、指尖力传感器3的弹性体4接受从指尖1传来的力发生一定量的形变，粘贴在弹性体4上的应变片随弹性体4发生变形，应变片的电阻亦发生改变，电阻变化率的大小与应变片粘贴处弹性体4的应变的大小成比例变化。根据测量任务确定的测量电路(接桥形式)将应变片的电阻变化转换为电压的变化，由于检测电路的输出信号极为微弱，因此用测量电路板6将指尖力传感器1、指尖力传感器2、指尖力传感器3的信号进行信号调理：调零、放大和模拟滤波。得到的信号用数字硬件电路板7进行模数转换、数字滤波、数值计算、解耦，最后通过通讯接口将获得的四维力信息Fx、Fy、Fz、Mz传送至水下机器人本体。

图6为水下机器人四维指尖力传感器信号采集与处理流程图。水下机器人四维指尖力传感器采集与处理的步骤是：

开始进行采集(步骤200)；设定四维力信息中Fx信号取自a组电桥，Fy信号取自b组电桥，Fz信号取自c组电桥，Mz信号取自d组电桥(步骤210)；位于水下机器人四维指尖力传感器弹性体4上的四组电桥检测到电压变化(步骤220)；将a组电桥检测到的电压变化ΔUx、b组电桥检测到的电压变化ΔUy、c组电桥检测到的电压变化ΔUz、d组电桥检测到的电压变化ΔUmz在水下机器人四维指尖力传感器内腔的测量电路板6上进行信号调理，如调零、放大、模拟滤波(步骤230)；将调理后的信号在数字硬件电路板7上进行模数转换(步骤240)；等待水下机器人本体指令，判断是否进行采集(步骤250)，当未接收到数据采集指令，则继续等待，当接收到数据采集指令，采集的原始信号经过数值计算(步骤260)；通过数字滤波、解耦(步骤270)；通讯接口将获得的四维力信息传送至水下机器人本体(步骤280)；由水下机器人本体决定采集是否结束(步骤290)，如果否则返回步骤250继续进行采集，如果是则任务完成结束(步骤300)。

实施例：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检测到各自所受到的Fx、Fy、Fz、Mz。

各水下机器人四维指尖力传感器弹性体4的E型膜背面42和薄矩形金属片41随着所受的四维力的变化发生形变，传感器弹性体4上的a、b、c、d四组电桥分别构成全桥检测电路将这种形变转换为电压的变化，电压的变化经过集成于水下机器人四维指尖力传感器上的测量电路板6进行信号调理，再经过数字硬件电路7的模数转换、数值计算、解耦，最后通过通讯接口将获得的四维力信息Fx、Fy、Fz、Mz传送至水下机器人本体。

在E型膜四周圆环槽上放置密封圈3、E型膜外圆面上的外螺纹与上盖2内部的内螺纹连接处的螺纹使用密封胶密封、上盖2外螺纹与底座5内螺纹连接处的螺纹使用密封胶密封、水下机器人四维指尖力传感器内部全部使用硅胶密封，使得整个水下机器人四维指尖力传感器处于双重密封之中。传感器内部浇灌的硅胶能够保护底座5空腔中放置的测量电路板6不与海水接触，配合弹性体4下部圆形金属底板43完成深水压力补偿。