專利名稱：水下機器人四維指尖力傳感器及其信息獲取方法
技術領域：
本發明涉及海洋測量與傳感技術、仿人機器人技術，特別涉及水下機 器人四維指尖力傳感器及其信息獲取方法。
技術背景眾所周知，海底環境非常惡劣。無論是沉船打撈、海上救生、光纜鋪 設，還是資源勘探和開采， 一般的設備很難完成。針對這種情況，國內外 研制了多種水下機器人，為了讓水下機器人更加順利完成水下特殊環境中 的作業，應當使機器人手爪具有一定的自主功能，這就要求機器人手爪具備 感知諸如力覺、觸覺、滑覺、振動覺等環境信息的功能。雖然各種普通力 覺觸覺傳感器功能齊全、種類繁多，但是受到深海環境限制不能直接用于 水下，必須進行改造或者重新設計。目前國內外尚無較好解決深水壓力問題的力傳感器。扁TI公司研制的 UDMW3力傳感器采用一個充油的軟外殼來平衡水壓，但在深海環境下要較好 的滿足水壓平衡的要求，需軟外殼發生較大的變形，機器人工作時，受到 水阻力的軟外殼產生一定變形，使力傳感器的性能大大下降，另外軟外殼 抗破壞的能力較差及形狀、質心不定，這些都限制了該壓力平衡方式的力 傳感器的工作狀況與環境要求。根據水下作業時手指接觸模型的研究結果，要求指力傳感器有4個方 向力檢測能力，即接觸法線方向的正壓力Fx，作為夾緊力大小、和接觸覺 檢測；接觸切平面兩個方向的力Fy、 Fz作為滑覺檢測， 一個繞接觸面法線 的轉矩Mz作為多指夾抓取時，對目標力約束條件分析。在實際應用中，發 現在水下應用場合中的四維力傳感器是最實用的力傳感器，而目前尚無專 用于水下的四維力傳感器， 一般是利用現有六維力傳感器其中的四維信號 來實現四維力信息的獲取，這樣不僅造成硬件資源的浪費，而且維間耦合 很難消除。并且現在的大部分傳感器都未能考慮到密封和壓力補償，因而無法直接用于水下機器人智能手爪。現在技術已有多種力傳感器，如中國科學院合肥智能機械研究所戈瑜、葛運建等于2001年4月4日公開的公開號為CN1289917A發明專利。該發 明名稱是 一種基于陶瓷厚膜技術的六維力傳感器，該六維力傳感器采用 燒結體陶瓷的上下E型圓膜片和十字梁作為彈性體，并在上下E型圓膜片 和十字梁上燒結釕系厚膜力敏電阻，下E型膜的三組電阻用來實現對Fx， Fy， Fz的測量，上E型膜的兩組電阻用來實現對Mx， My的測量，十字梁用 來實現對Mz的測量。其加工實現容易、易于實現小型化，但結構復雜、彈 性體不是一體化的結構、存在大量冗余信息、受力時十字梁的變形影響了 下E型圓膜片的測量，而且十字梁和燒結體陶瓷強度有限，故傳感器的量 程也有限，限制了其在水下傳感器中的應用。 發明內容本發明的目的是針對目前國內外相關技術存在的問題和缺陷，提出 一種新型的水下機器人四維指尖力傳感器及其信息獲取方法，該發明能同 時獲取水下機器人智能手爪指尖受到的四維力信息，為水下器人及智能手 爪完成智能作業提供高質量的力信息。該四維指尖力傳感器結構簡單、靈 敏度高、維間耦合小、容易標定，同時獲取力信息的精度高、可靠性好。本發明的技術方案是 一種水下機器人四維指尖力傳感器，包括相互 連接的指尖、上蓋、密封圈、彈性體、底座，指尖是水下機器人四維指尖 力傳感器中的受力體，采用半橢球形狀增大受力面積，置于水下機器人四 維指尖力傳感器的頂端，指尖的中間置有小孔內螺紋經上蓋與彈性體上的 圓柱體外螺紋旋轉連接，上蓋中置有內螺紋和外螺紋；彈性體的結構是由E型膜通過下面的兩個薄矩形金屬片固定連接在圓 形金屬底板上，圓形金屬底板中間開有小孔，便于彈性體上的測量電路與 集成在底座中測量電路板相連接，E型膜的中間是一圓柱體，圓柱體的上面 置有螺紋且四周是一圓形凹槽，圓形凹槽的邊緣置有圓環槽用于放置密封 圈，E型膜外圓面上置有的外螺紋與上蓋內部的內螺紋連接并用螺紋密封膠密封，上蓋中置有的外螺紋與底座中的內螺紋旋轉連接并用螺紋密封膠密 封，底座置有一空腔用于在安裝后放置測量電路板，底座的下面置有多個小孔，其中間的小孔用于引出導線，旁邊的小孔是螺紋孔用于與機器人手 爪本體的智能手爪機械連接，彈性體中的E型膜通過下面的兩個薄矩形金 屬片固定連接在圓形金屬底板上，特別是水下機器人四維指尖力傳感器還包括兩個薄矩形金屬片、E型膜底部和 與測量電路板電連接的數字硬件電路板；彈性體的結構是由E型膜通過下面的兩個薄矩形金屬片固定連接在圓 形金屬底板上，在E型膜上背面的貼有12片初始電阻值相等的應變片Rl R12,分為a、 b、 c三組電橋，每組電橋由四片應變片構成，其中Rl、 R2、 R3、 R4構成a組電橋用于檢測Fx， a組電橋的Rl、 R2、 R3、 R4在薄矩形金屬片的縱向方向平行貼放；R5、 R6、 R7、 R8構成b組電橋用于檢測Fy， b組電橋的R5、 R6、 R7、 R8在薄矩形金屬片的橫向方向平行貼放；R9、 RIO、 Rll、 R12構成c組電橋用于檢測Fz， c組電橋的應變片R9、 RIO、 Rll、 R12在圓周上互成90度均勻貼放；兩個薄矩形金屬片包括第一薄矩形金屬片和第二薄矩形金屬片，其中 第一薄矩形金屬片貼有應變片R13、 R14，第二薄矩形金屬片分別貼有應變 片R15、 R16，應變片R13、 R14分別貼于第一薄矩形板對角線的兩端，與第 二薄矩形金屬片對角線方向分別貼有的應變片R15、 R16構成d組電橋用于a、 b、 c、 d四組電橋中a組電橋的Rl與R2、 R3與R4， b組電橋的應 變片R5與R6、 R7與R8， c組電橋的應變片R9與R12、 R10與Rll， d組電 橋的應變片R13與R14, R15與R16分別置于各自全橋檢測電路相對應的橋 臂上；應變片R1、 R2、 R3、 R4、 R5、 R6、 R7、 R8、 RIO、 R11貼于E型膜背面 (42)的內圓周，R9、 R12貼于E型膜背面(42)的外圓周；水下機器人四維指尖力傳感器在安裝結束前，將硅膠灌于整個內部空 腔中，防止E型膜下面的圓形金屬板在深海壓力作用下發生變形，保證傳 感器的內外壓力平衡達到自動壓力補償的作用；測量電路板是模擬硬件電路板，用于對全橋檢測電路采集的信息進行調零、運放、模擬濾波；數字硬件電路板置于水下機器人本體的智能手爪中，用于對模擬信息進行模數轉換、數字濾波、數值計算、解耦和與水下機器人本體通訊；水下機器人本體的智能手爪上裝配有三個手指，每個手指尖裝有四維 指尖力傳感器，水下機器人本體的智能手爪抓取工件時，位于機器人手指 指尖的水下機器人四維指尖力傳感器能夠同時檢測到各自所受到的四維力 信息Fx、 Fy、 Fz、 Mz。一種用于水下機器人四維指尖力傳感器的信息獲取方法，包括接收a、 b、 c、 d四組電橋的信號，特別是設定四維力信息中Fx信號取自a組電橋，四維力信息中Fy信號取自b 組電橋，四維力信息中Fz信號取自c組電橋，四維力信息中Mz信號取自d 組電橋；將a組電橋檢測到的電壓變化A Ux、 b組電橋檢測到的電壓變化△ Uy、 c組電橋檢測到的電壓變化AUz、 d組電橋檢測到的電壓變化AUmz在傳感 器內腔的測量電路板上進行信號調理中的調零、運放、模擬濾波；將調理后的信號在數字硬件電路板上進行模數轉換、數值計算、數字 濾波、解耦，通訊接口將獲得的四維力信息Fx、 Fy、 Fz、 Mz傳送至水下機 器人本體。有益效果現有技術中的一種基于陶瓷厚膜技術的六維力傳感器CN1289917A，采 用燒結體陶瓷的上下E型圓膜片和十字梁作為彈性體，并在上下E型圓膜 片和十字梁上燒結釕系厚膜力敏電阻，下E型膜的三組電阻用來實現對F x， Fy， Fz的測量，上E型膜的兩組電阻用來實現對Mx， My的測量，十字 梁用來實現對Mz的測量。其加工實現容易、易于實現小型化，但結構復雜、彈性體不是一體化的結構、存在大量冗余信息、受力時十字梁的變形影響 了下E型圓膜片的測量，而且十字梁和燒結體陶瓷強度有限，故傳感器的量程也有限，限制了其在水下傳感器中的應用。本發明的發明點是水下機器人四維指尖力傳感器彈性體的結構是由E 型膜通過下面的兩個薄矩形金屬片固定連接在圓形金屬底板上，在E型膜的背面和薄矩形金屬片上放置水下機器人四維指尖力傳感器的檢測電路并組成相應的電橋。其中，E型膜背面的內圓周貼有應變片R1、 R2、 R3、 R4、 R5、 R6、 R7、 R8、 RIO、 Rll，外圓周貼有R9、 R12;兩個薄矩形金屬片的對 角線兩端分別貼有應變片R13、 R14和應變片R15、 R16。 16片應變片構成a、 b、 c、 d四組全橋檢測電路。其中，Rl、 R2、 R3、 R4構成a組電橋用于檢 測Fx，在薄矩形金屬片的縱向方向平行貼放；R5、 R6、 R7、 R8構成b組電 橋用于檢測Fy，在薄矩形金屬片的橫向方向平行貼放；R9、 RIO、 Rll、 R12 構成c組電橋用于檢測Fz，在圓周上互成90度均勻貼放；R13、 R14、 R15、 R16構成d組電橋用于檢測Mz。在各組全橋檢測電路中Rl與R2、 R3與 R4、 R5與R6、 R7與R8、 R9與R12、 R10與Rll、 R13與R14、 R15與R16分 別置于各自全橋檢測電路相對應的橋臂上；E型膜外圓面外螺紋與上蓋內部內螺紋連接處、上蓋外螺紋與底座內螺 紋連接處都用螺紋密封膠密封，結合E型膜邊緣置有的圓環槽上放置的密 封圈來實現密封；整個水下機器人四維指尖力傳感器內部空腔中澆灌的硅膠和E型膜下 面的圓形金屬板共同作用，保證水下機器人四維指尖力傳感器的內外壓力 平衡達到自動壓力補償的作用，保證水下機器人四維指尖力傳感器在深海 壓力作用下不被破壞；位于水下機器人四維指尖力傳感器內部空腔中的模擬電路部分接收測 量電路傳來的原始信息進行調零、放大、模擬濾波，位于水下機器人四維 指尖力傳感器外部的數字電路部分接收模擬電路傳來的信息，進行模數轉 換、數字濾波、數值計算、解耦，最后通過通訊接口將獲得的四維力信息 Fx、 Fy、 Fz、 Mz傳送至水下機器人本體。本發明充分考慮到深海水下機器人作業時所處的高壓力、強腐蝕性等 特殊環境因素，采用大量程的彈性體結構、采用硅膠加圓形金屬薄板的變形 來實現壓力補償、采用螺紋密封膠加密封圈來實現雙重密封防泄露。通過 這些措施，能同時檢測水下機器人本體的智能手爪指尖受到的四維力信息: 手爪接觸面法向的力Fz、切向的力Fx、 Fy，繞法向轉矩Mz，并實時將信息 傳送到水下機器人本體，水下機器人本體利用這些力信息不但能檢測和控制抓取物體時的握力，而且還可以檢測被抓取物體的重量，以及在抓取操 作過程中的抓取狀態是否存在滑動、振動等現象，為水下機器人本體的智 能手爪完成智能作業提供硬件基礎。本發明的水下機器人四維指尖力傳感 器結構簡單、強度合適、靈敏度高、維間耦合小、容易標定。
圖1為水下機器人四維指尖力傳感器結構示意圖。圖2為水下機器人四維指尖力傳感器彈性體上應變片的貼片示意圖。 圖3為水下機器人四維指尖力傳感器信息獲取中應變片組橋的示意圖。 圖4為水下機器人四維指尖力傳感器彈性體受力分析圖。 圖5為水下機器人四維指尖力傳感器信息獲取示意圖。 圖6為水下機器人四維指尖力傳感器信號采集與處理流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施作進一步的詳細說明。 在圖1中，l是指尖，2是上蓋，3是密封圈，4是彈性體，5是底座， 6是測量電路板，7是數字硬件電路板，42是E型膜背面，41是薄矩形金 屬片，43是圓形金屬底板。彈性體4的結構是由E型膜通過下面的兩個薄矩形金屬片41固定連接 在圓形金屬底板43上，圓形金屬底板43中間開有小孔，便于彈性體4上 的測量電路與集成在底座5中測量電路板6電連接，E型膜的中間是一圓柱 體，圓柱體的上面置有螺紋且四周是一圓形凹槽，圓形凹槽的邊緣置有圓 環槽用于放置密封圈3，在E型膜的背面42和薄矩形金屬片41上放置水下 機器人四維指尖力傳感器的檢測電路并組成相應的電橋，E型膜外圓面上置 有的外螺紋與上蓋2內部的內螺紋連接并用螺紋密封膠密封，上蓋2中置 有的外螺紋與底座5中的內螺紋旋轉連接并用螺紋密封膠密封，底座5置 有一空腔用于在安裝后放置測量電路板6，底座5的下面置有多個小孔，其 中間的小孔用于引出導線，旁邊的螺紋孔用于與水下機器人本體的智能手 爪機械連接。對水下機器人四維指尖力傳感器內部澆灌硅膠，配合彈性體4 下部圓形金屬薄板43完成水壓力補償。位于水下機器人四維指尖力傳感器 內部空腔中的測量電路板6接收測量電路傳來的原始信息進行調零、放大、 模擬濾波，位于水下機器人四維指尖力傳感器外部的數字電路板7接收模擬電路傳來的信息進行模數轉換、數字濾波、數值計算、解耦，并通過通訊接口將獲得的四維力信息Fx、 Fy、 Fz、 Mz傳送至水下機器人本體。圖2為水下機器人四維指尖力傳感器彈性體上應變片的貼片示意圖。 其中圖2左圖為E型膜背面42的貼片方式，共貼有12片初始電阻值相 等的應變片R1 R12，分為a、 b、 c三組，Rl、 R2、 R3、 R4構成a檢測組 用于檢測Fx，在薄矩形金屬片41的縱向方向分別平行貼放；R5、 R6、 R7、 R8構成b檢測組用于檢測Fy，在薄矩形金屬片41的橫向方向分別平行貼 放；R9、 RIO、 Rll、 R12構成c檢測組用于檢測Fz，在圓周上互成90度均 勻貼放。圖2右圖為薄矩形金屬片41上的貼片方式，其中第一薄矩形金屬片分 別貼有應變片R13、 R14，第二薄矩形金屬片分別貼有應變片R15、 R16，應 變片R13、 R14分別貼于第一薄矩形金屬片對角線的兩端，與第二薄矩形金 屬片對角線方向分別貼有的應變片R15、 R16構成d組電橋用于檢測Mz。圖3為水下機器人四維指尖力傳感器信息獲取中應變片組橋的示意圖。 a、 b、 c、 d各組都分別構成全橋檢測電路，其中a組的Rl與R2、 R3與R4 分別置于相對應橋臂上，b組的R5與R6、 R7與R8分別置于相對應橋臂上，c 組的R9與R12、 R10與Rll分別置于相對應橋臂上，d組的R13與R14、 R15 與R16分別置于相對應橋臂上。圖4為水下機器人四維指尖力傳感器受力分析圖。在圖4中，以半橢 球端面中心點為原心，長軸方向為z方向建立笛卡爾坐標系。力和力矩方 向規定為沿坐標軸方向為正方向，相應的力矩遵循右手原則。分析球面 上任意一點受力F，根據兩剛體點接觸原理，F方向應為公法線的方向。根 據橢球特點，橢球上某點的公法線必與橢球的中心軸相交。設交點與原點 相距為h，作用力F與oxy平面的夾角為P ,作用力F在oxy平面的投影與 x軸的夾角為a。因為半橢球的抗彎截面系數較大，變形可忽略，即將受力體視為剛體，所以根據理論力學中空間任意力系向一點簡化的原理，可將F 簡化至原點o的等效力系《=(《，《，M,， A, MZ)T，并且滿足等式組-《=Fcos"cosa Fr = F cos / sin a Fz =Fsin/ < M乂 = My = F>顯然，如果傳感器測得等效力系《，相應的受到的空間力大小、方向、角度都可以求得。由于傳感器夾持工件時受到的^、 ^^提供的信息并不重 要，所以不納入考慮范圍。而當機器人手爪夾持工件有歪斜或者工件處于非穩固抓取時^-對智能手爪的控制至關重要。所以只關心《，&，《，M、雖 然不能完全確定所受力的大小的精確方位，但是可以由這四個力信息可以得到一個等效力和一個等效力矩。該等效力作用于坐標系原點，與oxy平 面的夾角為P，在oxy平面的投影與x軸的夾角為a 。圖5為水下機器人四維指尖力傳感器信息獲取示意圖。當機器人本體 的智能手爪抓取物體時，指尖力傳感器l、指尖力傳感器2、指尖力傳感器 3的彈性體4接受從指尖1傳來的力發生一定量的形變，粘貼在彈性體4上 的應變片隨彈性體4發生變形，應變片的電阻亦發生改變，電阻變化率的 大小與應變片粘貼處彈性體4的應變的大小成比例變化。根據測量任務確 定的測量電路(接橋形式)將應變片的電阻變化轉換為電壓的變化，由于 檢測電路的輸出信號極為微弱，因此用測量電路板6將指尖力傳感器1、指 尖力傳感器2、指尖力傳感器3的信號進行信號調理調零、放大和模擬濾 波。得到的信號用數字硬件電路板7進行模數轉換、數字濾波、數值計算、 解耦，最后通過通訊接口將獲得的四維力信息Fx、 Fy、 Fz、 Mz傳送至水下 機器人本體。圖6為水下機器人四維指尖力傳感器信號采集與處理流程圖。水下機 器人四維指尖力傳感器采集與處理的步驟是開始進行采集(步驟200);設定四維力信息中Fx信號取自a組電橋， Fy信號取自b組電橋，Fz信號取自c組電橋，Mz信號取自d組電橋(步驟 210);位于水下機器人四維指尖力傳感器彈性體4上的四組電橋檢測到電 壓變化(步驟220);將a組電橋檢測到的電壓變化AUx、 b組電橋檢測到的電壓變化AUy、 c組電橋檢測到的電壓變化AUz、 d組電橋檢測到的電壓 變化A Umz在水下機器人四維指尖力傳感器內腔的測量電路板6上進行信號 調理，如調零、放大、模擬濾波(步驟230);將調理后的信號在數字硬件 電路板7上進行模數轉換(步驟240);等待水下機器人本體指令，判斷是 否進行采集(步驟250)，當未接收到數據采集指令，則繼續等待，當接收 到數據采集指令，采集的原始信號經過數值計算(步驟260);通過數字濾 波、解耦(步驟270);通訊接口將獲得的四維力信息傳送至水下機器人本 體(步驟280);由水下機器人本體決定采集是否結束(步驟290)，如果否 則返回步驟250繼續進行采集，如果是則任務完成結束(步驟300)。實施例水下機器人本體的智能手爪上裝配有三個手指，每個手指尖 裝有四維指尖力傳感器，水下機器人智能手爪抓取工件時，位于機器人手 指指尖的水下機器人四維指尖力傳感器能夠檢測到各自所受到的Fx、 Fy、 Fz、 Mz。各水下機器人四維指尖力傳感器彈性體4的E型膜背面42和薄矩形金 屬片41隨著所受的四維力的變化發生形變，傳感器彈性體4上的a、 b、 c、 d四組電橋分別構成全橋檢測電路將這種形變轉換為電壓的變化，電壓的變 化經過集成于水下機器人四維指尖力傳感器上的測量電路板6進行信號調 理，再經過數字硬件電路7的模數轉換、數值計算、解耦，最后通過通訊 接口將獲得的四維力信息Fx、 Fy、 Fz、 Mz傳送至水下機器人本體。在E型膜四周圓環槽上放置密封圈3、 E型膜外圓面上的外螺紋與上蓋 2內部的內螺紋連接處的螺紋使用密封膠密封、上蓋2外螺紋與底座5內螺 紋連接處的螺紋使用密封膠密封、水下機器人四維指尖力傳感器內部全部 使用硅膠密封，使得整個水下機器人四維指尖力傳感器處于雙重密封之中。 傳感器內部澆灌的硅膠能夠保護底座5空腔中放置的測量電路板6不與海 水接觸，配合彈性體4下部圓形金屬底板43完成深水壓力補償。
權利要求
1、一種水下機器人四維指尖力傳感器，包括相互連接的指尖(1)、上蓋(2)、密封圈(3)、彈性體(4)、底座(5)，所述指尖(1)是水下機器人四維指尖力傳感器中的受力體，采用半橢球形狀增大受力面積，置于水下機器人四維指尖力傳感器的頂端，所述指尖(1)的中間置有小孔內螺紋經上蓋(2)與彈性體(4)上的圓柱體外螺紋旋轉連接，所述上蓋(2)中置有內螺紋和外螺紋；所述彈性體(4)的結構是由E型膜通過下面的兩個薄矩形金屬片(41)固定連接在圓形金屬底板(43)上，所述彈性體(4)的圓形金屬底板(43)中間開有小孔，便于彈性體(4)上的測量電路與集成在底座(5)中測量電路板(6)相連接，所述E型膜的中間是一圓柱體，所述圓柱體的上面置有螺紋且四周是一圓形凹槽，所述圓形凹槽的邊緣置有圓環槽用于放置密封圈(3)，所述E型膜外圓面上置有的外螺紋與上蓋(2)內部的內螺紋連接并用螺紋密封膠密封，所述上蓋(2)中置有的外螺紋與底座(5)中的內螺紋旋轉連接并用螺紋密封膠密封，所述底座(5)置有一空腔用于在安裝后放置測量電路板(6)，所述底座(5)的下面置有多個小孔，其中間的小孔用于引出導線，旁邊的小孔是螺紋孔用于與水下機器人本體的智能手爪機械連接，所述彈性體(4)中的E型膜通過下面的兩個薄矩形金屬片(41)固定連接在圓形金屬底板(43)上，其特征在于水下機器人四維指尖力傳感器還包括兩個薄矩形金屬片(41)、E型膜背面(42)和與測量電路板(6)電連接的數字硬件電路板(7)；所述彈性體(4)的結構是由E型膜通過下面的兩個薄矩形金屬片(41)固定連接在圓形金屬底板(43)上，在所述E型膜背面(42)的貼有12片初始電阻值相等的應變片R1～R12，分為a、b、c三組電橋，每組電橋由四片應變片構成，其中應變片R1、R2、R3、R4構成a組電橋用于檢測Fx，所述a組電橋的應變片R1、R2、R3、R4在薄矩形金屬片(41)的縱向方向平行貼放；應變片R5、R6、R7、R8構成b組電橋用于檢測Fy，所述b組電橋的應變片R5、R6、R7、R8在薄矩形金屬片(41)的橫向方向平行貼放；應變片R9、R10、R11、R12構成c組電橋用于檢測Fz，所述c組電橋的應變片R9、R10、R11、R12在圓周上互成90度均勻貼放；應變片R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R10、R11貼于E型膜背面(42)的內圓周，R9、R12貼于E型膜背面(42)的外圓周；所述兩個薄矩形金屬片(41)包括第一薄矩形金屬片和第二薄矩形金屬片，其中所述第一薄矩形金屬片貼有應變片R13、R14，所述第二薄矩形金屬片貼有應變片R15、R16，所述應變片R13、R14分別貼于第一薄矩形板對角線的兩端，與第二薄矩形金屬片對角線方向分別貼有的應變片R15、R16構成d組電橋用于檢測Mz；所述a、b、c、d四組電橋分別構成全橋檢測電路，其中所述a組電橋的應變片R1與R2、R3與R4分別置于相對應的橋臂上，b組電橋的應變片R5與R6、R7與R8分別置于相對應的橋臂上，所述c組電橋的應變片R9與R12、R10與R11分別置于相對應的橋臂上，d組電橋的應變片R13與R14、R15與R16分別置于相對應的橋臂上；所述水下機器人四維指尖力傳感器在安裝結束前，將硅膠灌于整個內部空腔中，防止所述E型膜下面的圓形金屬板(43)在深海壓力作用下發生變形，保證水下機器人四維指尖力傳感器的內外壓力平衡達到自動壓力補償的作用；所述測量電路板(6)是用于對信號進行信號調理的模擬硬件電路板，所述信號調理是指對全橋檢測電路采集到的信息進行調零、運放、模擬濾波；所述數字硬件電路板(7)置于水下機器人本體的智能手爪中，用于對模擬信息進行模數轉換、數字濾波、數值計算、解耦和與水下機器人本體通訊；所述水下機器人本體的智能手爪上裝配有三個手指，每個手指尖裝有四維指尖力傳感器，水下機器人本體的智能手爪抓取工件時，位于機器人手指指尖的水下機器人四維指尖力傳感器能夠同時檢測到各自所受到的四維力信息Fx、Fy、Fz、Mz。
2、根據權利要求1所述一種用于水下機器人指尖四維力信息的獲取方 法，包括接收a、 b、 c、 d四組電橋的信號，其特征在于設定四維力信息中Fx信號取自a組電橋，四維力信息中Fy信號取自b 組電橋，四維力信息中Fz信號取自c組電橋，四維力信息中Mz信號取自d 組電橋；將a組電橋檢測到的電壓變化A Ux、 b組電橋檢測到的電壓變化A Uy、 c組電橋檢測到的電壓變化AUz、 d組電橋檢測到的電壓變化AUmz在傳感 器內腔的測量電路板(6)上進行信號調理中的調零、放大、模擬濾波；將調理后的信號在數字硬件電路板(7)上進行模數轉換、數字濾波、 數值計算、解耦，經通訊接口將獲得的四維力信息Fx、 Fy、 Fz、 Mz傳送至 水下機器人本體。
全文摘要
本發明公開了水下機器人四維指尖力傳感器及其信息獲取方法，傳感器包括相互連接的底座、上蓋、密封圈、指尖與彈性體及測量電路板和數字硬件電路板。彈性體E型膜感應手爪接觸面法向的力Fz、切向的力Fx、Fy，薄矩形金屬片感應繞法向的轉矩Mz，粘貼在彈性體上的應變片組成的檢測電路將傳感器所受力和力矩的變化轉化為電壓的變化。方法中電壓的變化經過集成于傳感器的測量電路板進行信號調理，經過數字硬件電路板的模數轉換、數字濾波、數值計算、解耦，經通訊接口將四維力信息傳送至水下機器人本體。本發明用螺紋密封膠加密封圈來實現水下密封，用硅膠和圓形金屬底板實現深水下自動壓力補償，能同時獲取水下機器人智能手爪所受的四維力。
文檔編號G01L1/20GK101281067SQ20081009789
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月21日 優先權日2008年5月21日
發明者孫玉蘋, 宋全軍, 張廣斌, 張棟翔, 瑜 戈, 曹會彬, 梁橋康, 王以俊, 葛運建 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院