CN116773055A - 一种静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指及压力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指，包括触压感知单元、液压缸、压力传递单元、压电换能单元、换能单元支架、铂电极和底座，触压感知单元和压力传递单元通过螺栓与液压缸连接，活塞端面间的油腔内盈满液压油；压电换能单元安插在换能单元支架筒壁的阶梯贯穿孔内；压力传递单元和底座通过凸缘和螺纹副与换能单元支架连接；铂电极固定在压电换能单元的导线孔内，铂电极的导线由底座的导线孔引出并外接至压力检测电路。本发明基于帕斯卡原理的面积效应和固‑液界面双电层原理，能够将灵指指尖探测到的微小压力转换为柔性软管较大的弹性形变，以产生高幅的离子电流信号并传输至压力检测电路，实现压力信号的感知、放大与测量。

Description

一种静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指及压力测量方法

技术领域

本发明涉及深海触觉传感器技术领域，具体而言，尤其涉及一种静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指及压力测量方法。

背景技术

广袤的海洋蕴藏着丰富的生物、矿产、化学和动力等自然资源，随着社会需求的不断增长，人们对海洋的开发规模不断扩大，探索的步伐已向深海迈进。水下机器人作为代替人类进行水下繁重作业的工具，在深海开发领域中举足轻重。水下机器人通常具备摄像机、声呐和照明灯等观测设备，机械手等作业设备以及各式传感器，能够在作业的同时对水下环境进行实时观测。然而，深海环境不仅地形复杂，而且可见度极低，难以通过影像和回声使水下机器人及时作出反馈以规避障碍物。对此，通过在水下机械手上安装触觉传感器，结合视觉和声觉进行障碍物探知，可以有效保证水下机器人的作业效率和安全性。

常见的触觉传感器主要包括压阻、电容、弹性和压电等传感器，前三者分别通过测量传感材料在受压后的电阻变化、电容变化和弹性形变来检测外部压力大小，传统的压电传感器是利用压电材料在受压形变后发生极化，从而在表面产生电荷的压电效应来检测外部压力大小。在深海环境中，上述传感器通常需要密封，在内外极高的压差的作用下，传感器已然超过工作量程，无法实现正常的压力感知功能。对此，设计一种能够排除深海静压干扰的触觉传感器并与水下机械手相结合，能够进一步完善水下机器人的避障功能，具有良好的实用价值。

发明内容

根据上述提出的技术问题，提供一种静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指及压力测量方法。本发明将压电换能单元和帕斯卡行程放大机构相结合，能够将灵指指尖探测到的微小压力转换为柔性软管较大的弹性形变，基于固-液界面双电层原理产生高幅的离子电流信号并输入至压力检测电路，实现压力信号的感知、放大与测量。

本发明采用的技术手段如下：

一种静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指，包括：触压感知单元、液压缸、压力传递单元、压电换能单元、换能单元支架、铂电极和底座，其中：

触压感知单元和压力传递单元通过螺栓与液压缸连接，活塞端面间的油腔内盈满液压油；

压电换能单元安插在换能单元支架筒壁的阶梯贯穿孔内，利用卡槽和螺纹副进行定位；

压力传递单元和底座通过凸缘和螺纹副与换能单元支架连接；

铂电极固定在压电换能单元的导线孔内，铂电极的导线由底座的导线孔引出并外接至压力检测电路。

进一步地，所述触压感知单元包括柔性指套、压力感知触头、压力感知弹簧、指套固定环、直线轴承、短行程活塞轴承座和短行程活塞，其中：

柔性指套通过环形卡头安装在指套固定环上；

压力感知触头设置有轴向通孔，靠近弧面端为光孔，靠近平面端为螺纹孔，压力感知触头的内部沿周向布置6个流道，使平面端与光孔连通；

压力感知弹簧固定在压力感知触头和短行程活塞轴承座的弹簧底座之间；短行程活塞轴承座的端面开设6个开放孔；

指套固定环筒壁的环形槽内沿周向开设6个开放孔，槽内安装环形滤片；

短行程活塞的活塞头安有密封圈；短行程活塞的活塞杆通过直线轴承固定于短行程活塞轴承座上，使活塞能够相对轴承座自由滑动，短行程活塞的螺纹端与压力感知触头旋合。

进一步地，所述液压缸的油腔为阶梯型，大孔内径为小孔内径的2倍。

进一步地，所述压力传递单元包括长行程活塞、长行程活塞轴承座、直线轴承、压力传递弹簧和压力传递触头，其中：

长行程活塞的活塞头安有密封圈；长行程活塞的活塞杆通过直线轴承固定于长行程活塞轴承座上，使活塞能够相对轴承座自由滑动，长行程活塞的螺纹端与压力传递触头旋合；

长行程活塞轴承座的端面开设6个开放孔；

压力传递弹簧固定在压力传递触头和长行程活塞轴承座的弹簧底座之间；

压力传递触头设置有轴向通孔，靠近弧面端为光孔，靠近平面端为螺纹孔，触头内部沿周向布置6个流道，使平面端与光孔连通。

进一步地，所述压电换能单元包括螺圈、圆形滤片、软管支架和柔性软管，其中：

圆形滤片设置为一对，且固定在柔性软管的两端开口处；

软管支架的一端为H型卡槽，另一端通过螺纹副与螺圈旋合；

柔性软管固定于软管支架上，柔性软管的导线孔和软管支架的导线孔同轴。

进一步地，所述换能单元支架的筒壁开设有阶梯贯穿孔；筒壁的环形槽内沿周向开设个开放孔，槽内安装环形滤片。

进一步地，所述底座的一侧为指关节结构，端面开设导线孔。

本发明还提供了一种基于上述静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指的压力测量方法，包括：

当电流式压力传感灵指工作于深海环境时，外部海水经指套固定环、换能单元支架和压电换能单元的滤片滤除杂质后沿各壳体上的开放口和流道进入电流式压力传感灵指的内部，使海水与柔性软管内表面接触形成双电层，平衡深海静压，在灵指不受外力时，确保测量零点的相对稳定；

在电流式压力传感灵指的指尖触碰到水下障碍物后，压力感知触头将隔着柔性指套受到障碍物壁面的压力，推动短行程活塞快速移动Δl的距离，使液压缸内的液压油从大径端流向小径端，压力感知弹簧被压缩至受力平衡状态；

基于帕斯卡原理的面积效应，液压油同时推动长行程活塞移动4Δl，放大指尖行程，压力传递弹簧被拉伸至受力平衡状态，压力传递触头压迫柔性软管产生弹性形变，柔性软管内表面的固-液接触面积随之变化ΔS，海水中的离子产生定向移动，进入双电层并形成离子电流，并在受压位置和铂电极之间形成电势差，从而在导线中产生传导电流，且电流信号的大小与柔性软管的形变量正相关；

电流信号经导线传递至压力检测电路以转换为压力信号，完成指尖压力的测量。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指，基于帕斯卡原理的面积效应和固-液界面双电层原理，能够将灵指指尖探测到的微小压力转换为柔性软管较大的弹性形变，以产生高幅的离子电流信号并传输至压力检测电路，实现压力信号的感知、放大与测量。

2、本发明提供的静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指，为开放式结构，能够使灵指内外压力平衡，消除了深海静压的影响，以保证测量零点的相对稳定。

3、本发明提供的静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指，体积紧凑，结构精巧，适用于深海环境，能够以指尖的形式作为触觉传感器与各类水下机械手结合，辅助水下机器人进行深海物体的感知和避障，具有良好的实用价值。

基于上述理由本发明可在深海触觉传感器等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指的整体装配图。

图2为本发明的静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指的剖面图。

图3为本发明的触压感知单元结构图。

图4为本发明的液压缸结构图。

图5为本发明的压力传递单元结构图。

图6为本发明的压电换能单元结构图。

图7为本发明的换能单元支架结构图。

图8为本发明的底座结构图。

图9为本发明的压力测量原理示意图。

图中：1、静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指；2、触压感知单元；3、液压缸；4、压力传递单元；5、压电换能单元；6、换能单元支架；7、铂电极及其导线；8、底座；9、液压油；10、柔性指套；11、压力感知触头；12、压力感知弹簧；13、指套固定环；14、直线轴承；15、短行程活塞轴承座；16、短行程活塞；17、密封圈；18、开放孔；19、环形滤片；20、流道；21、轴向通孔；22、长行程活塞；23、长行程活塞轴承座；24、压力传递弹簧；25、压力传递触头；26、螺圈；27、圆形滤片；28、软管支架；29、柔性软管；30、导线孔；31、阶梯贯穿孔；32、水下障碍物；33、双电层；34、压力检测电路。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1、2所示，本发明提供了一种静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指，静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指1包括：触压感知单元2、液压缸3、压力传递单元4、压电换能单元5、换能单元支架6、铂电极7和底座8，其中：触压感知单元2和压力传递单元4通过螺栓与液压缸2连接，活塞端面间的油腔内盈满液压油9；压电换能单元5安插在换能单元支架6筒壁的阶梯贯穿孔31内，利用卡槽和螺纹副进行定位；压力传递单元4和底座8通过凸缘和螺纹副与换能单元支架6连接；铂电极7固定在压电换能单元5的导线孔30内，铂电极7的导线由底座8的导线孔30引出并外接至压力检测电路32。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图3所示，所述触压感知单元2包括柔性指套10、压力感知触头11、压力感知弹簧12、指套固定环13、直线轴承14、短行程活塞轴承座15和短行程活塞16，其中：柔性指套10通过环形卡头安装在指套固定环13上；压力感知触头11设置有轴向通孔21，靠近弧面端为光孔，靠近平面端为螺纹孔，压力感知触头11的内部沿周向布置6个流道20，使平面端与光孔连通；压力感知弹簧12固定在压力感知触头11和短行程活塞轴承座15的弹簧底座之间；短行程活塞轴承座15的端面开设6个开放孔18；指套固定环13筒壁的环形槽内沿周向开设6个开放孔18，槽内安装环形滤片19；短行程活塞16的活塞头安有密封圈17；短行程活塞16的活塞杆通过直线轴承14固定于短行程活塞轴承座15上，使活塞能够相对轴承座自由滑动，短行程活塞16的螺纹端与压力感知触头11旋合。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图4所示，所述液压缸3的油腔为阶梯型，大孔内径为小孔内径的2倍。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图5所示，所述压力传递单元4包括长行程活塞22、长行程活塞轴承座23、直线轴承14、压力传递弹簧24和压力传递触头25，其中：长行程活塞22的活塞头安有密封圈17；长行程活塞22的活塞杆通过直线轴承14固定于长行程活塞轴承座23上，使活塞能够相对轴承座自由滑动，长行程活塞22的螺纹端与压力传递触头25旋合；长行程活塞轴承座23的端面开设6个开放孔18；压力传递弹簧24固定在压力传递触头25和长行程活塞轴承座23的弹簧底座之间；压力传递触头25设置有轴向通孔21，靠近弧面端为光孔，靠近平面端为螺纹孔，触头内部沿周向布置6个流道20，使平面端与光孔连通。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图6所示，所述压电换能单元5包括螺圈26、圆形滤片27、软管支架28和柔性软管29，其中：圆形滤片27设置为一对，且固定在柔性软管29的两端开口处；软管支架28的一端为H型卡槽，另一端通过螺纹副与螺圈26旋合；柔性软管29固定于软管支架28上，柔性软管29的导线孔30和软管支架28的导线孔30同轴。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图7所示，所述换能单元支架6的筒壁开设有阶梯贯穿孔31；筒壁的环形槽内沿周向开设6个开放孔18，槽内安装环形滤片19。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图8所示，所述底座8的一侧为指关节结构，端面开设导线孔30。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所有弹簧和所有刚性零件均由不锈钢制成，柔性指套10由铂金硅胶制成，柔性软管29由热塑性弹性体制成，活塞密封圈17由丁腈制成。

如图9所示，本发明提供了一种基于上述静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指的压力测量方法，包括：

当电流式压力传感灵指1工作于深海环境时，外部海水经指套固定环13、换能单元支架6和压电换能单元5的滤片滤除杂质后沿各壳体上的开放口18和流道20进入电流式压力传感灵指1的内部，使海水与柔性软管29内表面接触形成双电层33，平衡深海静压，在灵指不受外力时，确保测量零点的相对稳定；在电流式压力传感灵指1的指尖触碰到水下障碍物32后，压力感知触头11将隔着柔性指套10受到障碍物壁面的压力，推动短行程活塞16快速移动Δl的距离，使液压缸3内的液压油9从大径端流向小径端，压力感知弹簧12被压缩至受力平衡状态；基于帕斯卡原理的面积效应，液压油9同时推动长行程活塞22移动4Δl，放大指尖行程，压力传递弹簧24被拉伸至受力平衡状态，压力传递触头25压迫柔性软管29产生弹性形变，柔性软管29内表面的固-液接触面积随之变化ΔS，海水中的离子产生定向移动，进入双电层33并形成离子电流，并在受压位置和铂电极之间形成电势差，从而在导线中产生传导电流，且电流信号的大小与柔性软管29的形变量正相关；电流信号经导线传递至压力检测电路34以转换为压力信号，完成指尖压力的测量。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指，其特征在于，静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指(1)包括：触压感知单元(2)、液压缸(3)、压力传递单元(4)、压电换能单元(5)、换能单元支架(6)、铂电极(7)和底座(8)，其中：

触压感知单元(2)和压力传递单元(4)通过螺栓与液压缸(2)连接，活塞端面间的油腔内盈满液压油(9)；

压电换能单元(5)安插在换能单元支架(6)筒壁的阶梯贯穿孔(31)内，利用卡槽和螺纹副进行定位；

压力传递单元(4)和底座(8)通过凸缘和螺纹副与换能单元支架(6)连接；

铂电极(7)固定在压电换能单元(5)的导线孔(30)内，铂电极(7)的导线由底座(8)的导线孔(30)引出并外接至压力检测电路(32)。

2.根据权利要求1所述的静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指，其特征在于，所述触压感知单元(2)包括柔性指套(10)、压力感知触头(11)、压力感知弹簧(12)、指套固定环(13)、直线轴承(14)、短行程活塞轴承座(15)和短行程活塞(16)，其中：

柔性指套(10)通过环形卡头安装在指套固定环(13)上；

压力感知触头(11)设置有轴向通孔(21)，靠近弧面端为光孔，靠近平面端为螺纹孔，压力感知触头(11)的内部沿周向布置6个流道(20)，使平面端与光孔连通；

压力感知弹簧(12)固定在压力感知触头(11)和短行程活塞轴承座(15)的弹簧底座之间；短行程活塞轴承座(15)的端面开设6个开放孔(18)；

指套固定环(13)筒壁的环形槽内沿周向开设6个开放孔(18)，槽内安装环形滤片(19)；

短行程活塞(16)的活塞头安有密封圈(17)；短行程活塞(16)的活塞杆通过直线轴承(14)固定于短行程活塞轴承座(15)上，使活塞能够相对轴承座自由滑动，短行程活塞(16)的螺纹端与压力感知触头(11)旋合。

3.根据权利要求1所述的静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指，其特征在于，所述液压缸(3)的油腔为阶梯型，大孔内径为小孔内径的2倍。

4.根据权利要求1所述的静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指，其特征在于，所述压力传递单元(4)包括长行程活塞(22)、长行程活塞轴承座(23)、直线轴承(14)、压力传递弹簧(24)和压力传递触头(25)，其中：

长行程活塞(22)的活塞头安有密封圈(17)；长行程活塞(22)的活塞杆通过直线轴承(14)固定于长行程活塞轴承座(23)上，使活塞能够相对轴承座自由滑动，长行程活塞(22)的螺纹端与压力传递触头(25)旋合；

长行程活塞轴承座(23)的端面开设6个开放孔18；

压力传递弹簧(24)固定在压力传递触头(25)和长行程活塞轴承座(23)的弹簧底座之间；

压力传递触头(25)设置有轴向通孔(21)，靠近弧面端为光孔，靠近平面端为螺纹孔，触头内部沿周向布置6个流道(20)，使平面端与光孔连通。

5.根据权利要求1所述的静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指，其特征在于，所述压电换能单元(5)包括螺圈(26)、圆形滤片(27)、软管支架(28)和柔性软管(29)，其中：

圆形滤片(27)设置为一对，且固定在柔性软管(29)的两端开口处；

软管支架(28)的一端为H型卡槽，另一端通过螺纹副与螺圈(26)旋合；

柔性软管(29)固定于软管支架(28)上，柔性软管(29)的导线孔(30)和软管支架(28)的导线孔(30)同轴。

6.根据权利要求1所述的静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指，其特征在于，所述换能单元支架(6)的筒壁开设有阶梯贯穿孔(31)；筒壁的环形槽内沿周向开设6个开放孔(18)，槽内安装环形滤片(19)。

7.根据权利要求1所述的静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指，其特征在于，所述底座(8)的一侧为指关节结构，端面开设导线孔(30)。

8.一种基于权利要求1-7中任意一项权利要求所述静压平衡式水下自驱动柔性触压灵指的压力测量方法，其特征在于，包括：

当电流式压力传感灵指(1)工作于深海环境时，外部海水经指套固定环(13)、换能单元支架(6)和压电换能单元(5)的滤片滤除杂质后沿各壳体上的开放口(18)和流道(20)进入电流式压力传感灵指(1)的内部，使海水与柔性软管(29)内表面接触形成双电层(33)，平衡深海静压，在灵指不受外力时，确保测量零点的相对稳定；

在电流式压力传感灵指(1)的指尖触碰到水下障碍物(32)后，压力感知触头(11)将隔着柔性指套(10)受到障碍物壁面的压力，推动短行程活塞16快速移动Δl的距离，使液压缸(3)内的液压油(9)从大径端流向小径端，压力感知弹簧(12)被压缩至受力平衡状态；

基于帕斯卡原理的面积效应，液压油(9)同时推动长行程活塞(22)移动4Δl，放大指尖行程，压力传递弹簧(24)被拉伸至受力平衡状态，压力传递触头(25)压迫柔性软管(29)产生弹性形变，柔性软管(29)内表面的固-液接触面积随之变化ΔS，海水中的离子产生定向移动，进入双电层(33)并形成离子电流，并在受压位置和铂电极之间形成电势差，从而在导线中产生传导电流，且电流信号的大小与柔性软管(29)的形变量正相关；

电流信号经导线传递至压力检测电路(34)以转换为压力信号，完成指尖压力的测量。