CN211193889U - 一种带有力触觉感知的深海智能手爪 - Google Patents
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Abstract
一种带有力触觉感知的深海智能手爪，可解决传统手爪无法实现夹持过程中的力触觉信息采集与反馈，无法实现夹持过程中的精确力控制，适用性与局限性较大的技术问题。包括依次连接的驱动机构、传动机构和末端执行机构，还包括控制模块、多维力传感器模块和触觉传感器模块；所述多维力传感器模块、触觉传感器模块、驱动机构和控制模块分别通信连接；所述驱动机构一端与多维力传感器模块连接，另一端与传动机构连接；所述触觉传感器模块设置在末端执行机构上。本实用新型结构设计合理，简单紧凑，液压缸的较小行程即可实现手爪的较大开合，模块化的多维力传感器与触觉传感器实现手爪感知功能的完善，实现深海精确作业及精细化作业要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及水下作业工具技术领域，具体涉及一种带有力触觉感知的深海智能手爪。
背景技术
海洋中蕴含着丰富的矿物资源和生物资源，是资源开发和科学考察的重要场所之一。水下机器人，作为海洋资源开发和海洋领域研究的利器，极大扩展了研究领域的广度和深度，使得研究可以从浅海延伸到深海。水下机械手是水下机器人作业功能的主要承担者，各类作业型潜水器上均有搭载。作为机械手的末端执行器，直接实现目标物的抓取与夹持，对手爪的研究也显得愈发重要。
随着机器人技术的迅速发展及对深海探索研究的不断深入，水下作业的精细化与完整性要求越来越高。传统手爪无法实现夹持过程中的力触觉信息采集与反馈，无法实现夹持过程中的精确力控制，对脆性及柔性作业对象无法实现完整采集，且精细作业能力有限，故适用性与局限性较大。
实用新型内容
本实用新型提出的一种带有力触觉感知的深海智能手爪，可解决传统手爪无法实现夹持过程中的力触觉信息采集与反馈，无法实现夹持过程中的精确力控制，适用性与局限性较大的技术问题。
为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：
一种带有力触觉感知的深海智能手爪，包括依次连接的驱动机构、传动机构和末端执行机构，
还包括控制模块、多维力传感器模块和触觉传感器模块；
所述多维力传感器模块、触觉传感器模块、驱动机构和控制模块分别通信连接；
所述驱动机构一端与多维力传感器模块连接，另一端与传动机构连接；
所述触觉传感器模块设置在末端执行机构上。
进一步的，所述驱动机构包括液压缸外壳体、液压缸；
液压缸外壳体通过法兰与多维传感器和传动机构相连接；
所述传动机构和末端执行机构分别包括以液压缸活塞杆所在的直线为中心线呈镜像对称的两个单元；
所述传动机构的每个单元包括固定罩、推杆、小连杆、大连杆、平行连杆；
所述末端执行机构的每个单元包括一个末端执行部件；
所述传动机构和末端执行机构构成手爪结构；
推杆与液压缸活塞杆直接相连，固定罩设置在推杆的外部，活塞杆驱动小连杆运动，小连杆带动大连杆运动，大连杆与固定罩、平行连杆及末端执行部件构成平行四边形结构，实现手爪的平移夹持运动。
进一步的，所述手爪结构与液压缸具备以下关系：
手爪开合距离H取决于液压缸行程及杆长关系，液压缸行程S与手爪开合距离H存在一一对应关系：
H＝h2-2*u (3)
联立(1)(2)(3)式可得液压缸行程S与手爪开合距离H的对应关系,记为 F(S,H)＝0；
其中，S为液压缸行程，H为手爪开合距离，L为推杆杆长，θ为小连杆转角，r为小连杆杆长，b为大连杆杆长，h1为大连杆始端间距，h2为大连杆终端间距，u为爪间间隙。
进一步的，液压缸推力F与手爪夹持力FN存在如下关系式：
-F*r1＝FN*b1 (4)
式(4)即为液压缸推力F与手爪夹持力FN的对应关系，二者存在较好的单调对应关系；
其中，F为液压缸推力，FN为手爪夹持力，F1为F的分力1，F2为F的分力2，r1为推力力臂，b1简化连杆2的杆长。
进一步的，触觉传感器模块具体为触觉传感器阵列；
触觉传感器阵列通过固定胶层粘连在末端执行部件表面。
进一步的，所述末端执行部件预留凹槽，通过将固定法兰安装凹槽内用于锁紧触觉传感器阵列。
由上述技术方案可知，本实用新型的带有力触觉感知的深海智能手爪在满足深海作业要求的同时，可实现力/力矩/接触力采集与反馈，可较好的完成精确作业能力，提高精细化水下作业水平。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：
(1)手爪结构简单紧凑，可用于深海环境，驱动元器件为具有压力补偿功能的密封结构，多维力传感器模块采用水压平衡技术独立密封，其他多为开放结构，采用阳极氧化处理以对抗海水腐蚀。
(2)手爪集成多维力传感器模块，实现作业过程中的力采集与反馈，为适应深海环境的高压低温特性，多维力传感器采用水压平衡关键技术，自动实现内外压平衡，传感器采用模块化设计，通用性较强。
(3)手爪集成触觉传感器模块，采用压差式测量方法，实现抓取过程中的接触力采集与反馈，完成脆性及柔性作业对象的完整采集，增加手爪作业对象种类并提高手爪精细作业能力考虑深海高压环境对传感器精度的影响。
本实用新型结构设计合理，简单紧凑，液压缸的较小行程即可实现手爪的较大开合，模块化的多维力传感器与触觉传感器实现手爪感知功能的完善，实现深海精确作业及精细化作业要求。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图一；
图2为本实用新型的结构示意图二；
图3为本实用新型结构的内部参数示意图；
图4为本实用新型力觉传感器机构示意图；
图5为本实用新型液压缸推力与手爪夹持力关系示意图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本实施例所述的带有力触觉感知的深海智能手爪，包括五个部件，即多维力传感器模块Ⅰ、驱动机构Ⅱ、传动机构Ⅲ、末端执行机构Ⅳ及和触觉传感器模块Ⅴ。
其中多维传感器模块Ⅰ采用模块化设计，与手爪的连接采用法兰的形式，驱动机构Ⅱ包含液压缸外壳体1、带有压力补偿装置的液压缸 2等零部件，传动机构Ⅲ包含有固定罩3、推杆4、小连杆5、大连杆6、平行连杆7等零部件，末端执行机构Ⅳ即为末端执行部件8，触觉传感器模块Ⅴ包含有固定胶层9、触觉传感器阵列10、固定法兰11、硅胶层 12等零部件构成件；手爪模块通过法兰连接的方式与机械臂相连，安装于水下机器人上。
多维力传感器模块Ⅰ采用模块化设计结构，在传统多维力传感器技术的基础上，选用耐海水腐蚀的新型材料，结构上实现平衡传感器内外压，解决深海压强及传感器过载保护问题。
图2是手爪驱动机构Ⅱ与传动机构结构Ⅲ简图，如图2所示，所述驱动机构包括液压缸外壳体1、液压缸2、固定罩3、推杆4、小连杆5、大连杆6、平行连杆7、末端执行部件8。
具体的，液压缸外壳体1通过法兰与多维传感器Ⅰ和手爪传动机构Ⅲ相连接。推杆4与液压缸2活塞杆直接相连，活塞杆驱动小连杆5 运动，小连杆5带动大连杆6运动，大连杆6与固定罩3、平行连杆7 及末端执行部件8构成平时四边形结构，实现手爪的平移夹持运动；末端执行部件8与大连杆6和平行连杆直接7相连，经平行四边形机构产生平移运动；为适应不同种类抓取需求，夹持端面可实现抓取T 型夹持器及直接接触作业对象。
图3为手爪结构简图，该手爪结构紧凑，液压缸的较小行程S可实现手爪的大距离开合，手爪开合距离H取决于液压缸行程及杆长关系，液压缸行程S与手爪开合距离H存在一一对应关系。
H＝h2-2*u (3)
联立(1)(2)(3)式可得液压缸行程S与手爪开合距离H的对应关系,记为 F(S,H)＝0；
其中，S-液压缸行程，H-手爪开合距离，L-推杆杆长，θ-小连杆转角， r-小连杆杆长，b-大连杆杆长，h1-大连杆始端间距，h2-大连杆终端间距， u-爪间间隙。
图5为液压缸推力与手爪夹持力关系图，液压缸推力F与手爪夹持力FN存在一一对应关系，如图5所示，存在如下关系式：
-F*r1＝FN*b1 (4)
式(4)即为液压缸推力F与手爪夹持力FN的对应关系，二者存在较好的单调对应关系；
其中，F为液压缸推力，FN为手爪夹持力，F1为F的分力1，F2为F 的分力2，r1为推力力臂，b1简化连杆2的杆长。
图4为触觉传感器机构示意图，触觉传感器阵列10通过固定胶层 9粘连在末端执行部件8表面，为避免海水腐蚀导致的胶体脱落，将固定法兰11安装于末端执行部件8预留的凹槽内，锁紧触觉传感器阵列 10。
硅胶层12可由法兰固定；硅胶层设置在最外侧，直接与外界接触，接受外界力的同时，形成保护区域，保护传感器。
本实用新型实施例的工作过程如下：
具体工作过程如下：
以陶瓷碗作为被夹持件，具体夹持过程为，手爪运动到指定位置，液压缸通过传动机构控制末端执行机构运动，手爪末端机构产生平动夹持工件，同时末端执行机构上的触觉传感器模块及液压缸前端的多维力传感器模块产生反馈信号，进行闭环控制，实现夹持过程中的力触觉采集与反馈，实现精确力控制，保证准确夹持的同时不破坏工件的完整性。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种带有力触觉感知的深海智能手爪，包括依次连接的驱动机构(Ⅱ)、传动机构(Ⅲ)和末端执行机构(Ⅳ)，其特征在于：
还包括控制模块、多维力传感器模块(Ⅰ)和触觉传感器模块(Ⅴ)；
所述多维力传感器模块(Ⅰ)、触觉传感器模块(Ⅴ)、驱动机构(Ⅱ)和控制模块分别通信连接；
所述驱动机构(Ⅱ)一端与多维力传感器模块(Ⅰ)连接，另一端与传动机构(Ⅲ)连接；
所述触觉传感器模块(Ⅴ)设置在末端执行机构(Ⅳ)上。
2.根据权利要求1所述的带有力触觉感知的深海智能手爪，其特征在于：所述驱动机构(Ⅱ)包括液压缸外壳体(1)、液压缸(2)；
液压缸外壳体(1)通过法兰与多维传感器(Ⅰ)和传动机构(Ⅲ)相连接；
所述传动机构(Ⅲ)和末端执行机构(Ⅳ)分别包括以液压缸(2)活塞杆所在的直线为中心线呈镜像对称的两个单元；
所述传动机构(Ⅲ)的每个单元包括固定罩(3)、推杆(4)、小连杆(5)、大连杆(6)、平行连杆(7)；
所述末端执行机构(Ⅳ)的每个单元包括一个末端执行部件(8)；
所述传动机构(Ⅲ)和末端执行机构(Ⅳ)构成手爪结构；
推杆(4)与液压缸(2)活塞杆直接相连，固定罩(3)设置在推杆(4)的外部，活塞杆驱动小连杆(5)运动，小连杆(5)带动大连杆(6)运动，大连杆(6)与固定罩(3)、平行连杆(7)及末端执行部件(8)构成平行四边形结构，实现手爪的平移夹持运动。
3.根据权利要求2所述的带有力触觉感知的深海智能手爪，其特征在于：所述手爪结构与液压缸具备以下关系：
手爪开合距离H取决于液压缸行程及杆长关系，液压缸行程S与手爪开合距离H存在一一对应关系：
H＝h2-2*u (3)
联立(1)(2)(3)式可得液压缸行程S与手爪开合距离H的对应关系,记为F(S,H)＝0；
其中，S为液压缸行程，H为手爪开合距离，L为推杆杆长，θ为小连杆转角，r为小连杆杆长，b为大连杆杆长，h1为大连杆始端间距，h2为大连杆终端间距，u为爪间间隙。
4.根据权利要求2所述的带有力触觉感知的深海智能手爪，其特征在于：液压缸推力F与手爪夹持力FN存在如下关系式：
-F*r1＝FN*b1 (4)
式(4)即为液压缸推力F与手爪夹持力FN的对应关系，二者存在较好的单调对应关系；
其中，F为液压缸推力，FN为手爪夹持力，F1为F的分力1，F2为F的分力2，r1为推力力臂，b1简化连杆2的杆长。
5.根据权利要求1所述的带有力触觉感知的深海智能手爪，其特征在于：触觉传感器模块(Ⅴ)具体为触觉传感器阵列(10)；
触觉传感器阵列(10)通过固定胶层(9)粘连在末端执行部件(8)表面。
6.根据权利要求5所述的带有力触觉感知的深海智能手爪，其特征在于：
所述末端执行部件(8)预留凹槽，通过将固定法兰(11)安装凹槽内用于锁紧触觉传感器阵列(10)。
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| CN201922159022.3U CN211193889U (zh) | 2019-12-05 | 2019-12-05 | 一种带有力触觉感知的深海智能手爪 |
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| CN110744536A (zh) * | 2019-12-05 | 2020-02-04 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种带有力触觉感知的深海智能手爪 |
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2019
- 2019-12-05 CN CN201922159022.3U patent/CN211193889U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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