水下机器人手爪力感知系统研究.doc

水下机器人手爪力感知系统研究 第卷第期?月传感技术学报瓜巾如起一是甜，“，如，一一，口?甜咒，竹，西”施?竹“把，”竹缸矗打，（玩?口啪，竹，（冼竹、肌以，“砌，傀邶叻，删彻加删，吼”丑，崩，国竹，西；水下机器人手爪?感知系统研究邱联奎弘，雷建和，宋全军，余永，葛运建，中国科学院合肥智能机械研究所，合肥“中国科学技术大学自动化系，合肥摘要提出了一种水下机器人手爪?感知系统的组成结构，该?感知系统由一个六维?矩传感器和三指夹持器指端的三个指?传感器组成，本文介绍了上述两种传感器的设计和标定，并对利用该手爪系统抓取物体进?了实际测试和分析，实验结果表明；所设计的?感知系统能够实时地感知腕?和夹持?信息，可以满足机械手?控制的需要。 关键词六维?矩传感器；指?传感器；水下机器人手爪（）机械手?信息感知是机械手?控制的基础，广泛地应用于机器人装配、打磨等作业系统中口。 文献将分层递阶模糊?控制应用到工业机器人上，采用安装在机器人腕部的六维?矩传感器感知?信息，并通过?口将?信息返回给机器人控制计算机。 文献采用包括视觉和?觉传感器在内多传感器系统完成了装配汽车发动机活塞的工作。 由此可见，?信息在机器人操作中起着重要的作用，对?信息感知系统展开研究具有重要的实用价值。 海洋蕴藏着丰富的资源和宝藏，对深海资源的开发和利用必须借助于机器人技术，研究具有感知和操作能?的水下机器人对海洋资源的开发有着重要的意义。 文献和研制了用于水下灵巧手的指?传感器和滑觉传感器，并成功地将其应用于水下灵巧手的?控制。 文献研制了一种薄壁圆筒型应变式多维?矩传感器，用补偿膜来补偿水压基金项目机器人技术主题资助（）；国家自然科学基金资助项目（，）作者简介邱联奎（一），男，博士研究生（通讯联系人），研究方向为机器人视觉伺服控制和信息获取，；雷建和（一），男，博士研究生，研究方向为数字运动员和信息获取；宋全军（一），男，博士研究生，研究方向为人机交互和信息获取；余永（一），男，研究员，博士生导师，研究方向为机器人传感器和信息获取；葛运建（一），男，研究员，博士生导师，研究方向为信息获取，万方数据第期邱联奎，雷建和等水下机器人手爪?感知系统研究?（认为液体?可压缩）。 文献讨论了基于应变片的指?传感器的?论、设计细节以及过载保护装置，所设计的传感器主要用于灵巧手的大拇指，也可以推广到其他手指，从文中可以看出，该传感器的结构比较复杂，体积较大，?适合应用于本文所基于的水下机器人手爪。 对于多传感器系统来说，各个传感器与控制计算机的通信问题必须加以解决。 文献对基于现场总线的分布式智能机器人感知系统进?了研究，采用基于总线的方法解决了传统孓和通讯方式中主节点单一和实时性差等问题。 文献对基于总线的集成化六维腕?传感器进?了研究。 本文在文献、和的基础上提出了基于总线的水下机器人手爪的?感知系统，该系统由安装在腕部的六维?矩传感器和安装在三指夹持器指端的三个指?传感器组成，采用六维?矩传感器感知机械手末端执?器与目标物体之间的作用?，通过指?传感器感知夹持器对物体的夹持?，这些传感器和手爪控制计算机之间采用总线进?通信，控制计算机向各个传感器发送读取数据命令，各个传感器在接到命令后将数据传送给手爪控制计算机，由控制计算机完成控制任务。 本文首先介绍了机器人手爪?感知系统的框架结构，接着对组成?感知系统的各个传感器的设计和标定进?讨论，最后，对?感知系统进?了一系列实验并给出了实验结果。 水下机器人手爪?感知系统结构水下机器人手爪感知系统包括?觉、视觉和超声测距等子系统，除视觉信息通过专用的视频采集卡与控制计算机进?通信之外，其它的感知信息皆通过总线与控制计算机进?通信，有效地解决了传统和通信方式中接口数?有限、主节点单一和实时性差等问题。 水下机器人手爪?感知系统由六维?矩传感器和指?传感器构成，这两种传感器与手爪控制计算机之问的联接方式如图所示，选用了自带控制器和模数转换的单片机作为控制核心，它具有体积小和采样速率高的优点。 在手爪控制计算机上，安装有基于接口的接口卡一，通过此接口卡，手爪控制计算机成为总线上的一个节点，从而能与其它具有接口的传感器进?通信。 六维?矩传感器和指?传感器在水下机器人手爪上安装位置如图所示。 套！管挚手爪控制计算机传感器小伍巾。 异删。 志凰接口卡指?传感器群拌拌信号放大电?图腕?指?传感器与手爪控制计算机之间的联接图水下机器人手爪原?性样机水下六维?矩传感器水下操作型机械手对六维?矩传感器有特殊的要求，首要问题就是传感器本体的水压平衡问题，文献考虑到深水下压?大的特点，分析了几种典型多维?矩传感器结构在水压作用下的应?和应变，指出实心的柱体可以承受深水压?，但开放式结构的弹性体容?被海水腐蚀；充油或充气的刚性封闭的薄壁和带补偿膜的薄壁圆筒结构?能承受深水压?，容?破坏而只能用于浅水；用软外囊封包的结构可以承受水压，实现足够大的体积变化而?破坏，但也存在容?破损和形状、质心?定的缺陷。 在此基础上，提出了一种水下机器人用多维?矩传感器自适应结构的设计方案，该方案采用内部充油和活塞装置对水压进?平衡。 该结构具有压?自适应的特点，能够随水深的变化保持传感器本体内外压?平衡。 为平衡水压，深水下多维?矩传感器结构必须能够在产生足够的体积变化的情况下而?被破坏。 事实上，液体在压?作用下，体积会发生变化，这种性质被称为液体的可压缩性。 由于液体的可压缩性，在水压作用下，封闭体（刚性或柔性体）内的液体会发生体积变化，并且这种变化随水深的增加而增加，但外壳的变化规?与油液的变化规?是?同的。 本文所采用的自适应传感器结构如图所示。 为缸体，是带有一个通孑的传感器本体。 为活塞，是集成了防尘三万方数据传感技术学报?装置、密封装置和空心薄壁形波纹管的一个整体结构，它与缸体配合形成移动副，并在多处产生密封。 密封装置的个数可以根据密封需要和?传感器结构尺寸而定。 活塞把?传感器分为传感器内部与外部，传感器内部充满与传感器的内部各材质相匹配的绝缘油液，与活塞内部相通，外部与?传感器所处环境中的海水相通。 防尘部分、密封装置与缸体之间形成的密封腔，腔内充满与内部中的油液相同的液体。 其具体工作原?如下当水压增加时，活塞向壳体内远动，使油的体积变小，油压增加，自动与外压?平衡；当水压减小时，活塞向壳体外运动，使油液的体积增大，达到与外压平衡。 这种结构具有开放式和封闭式结构的优点，同时结构紧凑，避免了软外囊封装结构的缺陷。 外部防尘装置密封装置图传感器本体的自适应结构本文所采用的六维?矩传感器本体就是基于上述自适应结构的，弹性体采用十字?结构。 其整体结构如图所示。 图六维?矩传感器的结构六维?矩传感器的结构和制造工艺决定了各?输出之间存在复杂的耦合，且很难从?论模型上给以描述，通常用实验的方法进?标定水下指?传感器在机械手抓取物体的操作中，除了采用腕?传感器测?机械手末端执?器与环境之间的作用?之外，还需要知道夹持器手指与物体之间的作用?，通过对指?的分析可以判断抓取操作是否稳定。 本研究中，选用型模片作为指?传感器的弹性体。 指?传感器的结构如图所示。 其中，球形指面和型模片之间通过螺纹联接，每个指?传感器上用片应变片组成一个电桥，电桥的电源线和信号输出线经型模片的密封端盖送出，最后，用密封胶密封信号线和出线孑之间的缝隙。 指?传感器采用分段添加载荷的方法进?标定，标定原?如图所示，垂直向下施加载荷，其大小为、和。 为了加载方?而采用了向下施加拉?的方式代替压?加载，只需要在最后的标定结果上添加一个负号即可应用于实际指?的测?。 最后的标定结果如表所示。 表指?传感器的标定结果注为满?程输出根据标定的结果，可以得出指?的计算公式为一（。 ?）一。 ?（一一。 ）其中。 为单片机的转换参考电压，为传感器输出电压经过转换后的数值，。 为该传感器的零点电位，。 为该传感器的满?程输出，为最后的指?大小，其单位是克。 图指?传感器结构图指?传感器标定原?万方数据第期邱联奎，雷建和等水下机器人手爪?感知系统研究测试实验及结果分析在六维?矩传感器的标定过程中，对施加在六维?矩传感器上的载荷与敏感桥?之间的关系进?了测?，由计算机记录传感器输出信号和所施加的外?大小，采用软件对数据进?处?，所得的实验结果如图（）所示，表明了传感器所受载荷和传感器敏感桥?输出之间的映射关系可以认为是线性的。 标定结束后，对实际载荷和测?值之间的一致性进?了测试，它们之间的关系如图（）所示，可以看出测?值能够反映实际载荷的大小。 图实际载荷和测?值之间的对比在图（）中，实际施加在六维?矩传感器方向上的载荷是、一和一，从一和从一分别对应了传感器的加载和卸载过程，图中圆点为实际测?数值。 从该图可以看出标定方法和标定矩阵是有效性的。 将指?传感器安装在机器人手爪的指端，该手爪是安装在机械手上的，这样就组成了物体抓取实验平台，其整体效果如图所示。 为了进一步验证指?传感器的功能，对其进?了物体抓取实验，目标物体为一个符合手爪抓取尺寸的橙子，放置在深度没及六维腕?传感器的透明的玻璃缸中，为了防止橙子在水中漂浮?定，特意在橙子的下方粘一个钢块使其沉在水中。 实验过程如下机械手将手爪移到抓取位置，由手爪控制计算机闭合手爪将物体抓住，当指?达到设定值时，抬起机械手将物体移动到指定位置，而后将其放下并松开手爪，在此过程中，由计算机记录下物体抓取数据，根据抓取阶段的实验数据绘制的指?曲线如图（）所示。 在图（）中可以看出当抓取完成时，指?逐步下降，最后趋于稳定。 其主要原因在于橙子发生了变形，从而导致两者之间的一部分作用?被释放。 从图（）中可以看出三个手指的所受的指?在大小上并?一致，可能的原因有以下几种被抓取物体的对称性?好；在抓取过程中，物体没有位于手爪的中心位置而是卡在两个手指之间，这图抓取试验的指?曲线样导致了两个手指所受的?大于另外一个手指所受的?；手爪本体在机械加工和装配上存在误差，使得手爪的三个手指在尺寸上?完全一致；手爪在抓取物体的时候与水平面?是严格的垂直，以至于在某个或两个手指上的?大于剩余手指所受的?。 图（）和图（）表明在定义的方向存在?分?，而在定义的方向?分?很小，近似为，可以根据手爪的姿态和分解合成后的指?曲线来判定抓取是否稳定。 结论及未来的工作成功地构建了一个基于总线的水下机器人手爪?感知系统。 六维?矩传感器原?性样机达到了设计要求，具有一定的防水性能，能够将?信息实时地传送给手爪控制计算机。 六维?矩传感器的未来研究方向在于提高传感器的精度，探讨诸多因素对传感器精度的影响，这些影响因素主要包括传感器封装和安装应?、弹性体的机械加工精度、弹性体切削应?、应变片的贴片位置和精度，以及传感器标定温度和传感器使用温度之间的差异等，通过建立这些影响因素与六维腕?传感器精度之间的模型，运用有限元方法，利用现代计算机技术分析这些因素对传感器精度的影响，寻求?之有效的解决办法，为传感器结构设计、加工精度要求的提出、贴片工艺优化和标定方法的改进提供?论依据。 指?传感器在机器人?控制中起着重要的作用，特别是在夹持?控制方面，是夹持?感知和控制的基础。 本文对用于水下机器人手爪感知系统的指?传感器进?了研究，研制出符合设计要求的指?传感器样机。 实验表明；该传感器反应灵敏，具有一定的过载能?，能够满足在物体抓取过程中的对夹持?信息感知的需要。 同样，在实验过程中，也发现了指?传感器的一些?足之处，例如，虽然传感器有一定的过载能?，但是没有设计侧向过载保护装置，万方数据传感技术学报?如果在操作过程中出现较大的冲击或碰撞时，就会使弹性体发生塑性变形而损伤传感器，造成数据测?准确，使得手爪?控制?能正常进?，要么因为夹持?太大而捏碎物体，要么因夹持?够而抓?起来，这些均会导致抓取作业的失败。 因此，需要在过载保护上进?研究。 另外，本文所设计的为单维指?传感器，还需要进一步研究多维指?传感器，考虑到基于应变片和弹性体结构的传感器尺寸较大，所以，多维指?传感器应从弹性体结构设计上着手，设计出体积小且能够满足应变片分布要求的弹性体，或者从基于的角度出发设计多维指?传感器。 致谢感谢戈瑜研究员、申飞和马军高级技师在传感器标定和调试过程中所做的工作。 感谢合肥工业大学刘正士教授和王勇在水下多维?矩传感器的设计和研制中所做的工作。 感谢许德章博士在水下机器人手爪平台上所做的研究。 感谢聂余满在物体抓取实验中所提供的帮助。 参考文献约翰克拉格著机器人学导论（英文版，第版）?京机械工业出版社，口，（），姚，眦，一，（）崔维娜，王巍，一种新型水下机器人用六维?传感器口仪器仪表学报，（），（）张建军，葛运建，陈卫基于现场总线的分布是智能机器人感知系统研究口，机器人，（）申飞，吴仲城，葛运建基于总线的集成化六维腕?传感器的设计华中科技大学学报（自然科学版），】刘正士，王勇等水下多轴?传感器的设计与研制中国科学院合肥智能机械研究所一研究报告，陈雄标，袁哲俊，姚英学机器人用六维腕?传感器标定研究机器人，（），舢】?】?】洲】删】蝴，蝴，删，堰，（上接第页）李宝清，陆德仁，王渭源高线性微机械差分电容式加速度计测西安西安交通大学出版社，?电?测控技术，一。 、】；，玎，（）（），锄，万方数据水下机器人手爪力感知系统研究作者邱联奎，雷建和，宋全军，余永，葛运建，QIU Lian-kui，LEI Jian-he，SONGQuan-jun，YU Yong，GE Yun-jian邱联奎,雷建和,宋全军,QIU Lian-kui,LEI Jian-he,SONG Quan-jun(中国科学院合肥智能机械研究所,合肥,230031;中国科学技术大学自动化系,合肥,230027)，余永,葛运建,YUYong,GE Yun-jian(中国科学院合肥智能机械研究所,合肥,230031)刊名传感技术学报英文刊名CHINESE JOURNALOF SENSORSAND ACTUATORS年，卷(期)xx,19 (4)被引用次数1次参考文献(13条)1.张建军;葛运建;陈卫基于现场总线的分布是智能机器人感知系统研究期刊论文-机器人xx (03)2.陈雄标;袁哲俊;姚英学机器人用六维腕力传感器标定研究1997 (01)3.刘正士;王勇水下多轴力传感器的设计与研制xx4.C8051F04x datasheet5.申飞;吴仲城;葛运建基于CAN总线的集成化六维腕力传感器的设计xx6.Josivaldo Godoyda SilvaA StrainGauge TactileSensor forFinger-Mounted Applications外文期刊xx (01)7.崔维娜;王巍一种新型水下机器人用六维力传感器期刊论文-仪器仪表学报xx (04)8.OBrien DJ;Lane DM TheSensing Subsystemsand ForceControl ofthe AMADEUSDexterous UnderwaterGripper外文会议19989.OBrien DJ;Lane DM Forceand SlipSensing fora DexterousUnderwater Gripper199810.Stefan JorgFlexible Robot-Assembly Usinga MultiSensory Approach200011.Lin Shin-Tin;Huang Ang-Kiong HierarchicalFuzzy ForceControl forInd