用于水下应用的紧凑、轻便的液压操纵系统的制作方法

1.公开了用于水下应用的紧凑、轻便的液压操纵设备、系统和方法。该装置、系统和方法用于水下采样、高压焊接和海洋养殖，以及其他水下用途。


背景技术：

2.水下采样对海洋生物的科学研究必不可少。通常，至少需要四名有经验的潜水员在透光区内的浅水进行水下采样，特别是在生物多样性显著活跃的热带水域。考虑到潜水员在高动态水下环境下的高风险和身体限制，遥控潜水器(rovs)和自主水下航行器被积极开发并广泛应用于水下勘探和干预。然而，水下操作主要集中在通过物理作用的水下干预，仍然具有很高的挑战性，大多数商业化的水下机械手要么具有原始的灵活性(1-2自由度)，要么具有重型/庞大的重型应用。传统刚体机械手的刚性也使其很难处理柔性和脆弱的水生标本。此外，高压液压致动和控制系统经常比机械手本身更重、更庞大，通常需要在工作深度的水压下驱动这种系统。在这种情况下，需要相当大的水下平台为这种机械手和相应的驱动系统提供水下机动性。逐步扩大的尺寸、重量、成本和可维修性极大地限制了其更广泛的应用。
3.与传统的刚体机器人相比，柔性机器人提供了新的水下操作方法。特别是，柔性执行器固有的适应性和防水性能是抓取水下柔软和弹性物体的理想选择，其继承了电缆驱动和仿生方法。流体弹性体执行器在水下应用也工作良好，在相当于2300米深度的高压环境中关于连续体结构、混合结构，甚至模块化结构进行了测试。三维打印柔性机械手在深海作业中也被证明非常成功，测试深度超过2200米，在精细的水下采样中，比刚性机械手提供更好的紧凑性和固有顺应性。


技术实现要素：

4.以下给出了本发明的简化概述，以便提供对本发明的一些方面的基本理解。该概述不是本发明的广泛概述。其既不旨在标识本发明的关键或重要元素，也不旨在描述本发明的范围。相反，本概述的唯一目的是以简化的形式介绍本发明的一些概念，作为下文更详细描述的序言。
5.水下机械手是水下机器人采样和其他服务作业必不可少的。传统的刚体水下机械手通常要求大的尺寸和重量，这阻碍了其广泛应用。开创性的水下柔性机器人通过提供灵活和轻便的臂和夹持器克服了这一点，但仍然需要大量的驱动和控制组件来对抗水压并实现所需的动态性能。在这项工作中，我们提出了新颖的水下机械手设计和控制方法，利用柔性机器人的独特特性，采用混合结构(刚性框架+柔性执行器)提高刚度和力输出，采用统一的执行器设计，允许一个紧凑的液压驱动系统驱动所有执行器，以及新的完全可定制的软囊设计，提高了多个领域的性能:(1)执行器的力输出与工作深度解耦，工作范围宽；(2)所有执行器都连接到主液压管线上，无需执行器专用的控制回路，从而形成非常紧凑的执行器系统，特别适用于高灵活性的情况；(3)与无囊的计数器系统相比，动态响应明显改进。开
发了具有4自由度、双囊和15n负载的柔性机械手样机；整个系统(包括驱动、控制和电池)可以安装在消费级遥控潜水器上，其独立于深度的性能通过不同气候和水文条件下的各种实验室和现场测试结果验证。提出的软囊设计的分析模型和验证也为其他应用提供了指导。
6.本发明公开了一种用于水下应用的设备，由混合式水下机械手；以及包括至少两个补偿软囊的液压控制架构制成。
7.为了实现上述及相关目的，本发明包括权利要求书中下文充分描述并特别指出的特征。下面的说明和附图详细阐述了本发明的某些说明性方面和实现。然而，这些只是表明了本发明的原理可以采用的各种方法中的少数几种。当结合附图考虑时，从以下本发明的详细描述中其他本发明的目标、优点和新颖特征将变得显而易见。
附图说明
8.图1描述了根据实施例安装在消费级rov(遥控潜水器)上的具有基于软囊的液压系统的水下机械手。
9.图2描述了常规水下操纵系统与根据实施例的基于csb的操纵系统之间的比较。图2a是常规水下操纵系统。整个系统与环境水隔离，因此需要油箱作为液体源。至少需要一个高功率液压泵来对抗环境水压。高功率驱动单元也需要快速响应，每个执行器需要单独的反馈回路用于灵巧和准确的控制。图2b描述了根据实施例的水下操纵系统。只有电子元件是密封的。液体源直接来自于环境水，csbs和执行器都暴露在环境水中，确保环境水压平衡。所有执行器由紧凑和简单的入口和出口控制回路控制。通过利用两个csb(compensating soft bladder，补偿软囊)的弹性可以实现改进的动态响应。
10.图3描述了根据实施例的系统概览。图3a是所提出的水下液压系统的示意图。图3b描述了带有机械手的水下液压系统。
11.图4描述了根据实施例的机械手特性。左边是机械手的运动示意图，中间是机械手的暴露视图，右边是灵巧的混合水下机械手。
12.图5a描述了csb成型过程(入口)。出口csb成型过程是相同的，除了没有纤维增强。图5b描述了柔性执行器成型过程。夹持器和手腕执行器遵循相同的程序但长度不同。图5c是两个csb的示意图。上面一个是入口csb(拉伸)，下面一个是出口csb(收缩)，λe和λc分别是入口和出口csb的主拉伸比。图5d图解了csb压强与应变的测试结果(入口:上，出口:下)。蓝线是分析结果，红点是实验结果。图5d图解了csb流速与压强差的测试结果(入口:上，出口:下)。ana，分析的；exp，实验的
13.图6根据实施例的csb测试平台装置。
14.图7和表1描述了根据实施例的基于csb的液压系统跟踪性能测试结果。图7a显示了p-a(阶跃函数)跟踪性能。图7b显示了p-b(正弦信号)跟踪性能。图7c-7f显示了所有四种系统装置的p-c(频率增加的正弦信号)跟踪性能。红色阴影为跟踪失效之前的跟踪时间(临界时间)。
15.图8描述了柔性执行器和夹持力测试。图8a和图8b报告了柔性执行器的应力与应变测试结果(手腕和夹持执行器)。图8c和图8d报告了柔性执行器的力与压强测试结果(手腕和夹持执行器)。图8e报告了混合夹持器夹持力测试结果(不同入口csb压强)。图8f描述了柔性执行器验证测试装置(上:夹持执行器；下:手腕执行器)。图8g显示了夹持器测试装
置。力传感器安装在夹持器的一个手指上；除了将力传感器安装在一个手指上外，没有增加进一步的限制，其余的夹持器处于自然工作状态。
16.图9报告了不同水深下操纵系统的试验。图9a报告了测试结果。测试在陆上、水箱和海里进行。图9b显示了用于演示夹持力的粘土盒。底部列出了所有测试深度的粘土盒。
17.图10描述了混合机械手系统验证。图10a描述了用于速度测试的15米水槽。图10b描述了机械手灵活性和准确性测试(拾取和放置)装置(陆上)。图10c描述了拾取和放置过程。图10d描述了速度测试中单个rov与具有水下操纵系统的相同的rov的对比。
18.图11显示了3个不同水文和气候条件下海洋生物多样性热点的水下操纵系统验证研究。图11a马尔代夫，坎迪马岛珊瑚泻湖；图11b中国台湾、桂山岛；及图11c中国香港，西海岸。
具体实施方式
19.现有技术的解决方案仍然在紧凑、轻量化和灵巧性之间妥协，主要是由于现有的柔性机械手的液压致动和控制组件仍然与刚性机械手相似:(1)为了灵活性，多个执行器需要专用的压强调节反馈回路；(2)对于工作深度，需要匹配驱动压强以对抗工作深度处的环境水压；(3)为了快速响应，经常需要高功率驱动单元。已经做出了一些努力来解决这些限制，从具有化学反应的紧凑气动系统(不适用于水下应用)到带有环境水压补偿的卡钳用于以原始的灵巧性抓取物体。特别地，制造了蓄能器以既对抗环境压强又增加驱动级的流量。在蓄能器中使用了弹簧来保持环境压强并提供增加的流量。因此，为了同时实现紧凑、轻量化和快速响应，需要对处于开发阶段的驱动和控制系统进行创新。
20.本文提出了一种新型的混合式水下机械手架构，其特征在于，并且被展示的是该架构具有统一的柔性执行器设计和软囊液压致动(图1)，通过在液压致动系统中使用两个补偿软囊(csbs)，实现了灵活性、紧凑性、与深度无关和快速响应。展现了csb和柔性执行器的机械设计、分析建模和样机开发的完整工作，以及在热带地区各种水文条件的不同现场在受控和开放水域环境中的各种测试结果。
21.主要贡献是多用途csb概念和基于该概念的整体柔性机械手驱动和控制方法，实现了与现有技术的解决方案不同的独特的实验验证特性组合:(1)高度紧凑，具有csbs，整个样机臂具有15n的有效载荷和4自由度的灵活性，重2.5kg(包括电池和电子器件)，可以安装在休闲rov平台上；(2)与深度无关，在整个工作深度范围内均匀力输出性能，不受环境水压变化影响；(3)改进的动态响应，通过在液压回路中使用csb，响应快了近两倍。
22.本文所述的机械手的结果非常有希望成为一种灵活、紧凑、轻便的柔性机械手，在整个指定的工作深度范围内具有几乎一致的载荷和动态性能。根据这种方法，休闲级rov可以配备易于携带和使用的柔性臂，导致在潜水员援助和水下作业中的大量应用。
23.概念设计与系统概述
24.设计要求
25.对于一般水下采样和操作任务，有针对性地设计了一种紧凑、易于操作、具有大工作深度范围，同时响应能力强、任务能力强的柔性机械手。
26.以下设计要求描述了这些相当矛盾的特征:
27.(1)紧凑。支撑该机械手的完整自包含水下系统应该能够安装消费级紧凑rov，比
现有的水下机械手明显紧凑得多。因此，传统的液压箱可以被淘汰，紧凑的泵/阀门优于传统的压缩机/气缸，具有最小的驱动和控制硬件。
28.(2)大工作深度范围。由于使用的紧凑液压元件的压强范围有限，环境水压成为影响液压性能的关键因素。可以采取措施保证柔性机械手的操作和性能不受工作深度的影响。
29.(3)快速响应。快速响应和跟踪能力对采样和操作的动态任务至关重要。考虑到紧凑驱动元件的流量和响应时间有限，可以采取措施改进动态响应。
30.(4)柔性臂。考虑到复杂的水下环境因素和柔性机器人固有的顺应特性，水下采样任务需要便于携带和使用的柔性臂。
31.水下操纵系统概述
32.提出的水下操纵系统与传统液压水下机械手(图2)相比大幅修改以满足设计要求。主要特点如下:
33.(1)采用基于csb的控制策略以减少泵、阀门和控制硬件的使用。与传统水下机械手对每个执行器使用单独的控制回路相比，本文所描述的液压系统对机械手中使用的所有执行器只有两个控制回路。由于两个csb连接到所有的执行器，它们就像压强控制单元一样。此外，csb可以通过预设工作压强范围来保护执行器不超过最大压强阈值。
34.(2)两个csb暴露在环境水中以平衡环境水压。在这种情况下，泵的工作压强与环境水深无关。与phillips等人(phillips bt,becker kp,kurumaya s,et al.a dexterous,glove-based teleoperable low-power soft robotic arm for delicate deep-sea biological exploration.sci rep 2018；8:14779)使用的使用弹簧来保持环境压强的蓄能器相比，两个csb自然地抵消了环境压强，利用了柔性机器人的固有顺应性。。在这种情况下，可以在开发层面中去除水深因素。
35.(3)利用两个csb的固有顺应性实现了快速的动态响应和跟踪能力。通过设置csb的工作压强范围，csb和执行器之间将产生压强差。在这种情况下，来自泵的水可以以更大的流速释放。此外，通过使用csb和执行器部分的设计和建模提出的分析模型调整材料和壁厚，csb可以为不同的应用定制。
36.(4)水下操纵系统采用模块化执行器设计。由于柔性执行器的压强可以由两个csb和相应的阀门控制，因此每个执行器不需要传感器。在这种情况下，当需要更多的自由度(dofs)时，只需要在系统中添加阀门和执行器。此外，模块化设计有助于在增加自由度时保持系统的紧凑性。
37.提出的基于csb的液压控制架构
38.如图3所示提出的液压控制架构具有多种用途，包括系统紧凑性、宽工作深度范围和动态性能。液压系统由八个阀门(每个2.5w)，两个泵(每个7.2w)，两个csb，两个压强传感器和一个控制单元组成。最大功耗是34.4w，不到标准水下机械手所需功率的一半。为了防水和紧凑，所有的电子组件都放入了四个丙烯酸管。四根管子的直径是100mm，长度范围从140到250mm。整体来说整个系统重2.5kg，可以装入一个400x 500x 250mm的盒子。在水中的重量约为零。两个泵分别与两个csb连接，当csb暴露于环境水时平衡环境水压。关节上的三个执行器对应六个阀门，其余两个阀门与夹持器上的两个执行器连接，随着这两个执行器同时运动。所有的执行器由两个csb和相应的阀门控制。由于执行器和两个csb之间产生的
大压强差将导致更高的流速，因此通过将两个csb预先设置到预设的压强范围，系统的动态性能得到了改进。在本实施例中，由于3d打印零件的限制，csb的最大压强设置为15psi。
39.当液压系统被激活时，两个csb首先被泵送到预设的压强范围(入口正压强和出口负压强)。确定压强范围使所有的执行器可以在安全工作压强范围内执行并可以大幅缩短响应时间。当两个csb暴露于水中时，它们也类似于水深压强补偿器。所以无论深度是多少，两个泵只需要提供压强差。当接收到命令信号然后执行器需要拉伸或收缩时，控制单元打开相应的阀门然后水首先从(入口)/到(出口)两个csb释放。当两个csb中的压强超过预设范围时，两个泵将再次激活使压强范围保持在预设值内。
40.混合式机械手的设计
41.对水下机械手进行了混合设计。一方面，在复杂的水下环境下，柔性机器人与传统的刚体机器人相比具有固有的顺应性优势。另一方面，通过在设计中应用刚性零件可以实现更好的精度和更大的载荷。
42.水下机械手(图4)由夹持器和手腕两部分组成。夹持器有两个手指，都覆盖着柔软的组织以增加摩擦。两个手指安装在夹持器底座上，两个夹持器执行器固定在手指和底座之间。当这两个执行器被拉伸时夹持器关闭，随着这两个执行器同时移动。最大张角b是85
°
。手腕由三个手腕执行器、球关节和两个3d打印板组成。上下板通过球关节连接，三个柔性执行器沿板的边缘呈三角形放置。当一个执行器被拉伸时，其他两个执行器相应收缩，这导致了与收缩的执行器一起的弯曲运动。最大弯曲角a是36
°
。
43.csb和执行器的设计与建模
44.液压系统的另一个组成部分，两个csb在整个系统的性能中发挥着不可比拟的作用。在这种情况下，两个csb的开发与液压系统分开以更详细的方式阐述它们的功能。然而，与csb相比，柔性执行器具有同样的重要性和相似的制造过程。在这种情况下，执行器的开发与csb放在一起为了更好的理解。
45.csb和执行器的设计与制造
46.在本实施例中提出的csb的目的是减少系统的体积和复杂性，同时优化泵的输出以便控制响应时间可以大幅减少。为了实现这些目标，至少要满足以下三个条件中的一个:(1)可以被动地平衡环境水深压强以使水深因素从开发阶段去除。(2)csb和执行器之间的压强差足够大以实现快速响应，但不会大到导致执行器损坏。(3)当压强增加时，csb为了执行器需要具有足够的容积变化。利用柔性机器人固有的顺应性和防水性，通过将两个csb暴露于水中，在开发阶段不再需要考虑环境压强。为了进一步研究csb的性能与参数之间的关系，在csb和执行器部分的设计与建模中建立了分析模型。为了便于研究，两个csb被设计成只在一个轴上变形(拉伸和收缩)。
47.有两个csb用于液压系统，一个在入口(拉伸)和另一个在出口(收缩)。它们二者的形状相同，但拉伸的一个有纤维增强层，而收缩的一个是纯硅。入口csb的成型工艺如图5a所示。内层首先成型(dragon skin 30；smooth-on,inc.)。铺上纤维增强后，外层成型(dragon skin 30；smooth-on,inc.)。当它固化时，取出3d打印模芯并添加夹具。对于出口csb，由于没有纤维增强，它只成型一次(dragon skin 30；smooth-on,inc.)。
48.为了降低系统复杂度并实现模块化的执行器设计，在夹持器和手腕中使用的5个柔性执行器结构相同但长度不同以满足不同的要求。特别地，用于夹持器的两个执行器较
短以实现更大的张角，而用于手腕的三个执行器较长以实现更大的弯曲角度。成型工艺如下(图5b):软室首先使用3d打印模具成型(dragon skin 10；smooth-on,inc.)。一旦硅固化，纤维增强层被添加以限制径向延伸。然后用3d打印夹具将软室的两侧密封。结合混合机械手的设计，可以根据需要修改执行器的长度和内室半径，而无需重新设计柔性执行器的整体结构。
49.csb的分析建模
50.为了简化分析模型，csb中使用的所有材料被认为是不可压缩的，使用了neohookean超弹性材料模型。应变能密度函数由式(1)给出。
[0051][0052]
其中μ为初始剪切模量，i1为三个主拉伸比λ1，λ2，λ3的第一个输入变量:
[0053][0054]
主应力由式(3)给出。
[0055][0056]
其中p是拉格朗日乘子。对于不可压缩材料，λ1λ2λ3＝1。对于入口csb(图5c上部的一个)，由于有一个纤维增强层，周向应变被认为可以忽略，得到λ
2e
＝1。然后通过式(4)得到。
[0057][0058]
对于图5c所示的出口csb，由于两端有两个圆形3d打印零件，因此这两点的周向应变为零，得到λ
2e
＝1。而在csb中心的周向主拉伸为k(k为常数，且0》k≤1)。它可以通过式(5)得到。
[0059][0060]
为简单起见，虽然入口csb由不同的材料组成，具有不同的初始剪切模量，但它们被认为是具有有效初始剪切模量的均匀材料。对于入口csb，径向应力被认为通过厚度平衡(即s3＝0)，考虑到polygerinos等人的研究中类似的推导过程，式(3)进一步简化为
[0061][0062]
对于出口csb，将式(1)、式(2)、式(5)代入式(3)得到
[0063][0064][0065]
[0066]
对于入口csb，平衡是在两端达到，给出式(10)。
[0067]
p
eae1
＝s
1eae2
，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0068]
其中，pe为csb内外压强差，a
e1
为csb横截面积，a
e2
为硅的横截面积。假设csb初始长度le，半径re，壁厚te，将式(3)代入式(10)得到
[0069][0070]
对于出口csb，当k＝1时，压强差pc产生的力等于轴向应力产生的力。当k＝k
min
时，径向应力由压强差pc来平衡。然后通过式(12)、式(13)得到
[0071]
p
cac1
＝s
1cac2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0072]
pc＝s
3c
.
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0073]
csb的初始条件分别为长度lc、半径rc和壁厚tc。将式(7)、(9)结合式(12)、(13)可得
[0074][0075][0076]
将式(15)代入式(14)得到
[0077][0078]
假定执行器内的压强为pc并且水通过csb并且执行器不可压缩，给出dary-weisbach方程为式(17)。
[0079][0080]
其中δp是csb和执行器之间的压强差，l是管道长度，ρ是水密度，v是平均流速，d是管道内径。为简单起见，虽然有不同的管件和不同直径的管道，但它们被认为是一个单一的具有有效长度的管道fd是层流时的darcy摩擦因子，其中re是雷诺数。当为湍流时，应用swamee-jain方程
[0081][0082]
其中ε是绝对粗糙度。将式(18)代入式(17)得
[0083][0084]
csb验证实验
[0085]
csb的工作性能至少基于以下两个特征中的一个:(1)csb有足够大的变形以为执
行器存储足够的水。(2)csb与执行器之间的压强差大到足以产生大流量并增加响应时间。在这种情况下，首先测试了csb的压强与应变关系。然后，在提出的基于csb的液压系统上测试了流量与压强差的关系。最后，与无csb状况相比对整个液压系统的性能进行了评估。
[0086]
实验装置
[0087]
实验装置如图6所示。实验中的液压路径与概念设计和系统概述部分提到的液压系统相同，只是在实验设置中只有一个执行器。三个压强传感器(tscdrrn015pducv；honeywell international inc.)分别用来记录csb和执行器的压强。两个流量传感器(fs2012-1001-lq；integrated device technology,inc.)被放置在刚好在阀门之后的入口路径和出口路径用于csb的流量测量。实验中使用的执行器和csb与液压系统和水下机械手中的执行器和csb相同。执行器和两个csb一端固定在平台上，另一端可以自由移动。将csb和执行器连接到压强传感器的管道长度设置为当csb或执行器变形时，弯曲管道的阻力可以忽略不计。
[0088]
压强和应变验证
[0089]
在本小节中首先测试了压强与应变的关系。每增加1psi压强，测量主拉伸比(λe和λc)。这个过程重复五次，平均值用于每个点。图5d显示了测试结果。两条蓝色曲线是式(11)和式(16)的分析模型，其中入口csb的有效初始剪切模量是65psi，出口csb的有效初始剪切模量是40psi。两种模型与实验数据拟合良好；入口csb的均方根误差(rmse)是0.012，出口csb的均方根误差(rmse)是0.005，说明两种分析模型与实验数据拟合良好。通过使用预先建立的模型，可以根据需要存储的水量专门设计csb。
[0090]
流量与压强差关系验证
[0091]
由于两种csb的分析模型不同，因此分别测试了两种csb的压强差与流量的关系。入口csb测试步骤如下:(1)将入口csb的压强设置为13psi，开始将水泵入csb中。入口阀门保持关闭，执行器内的压强为0。(2)当csb达到预设压强时，关闭入口泵。然后，打开入口阀门，由于压强差水开始从csb流向执行器。在此过程中测量了csb和执行器的流量和压强。(3)当csb与执行器之间的压强差达到0时，关闭入口阀门。(4)上述步骤重复5次。出口csb遵循类似的步骤，除了出口csb预设为负压并且执行器充满水(压强＝6psi)，所以一开始的压强差也是13psi，执行器内部有足够的水供出口csb吸出。测试结果如图5e所示；入口csb和出口csb的有效长度分别是0.5m和1m。分析和实验结果均表明，两种csb的流速均随着压强差的增大而迅速增大。然而，当流动变为湍流时，随着压强差的增大，流速的上升明显减小。
[0092]
跟踪性能评估
[0093]
测试了四种不同的系统装置以评估系统的跟踪性能:
[0094]
s-a:一个手腕执行器，一个入口泵，没有csb。
[0095]
s-b:一个手腕执行器，一个入口csb，一个入口泵。
[0096]
s-c:一个由液压系统控制的手腕执行器，具有入口和出口csb和它们相应的泵。
[0097]
s-d:具有较短的夹持器执行器的s-c。
[0098]
对四种装置分别给出了三种不同的压强信号:
[0099]
p-a:是时间间隔为6s的阶跃函数。
[0100]
p-b:是0.25hz的正弦信号。
[0101]
p-c:是频率增加的正弦波形。
[0102]
结果如图7和表1所示。
[0103]
对于p-a跟踪(图7a和表1)，s-b和s-c比s-a的上升时间缩短了一半，s-c也比s-a和s-b的下降时间缩短了一半。此外，与其他三种系统相比s-d的上升和下降时间显著缩短(高达687％)，说明在相同的csb装置下，执行器越小，充放电速率越快。在p-b跟踪测试(图7b)中，s-c和s-d的rmse比s-a和s-b小得多，而s-d的rmse最小(0.19psi)。为了便于比较和易于理解，在评估p-c的跟踪性能时(图7c-7f)，我们假设当rmse低于10％(0.4psi)时，系统能够跟踪给定的信号。同样，当rmse第一次超过时，记录阈值(临界时间)作为参考。与s-a相比，s-b和s-c的临界时间更大(表1)。s-d与s-c相比具有相似的性能；一种可能是尽管s-d在相同的压强变化下需要更少的水，但阀门的机械性能不能提供足够的开关频率。综上所述，展示了与无csb系统相比，基于csb的液压系统可以显著提高系统响应时间。
[0104]
水下操纵系统实验
[0105]
根据设计理念，水下操纵系统除响应时间快外，还至少满足其中一项:(1)紧凑；(2)工作深度范围宽。在这种情况下，该机械手被安装到消费级rov中并在不同深度下进行测试。同样，进行了一项专门设计的任务以测试机械手的灵巧性和准确性。
[0106]
柔性执行器实验
[0107]
如实验装置部分所示，为了模块化和简化机械手中使用的五个执行器遵循相同的设计。为了证明这种设计的可行性，测试了执行器的应力与应变关系和压强与力的关系。测试装置如图8f所示。除执行器一端可以沿导杆移动外其余部分均固定。导杆与执行器之间的摩擦可以忽略不计(《0.1n)。
[0108]
应力与应变测试的结果如图8a和图8b所示。两种执行器在初始阶段拉伸都小。当压强达到30kpa至40kpa之间时，手腕执行器和夹持器执行器的变形更加显著。随着压强持续增加，拉伸再次变缓。同一组的执行器在应力与应变关系上差异不大。对于手腕执行器，平均误差是0.022，对于夹持器执行器，平均误差是0.0138。压强与力的验证结果如图8c和图8d所示，拟合曲线与测量数据拟合良好。对于手腕执行器，rmse分别是0.58n、0.48n和0.26n，总体rmse是0.81n。对于夹持器执行器，rmse分别是0.49n和0.39n，总体rmse是0.44n。
[0109]
混合水下夹持器实验
[0110]
首先进行了台架测试以评估夹持器的夹持力。在夹持器的尖端安装力传感器(图8g)，并将入口csb设置为三个不同的压强范围以观察csb对夹持力的影响。如图8e所示，csb工作压强与夹持力呈正相关关系，说明可以通过调整csb工作压强范围来修改夹持力。
[0111]
也在不同水深条件下测试了操纵系统以证明基于csb的液压系统与水深解耦。基于以下三个原因中的至少一个，使用填充粘土的3d打印盒子用于力测量(图9b):(1)测试后和离开水后保持形状以及长期记录的能力(相反，弹簧秤在松开夹持后会恢复正常长度)。(2)可直接比较不同位置和深度之间的结果，便于后期分析可视化。(3)作为无源设备，不需要额外的电源或接线，易于在多站点测试中实现。将盒子安装在夹持器的尖端(图9a)，用夹持力测量凹槽的深度(图9b)。为了限制变量，所有箱子的重量都在10.1g至10.2g之间，夹持时间设置为15s,csb工作压强设置为13psi至14psi。这项测试在三个不同的地方进行:陆上、水箱和海底；陆上测试作为参考，每个深度使用三个盒子。
[0112]
结果如图9a所示。陆上测量的凹槽深度是6.05mm(蓝色虚线)，其余点沿直线均匀
分布，均方根误差是0.3mm。结果表明，基于csb的液压系统与环境水深无关。
[0113]
混合水下操纵系统实验
[0114]
实验装置如图10b所示。两个3d打印的环放在两边，中间是一根细长的棍子。一个人需要使用控制器控制机械手并拿起两个环并将它们通过中间的杆放置(图10c)。为了量化整个系统的性能，假设环的内径为d，棒的直径为3mm，如果机械手能够完成任务，其精度为d-3mm。这项任务在陆上和水下都进行了。在这两种情况下，机械手都能以1mm的精度完成任务。为了评估操纵系统对水下平台的影响，将整个系统安装在消费级rov上进行速度测试。rov重约3.8kg，尺寸为465x270x126mm。如图10a所示，rov需要通过15米长的水槽。一个带有操纵系统(图10d，右)，另一个没有操纵系统(图10d，左)。由于电缆受到的拉力，以及速度过高时在狭窄的隧道中难以控制方向，因此将rov的额定功率设置为中等。这两种装置都测试了三次。结果表明，当操纵系统在船上时，其平均速度(0.28m/s)比只有rov时(0.45m/s)低37.8％。速度损失的一个主要原因是操纵系统大幅增加了rov的截面积并破坏了rov的流线型形状。在给定洋流速度(0.08至0.25m/s)的情况下，结果表明安装机械手会降低rov的速度，但仍在可行范围内。
[0115]
本文描述了采用轻型基于csb液压致动控制系统的水下混合动力机械手。设计混合机械手使得柔性执行器设计与机械手运动生成解耦。为了平衡环境水压，减小系统体积，改进动态响应，在液压系统中增加了两个csb。建立了分析模型以探索csb的变形、压强和流量特性，并与实验结果很好的拟合。此外，测试了提出的液压系统的跟踪性能，与无csb条件下相比，csb可以显著提高系统性能。测试了柔性执行器的应力与应变和压强与力关系，不同个体表现出有限的差异，证明了这种模块化设计的可行性。然后，在陆上和水下测试了混合操纵系统的夹持力和精度(见附录)。结果表明，水深对机械手性能影响不显著，即使没有精确的控制反馈，提出的水下操纵系统也能精确地处理水下任务。最后，进行了速度测试以评估系统的紧凑性，结果表明使用本文所述的水下操纵系统，即使是消费级rov也可以以合理的速度(0.28m/s)移动。
[0116]
本文中的设备、系统和方法允许通过混合机械手和基于csb的液压系统，深度不再是决定水下操作性能的因素，即使是紧凑水下平台(《4kg)也可以像沉重且昂贵的装置一样管理复杂的水下采样任务。由于大型且昂贵的水下平台不再是浅水区采样的必要单元，机械手和液压系统的组合设计理念成为了减少系统体积和费用的基准。此外，紧凑商用水下平台的启用大幅拓宽了该领域的人口。
[0117]
提出的柔性机器人操作器系统的样机已在三个热带和亚热带地区进行了实地试验(图11)。这些地区是海洋生物多样性的热点地区，其水文和气候条件如下:
[0118]
1)中国香港热带水域(ph值8.4)，温度低(21-23摄氏度)，盐度低(27-28psu为开放海水，盐度不适用于室内水箱淡水):四个测试地点:a)在浅深度和静水的室内水箱；b)室内水槽；c)南海滩；d)西部码头港区。
[0119]
2)中国台湾，桂山岛，亚热带水域(25m)，海底活火山，环境恶劣(ph＝6.1强酸(硫))，最高温度(33-36摄氏度)。
[0120]
3)马尔代夫，坎迪马岛珊瑚泻湖，浅水(2米)赤道水(ph值8.5)，中等温度(28-29摄氏度)和高盐度(34psu)。
[0121]
除非在示例和说明书和权利要求书的其他地方另有声明，所有零件和百分比均按
重量计算，所有温度以摄氏度为单位，压强为等于或接近大气压。
[0122]
对于给定特征的任何图或数值范围，来自一个范围的图或参数可以与来自同一特征的另一个图或不同范围的参数组合以生成数值范围。
[0123]
除操作示例中或另有声明之外，说明书和权利要求书中使用的所有有关成分数量、反应条件等的数字、值和/或表述，在所有情况下都应理解为被“大约”一词修正。
[0124]
虽然本发明是关于特定的实施例进行解释的，但应当理解的是，在阅读说明书后对其进行各种修改对那些本领域技术人员而言是显而易见的。因此，应当理解的是，本文公开的发明旨在涵盖属于所附权利要求范围内的此类修改。

技术特征：
1.一种用于水下应用的设备，包括:混合式水下机械手；以及液压控制架构，包括至少两个补偿软囊。2.根据权利要求1所述的用于水下应用的设备，其中所述混合水下机械手包括关节和夹持器。3.根据权利要求1或2所述的用于水下应用的设备，其中所述液压控制架构包括入口补偿软囊和出口补偿软囊。4.根据权利要求1-3中的任一项所述的用于水下应用的设备，其中所述设备在水中的重量是零。5.根据权利要求1-4中的任一项所述的用于水下应用的设备，进一步包括在每个执行器中的传感器。6.根据权利要求1-5中的任一项所述的用于水下应用的设备，其中所述混合水下机械手包括机械臂。7.根据权利要求1-6中的任一项所述的用于水下应用的设备，其中所述设备在干燥陆地的重量小于或等于2.5kg。8.根据权利要求1-7中的任一项所述的用于水下应用的设备，其中所述设备在水中的重量约为零。9.根据权利要求1-8中的任一项所述的用于水下应用的设备，其中所述设备具有两个或更多个控制回路。10.一种水下遥控潜水器，包括：根据权利要求1-9中的任一项所述的用于水下应用的设备。

技术总结
公开了一种用于水下应用的紧凑、轻便的液压操纵系统。该系统包括混合式水下机械手和液压控制架构，液压控制架构包括至少两个补偿软囊。该系统用于一般的水下工作，例如水下采样、高压焊接和海水养殖。高压焊接和海水养殖。高压焊接和海水养殖。


技术研发人员：王峥 慎重 赵亚飞 钟婳
受保护的技术使用者：港大科桥有限公司
技术研发日：2021.03.22
技术公布日：2023/3/21