Design and Research of Underwater Multi-Fingered Hand with Force Sense

本文结合深海环境特点，面向水下机械手的作业需求，针对具有力感知功能的水下多指手开展了研究，论文的主要内容有：（1）设计了一款可用于全海深环境使用的力感知多指手，具体介绍了多指手结构，完成多指手传动结构的设计，多指手三个手指布局可调整以适应各种抓取对象，完成密封材料的选择等，多指手密封舱内充入液压油并配备压力补偿器以抵抗外界水压，可满足深海作业需求。（2）深入分析并设计了手指结构参数，选择由一根绳索驱动三个指节的欠驱动方式，具体设计了指关节扭簧参数，采用力控制的方法优化手指关节的运动顺序。手指指尖模块内置压力传感器并设计密封结构，通过力传递的方式获得指尖接触力信息。（3）建立了手指的运动学模型，进行了正向运动学求解；建立了三关节手指的抓取静力学模型，对手指指节接触力进行了理论分析；基于牛顿—欧拉方法，考虑关节水阻力与附加质量力矩等，建立水环境中手指的动力学方程。（4）建立多指手的ADAMS动力学模型，在仿真环境下对手指抓取目标物时的指节包络姿态进行了研究，与理论设计结果基本吻合；对手指的绳索—滑轮结构进行仿真验证，可实现绳索驱动手指弯曲功能；对多指手抓取性能进行了仿真，结果表明多指手可以适应不同形状的物体并对其进行稳定的抓取。（5）基于水下多指手原理样机进行多指手综合实验研究，验证了指尖力感知模块的性能与多指手的抓取性能，实验证明多指手力感知功能良好，具备柔性抓取的条件，且多指手可抓取多种形状的物体，可实现抓取的力封闭、几何封闭/形封闭