Authors

Abstract

This paper presents a theoretical framework for estimating the gripping force of a three-degree-of-freedom robotic arm mounted on a remotely operated underwater vehicle, intended for sampling operations in intensive aquaculture systems. Using the static relationship based on the Jacobian transpose, the proposed method reconstructs the force and moment vectors acting at the end-effector from the estimated joint torques. The gripping force is determined by projecting the Cartesian force onto the normal directions of a two-finger gripper. Transmission efficiency and joint friction are incorporated into the model through the definition of an effective torque. The influence of hydrodynamic forces is treated as an external disturbance during quasi-static manipulation. The internal consistency of the model is evaluated through a numerical validation based on representative design parameters for compact underwater manipulators. The analysis indicates that a gripping force of approximately 150–200 N satisfies the friction-based stability condition for typical sampling loads of approximately 100 N. Furthermore, the resulting joint torques remain within the realistic operating limits of actuators commonly used in ROV-mounted manipulators. The findings confirm the dimensional consistency and physical plausibility of the proposed estimation framework, which may be applied to assisted underwater force estimation in aquaculture applications.

Abstract in Romanian

Lucrarea dezvoltă un cadru teoretic pentru estimarea forței de prindere a unui braț robotic cu trei grade de libertate montat pe un vehicul subacvatic acționat de la distanță, care va fi utilizat în operațiunile de eșantionare într-un sistem intensiv de acvacultură. Folosind relația statică bazată pe transpunerea iacobiană, metoda reconstruiește vectorul forțelor și vectorul momentelor care apar la efectorul final de la cuplurile estimate în articulații. Forța de prindere este determinată prin proiectarea unei forțe carteziene pe direcțiile normale ale unui dispozitiv de prindere cu două degete. Eficiența transmisiei și frecarea articulară sunt încorporate în model printr-un cuplu efectiv. Efectul forțelor hidrodinamice este tratat ca forțe perturbatoare în timpul manipulării cvasi-statice. Consistența internă a modelului este evaluată prin intermediul unei validări numerice bazate pe parametri de proiectare reprezentativi pentru manipulatoare subacvatice compacte. Conform analizei, o forță de prindere de aproximativ 150–200 N îndeplinește condiția de stabilitate bazată pe frecare pentru sarcini tipice de eșantionare de aproximativ 100 N. Cuplurile articulare rezultate se încadrează în limitele realiste ale actuatoarelor utilizate în mod obișnuit în manipulatoarele montate pe ROV. Rezultatele analizei numerice confirmă coeziunea dimensională și plauzibilitatea fizică a cadrului de estimare sugerat, care poate fi utilizat în determinarea forței de manipulare subacvatică asistată în acvacultură.