指尖三维力传感器与仿生触须传感器的研究

摘要

空间舱内负责空间站精密作业除了需要多自由度的机械臂外，还需要设计五个高仿人程度的灵巧手指。布置在灵巧机械手每个手指指尖处与指间关节处的三维指尖力传感器则实现上述功能，辅助灵巧机械手进行操作过程中的力柔顺控制，保证空间作业顺利进行。
　　本课题根据应用背景与技术指标，并在本实验室多年研究多维力传感器的理论与实验基础上，设计了一种新型的弹性体结构，即传统的十字横梁结构结合中心直梁结构，同时根据尺寸要求设计了底座与顶盖。
　　借助于有限元分析工具ANSYS对传感器的弹性体结构进行静态结构仿真，通过仿真分析优化弹性体的结构尺寸，并确定弹性体结构与配件的尺寸参数与应变片最佳粘贴位置。
　　根据测量要求设计测量各方向力的应变桥路，将作用力变换成信号电压。因为桥路的输出十分微弱，需要对输出信号进行放大和滤波，以收集稳定的电压信号。将放大后的信号通过NET2801构成的数据采集电路发送至上位机，数据采集软件则用于执行数据采集与实时显示。
　　为提高传感器的特性与精度，设计了针对小型传感器的标定设备，通过此装置对传感器采取加载标准砝码的方式进行标定实验。
　　详细地讨论了两种解耦方法:基于维间耦合误差和分段二阶拟合建模的解耦算法与基于BP神经网络的静态非线性解耦方法，并且针对标定数据比较了两种算法的解耦精度，结果表明，算法1解耦精度达到2.101％，算法2解耦精度达到1.235％，所设计的指尖力传感器与技术指标要求相符合，且算法2比算法1的去耦精度更高。
　　然后，根据得到的解耦系数，针对解耦算法1对上位机数据采集软件修改，实现软件自解耦，将采集的电压值转换为力实时显示并自动保存。
　　最后，基于指尖三维力传感器，选用柔性碳纤维棒作触须制作仿生触须传感器，分析位移测量理论，并对传感器开展实验研究进行验证。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 论文研究意义

1．4 论文研究内容组织结构

第二章 指尖力传感器结构设计及有限元分析

2．1 应用背景及技术指标

2．2 弹性体结构设计

2．3 弹性体有限元分析

2．3．1 有限元分析原理

2．3．2 有限元模型的建立与分析

2．3．3 应变片粘贴

2．4 传感器的封装结构

2．5 本章小结

第三章 硬件电路设计

3．1 应变电桥电路设计

3．1．1 电阻应变式传感器工作原理

3．1．2 电桥连接方式

3．2 放大电路设计

3．3 数据采集电路

3．4 本章小结

第四章 解耦算法与数据采集软件设计

4．1 基于维间耦合误差和分段二阶拟合建模的解耦算法

4．2 基于BP神经网络的非线性解耦

4．3 数据采集软件的设计

4．4 本章小结

第五章 静态标定与数据处理

5．1 概述

5．2 标定装置与标定过程

5．3 传感器的精度

5．3．1 基于维间耦合误差和分段二阶拟合建模的解耦算法的数据处理

5．3．2 基于BP神经网络的非线性解耦的数据处理

5．4 两种算法误差分析比较

5．5 本章小结

第六章 触须传感器设计与研究

6．1 两类触觉传感器结构

6．1．1 刚性触须传感器

6．1．2 柔性触须传感器

6．2 触觉传感器工作原理

6．2．1 横向位移分量测量方法

6．2．2 纵向位移分量测量分析

6．3 触觉传感器结构

6．4 触须传感器位移测量试验研究

6．4．1 实验总体方案

6．4．2 纵向位移测量试验

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

作者简介