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《安徽工程大学》 2015年
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三维指尖柔性触觉传感器的研究

葛维冬  
【摘要】:触觉传感器是智能机器人技术研究和发展的主要方向,三维指尖柔性触觉传感器可以感知三维空间的全力信息,是灵巧手智能化重要传感器之一。智能灵巧手主要包括六维腕力传感器和三维指尖柔性触觉传感器,迄今为止,国内外许多专家学者对六维腕力传感器的研究已较为深入,但对三维指尖柔性触觉传感器的研究还略有不足。随着工程上对智能灵巧手抓取稳定性和可靠性的要求越来越高,获取三维指尖柔性触觉传感器冗余信息显得尤为重要。本文运用三维建模和3D打印技术,制备了具有冗余信息的三维指尖柔性触觉传感器的实物样品;基于弹性力学理论,融入最小二乘原理,建立了三维指尖柔性触觉传感器轴向力和切向力的数学模型,揭示了触觉感知机理,为触觉检测方法的确立奠定了理论基础;依据本文拟定的触觉信息检测方案,设计开发了传感器信号转换和放大电路,采用自动匹配模拟开关产生电荷注入效应的P控制器,有效克服了寄生电容抑制的关键技术难题。本文的主要工作包括以下四个方面:1)采用matlab计算工具,ProE三维造型软件,建立了三维指尖柔性触觉传感器的数学模型,运用3D打印技术,制备了传感器机构和传感器单元样品;2)基于弹性力学,建立了三维指尖柔性触觉传感器轴向力的数学模型,结合压电理论,分析了PVDF压电膜静态电荷泄漏问题,借鉴预失真器理论,建立了能补偿低频失真的后失真器模型;在切向力方向,采用工程力学中梁弯曲变形理论,计算出传感器连杆的挠曲线方程,融入最小二乘方法,拟合出传感器单元的受力曲线,通过比较两者的曲线方程,求得传感器所受的切向力。3)采用电容放大器,组建了微电容转换电路,运用PID控制策略,设计了一种P控制器,用于自动匹配模拟开关产生的电荷注入效应,有效克服了寄生电容抑制的关键技术难题;最后通过详尽实验分析了寄生电容产生的原因。4)探讨了电容电极和电介质的几何分布对传感器灵敏度的影响,设计出一款能提高传感器灵敏度的蝶式平板电容结构,提出一种新颖的检测策略,有效抑制了三维触觉传感器单元的维间耦合。本文主要创新点有:1)建立了一个能补偿低频失真的后失真器模型,解决了PVDF压电薄膜测量低频信号失真大,泄漏快和阻抗匹配难等问题。2)设计了一种P控制器,用于自动匹配模拟开关产生的电荷注入效应,有效克服了寄生电容抑制的关键技术难题3)提出的新型检测策略和新型结构能有效提高传感器的灵敏度,消除了传感器正压力与切向力的耦合效应。
【关键词】:触觉传感器 信息冗余 后失真器 微电容检测 PDMS PVDF
【学位授予单位】:安徽工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TP212
【目录】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-15
  • 第1章 绪论15-24
  • 1.1 论文研究背景15-16
  • 1.2 触觉传感器国内外研究现状16-22
  • 1.2.1 三维指尖触觉传感器机构研究现状17-18
  • 1.2.2 三维指尖触觉传感器敏感单元研究现状18-22
  • 1.3 本文研究思路22
  • 1.4 本文的主要研究内容和章节安排22-24
  • 第2章 三维指尖柔性触觉传感器机构设计24-37
  • 2.1 引言24-26
  • 2.2 三维指尖触觉传感机构建模26-30
  • 2.2.1 基于Matlab的ProE曲面建模26
  • 2.2.2 三维指尖柔性触觉传感器的三维建模26-28
  • 2.2.3 三维指尖触觉传感器样机制作28-30
  • 2.3 三维指尖触觉传感单元建模30-35
  • 2.3.1 基于PDMS电容式传感器单元的设计31-32
  • 2.3.2 传感器单元的基本原理32-34
  • 2.3.3 传感器单元样机制作34-35
  • 2.4 传感器机械过载保护的实现35-36
  • 2.5 本章小结36-37
  • 第3章 三维指尖柔性触觉传感器工作机理37-56
  • 3.1 三维指尖触觉传感器轴向力的工作原理37-49
  • 3.1.1 基子弹簧电容测量轴向力37-39
  • 3.1.2 基于PVDF测量轴向力39-49
  • 3.2 三维指尖触觉传感器切向力的工作机理49-54
  • 3.2.1 压敏导电橡胶(PCR)特性分析50-51
  • 3.2.2 挠度曲线的计算51-54
  • 3.3 本章小结54-56
  • 第4章 三维指尖柔性触觉传感器检测电路设计56-68
  • 4.1 引言56
  • 4.2 电容检测原理分析56-57
  • 4.3 测量电路设计与分析57-60
  • 4.3.1 测量电路的系统设计57-58
  • 4.3.2 模拟开关电路原理和特性分析58-59
  • 4.3.3 MS311P性能分析59-60
  • 4.4 实验与结果分析60-67
  • 4.4.1 解决模拟开关产生的电荷注入效应60-63
  • 4.4.2 探索寄生电容的由来63-67
  • 4.4.3 寄生电容的抑制方法67
  • 4.5 本章小结67-68
  • 第5章 三维指尖柔性触觉单元优化设计68-77
  • 5.1 引言68
  • 5.2 正压力的标定及测量68-72
  • 5.2.1 基本原理69
  • 5.2.2 介质分布模式69-72
  • 5.3 剪切应力对输出电容的影响72-73
  • 5.3.1 基本原理72
  • 5.3.2 算例72-73
  • 5.4 新型检测策略73-75
  • 5.5 本章小结75-77
  • 第6章 总结与展望77-80
  • 6.1 论文总结77-78
  • 6.1.1 研究内容总结77
  • 6.1.2 本文主要创新点77-78
  • 6.2 未来研究展望78-80
  • 6.2.1 本文的不足与展望78
  • 6.2.2 触觉传感技术发展方向78-80
  • 参考文献80-84
  • 攻读学位期间发表的学术论文84-85
  • 致谢85

【引证文献】
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