机器人触觉传感器的分析与研究

论文摘要

机器人触觉传感技术是实现智能机器人的关键技术之一,触觉传感器是机器人与环境直接作用的必需媒介,是模仿人手使之具有接触觉、滑动觉、热觉等感知功能。通过检测机械手与接触界面间三维力信息,控制夹持力来防止目标物体与机械手之间发生相对滑动,最终协助机器人完成抓取和操作任务。滑动信号是实现机械手夹持力控制的反馈信息,是机器人完成高精度抓取与操作任务的关键所在。首先,在深入了解各种触觉传感器设计原理和方法的基础上,利用压电原理和光电原理设计了一种体积小、结构简单、工作可靠、柔顺性好,并可同时检测触觉和滑动信号的三维力机器人触滑觉传感器。并通过信号处理电路实现了触觉信号和滑动信号的有效分离,以及触滑觉信号的检测。其次,利用三维线性理论和高阶理论建立了压电复合结构的高阶半解析轴对称动力学有限元方程。并对触觉传感头的压电层和结构进行有限元建模分析。仿真结果的误差在4%以内,验证了其结构设计的合理性和可行性,有效缩短了传感器设计周期。最后,引入了自适应模糊控制方法,通过对滑动信号的模糊控制器设计,控制机械手与接触界面的夹持力。最后用MATLAB对控制系统进行了仿真试验,仿真结果表明了滑动信号的检测与接触力的控制可有效实现机械手对柔软、易碎、易变形物体的安全稳定抓取。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势
• 1.2.1 压阻式机器人触觉传感器
• 1.2.2 光传感式机器人触觉传感器
• 1.2.3 电容效应式机器人触觉传感器
• 1.2.4 磁导式机器人触觉传感器
• 1.2.5 压电式机器人触觉传感器
• 1.2.6 机器人触觉传感技术的发展趋势
• 1.3 机器人触觉传感技术的应用前景
• 1.4 论文的主要内容和组织结构
• 第2章 触觉传感器设计基础
• 2.1 触觉传感器的一般要求
• 2.2 触觉传感器的结构原理
• 2.3 触觉传感器敏感材料
• 2.3.1 PVDF 压电薄膜的特性
• 2.3.2 PVDF 压电薄膜传感机理
• 2.3.3 应用PVDF 压电薄膜需要注意的问题
• 2.4 本章小结
• 第3章 三维力机器人触滑觉传感器的设计
• 3.1 触滑觉传感头结构设计
• 3.2 触觉信号检测原理
• 3.3 触觉信号的输出
• 3.4 触觉信号的特征提取
• 3.4.1 热觉信号的滤除
• 3.4.2 滑动信号的滤除
• 3.5 滑动信号检测
• 3.5.1 滑动信号检测的结构及原理
• 3.5.2 滑动信号处理电路
• 3.5.3 滑觉响应
• 3.6 本章小结
• 第4章 PVDF 触觉传感头的有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 压电结构的有限元分析
• 4.2.1 高阶原理的压电复合结构的轴对称半解析有限元模型
• 4.2.2 实验结果分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 触滑觉传感器的自适应模糊控制
• 5.1 基于模糊逻辑的自适应控制器设计
• 5.1.1 模糊控制器的设计
• 5.1.2 自适应模糊控制的设计
• 5.2 关节伺服电机的控制模型
• 5.3 机器人触觉系统的SIMULINK 仿真
• 5.4 模糊系统参数设置对系统性能的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介