仿人机器人用安全型六维力传感器设计与分析

论文摘要

仿人机器人在行走过程中,在其脚部安装的六维力传感器装置可以实时监测出机器人与外界环境之间的作用力信息。然而,现有传感器装置在测量过程中通常存在力耦合问题,这降低了传感器的动态响应特性和力信号的测量精度,另外,还存在承载能力不足和无安全保护措施等问题。本文针对一种仿人机器人用六维力传感器装置,综合考虑承载能力、结构刚度和安全保护等因素,设计了传感器机械本体结构、信号处理系统和标定加载方案。设计了六维力传感器的机械本体结构。将三组弹性梁与两个圆柱形导力杆通过点接触和线接触方式组合在一起,使三组弹性梁的变形彼此不受影响,三个分力相互独立,从结构原理上直接消除了力耦合。在结构中设置安全挡块,实现了过载安全保护功能,通过合理选用弹性梁材料,提高了传感器的承载能力。根据加载时各弹性应变梁受力方式的不同,确定了电阻应变片的布片方案和传感器对力信息的检测原理,建立了应变电桥输出电压与弹性梁受力的关系表达式。设计了六维力传感器信号处理系统。采用DSP作为主处理器,外围电路具备信号的放大、滤波和模数转换功能,通过设置基于RS-232C通信标准的串行接口,实现了传感器与上位机间的通信。加工了传感器机械本体,并制作了信号处理电路板,同时,还对传感器各弹性梁的标定加载方案进行了设计,为传感器进一步研制和实验提供了硬件基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究目的和意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 国外研究概况
• 1.2.2 国外研究概况
• 1.3 分析与总结
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 传感器机械本体结构设计
• 2.1 引言
• 2.2 传感器机械本体结构方案设计
• 2.2.1 机械本体设计任务要求
• 2.2.2 机械本体结构方案
• 2.2.3 最终方案与工作原理
• 2.3 机械本体结构及参数设计
• 2.3.1 机械本体材料的选择
• 2.3.2 关键零部件的结构尺寸设计
• 2.4 关键零部件的有限元分析与校核
• 2.4.1 弹性体Z的校核
• 2.4.2 弹性体Y的校核
• 2.4.3 弹性体X的校核
• 2.5 本章小结
• 第3章 力的检测原理与应变片组桥方案设计
• 3.1 引言
• 3.2 力的检测原理
• 3.3 各弹性体的应变片粘贴方案
• 3.3.1 应变片的选择
• 3.3.2 各弹性梁上应变片的粘贴方式
• 3.3.3 应变片的组桥方案
• 3.4 本章小结
• 第4章 传感器力信号处理系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 信号处理系统的性能要求及工作原理
• 4.2.1 系统性能要求
• 4.2.2 系统总体方案
• 4.2.3 采样电路方案
• 4.3 硬件系统设计
• 4.3.1 微处理器的选择
• 4.3.2 模拟电路的设计
• 4.3.3 数字电路的设计
• 4.4 硬件电路测试程序设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 传感器标定加载方案设计
• 5.1 引言
• 5.2 标定方案的确定
• 5.3 载方案设计
• 5.3.1 弹性体X的加载方案
• 5.3.2 弹性体Y的加载方案
• 5.3.3 弹性体Z的加载方案
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢