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特殊应用的多维力/力矩传感器研究与应用

梁桥康

   智能化机器人是机器人技术领域研究和发展的主要趋势之一,而传感器的感知和反馈是高级智能行为的必要手段之一。多维力/力矩传感器能获取机器人作业时与外界环境之间的相互作用力,进而实现机器人的力觉、触觉和滑觉等感知,受到各领域专家学者的重视。随着现代机器人技术的发展,机器人多维力/力矩感知系统应用场合越来越多,从水下机器人到空间机器人,从微小型化的机器人指尖力/力矩传感器到力觉临场感系统,从细胞操作等微细操作的微牛级的多维力/力矩感知系统到吨级称重传感器,多维力/力矩感知系统在现代机器人工业技术的发展及应用中起到举足轻重的作用,同时也对多维力/力矩感知系统提出了更高更严格的要求。 本论文论述了面向应用需求的多维力/力矩传感器发展现状和趋势,从各个方面讨论了多维力/力矩传感器的研究现状和应用需求。以机器人传感器实验室暨国家863计划智能机器人传感技术网点实验室相关项目为背景,旨在进一步认识、理解机器人多维力/力矩传感器的基础上,设计和研制针对多种特殊应用环境的多维力/力矩传感器,达到扩展多维力/力矩传感器的应用领域和适应更广泛的应用需求的目地。全文的主要研究工作概括如下: 基于机器人手爪对指尖力/力矩传感器的微型化、拟人化、高灵敏度及少维等要求,设计了两种新型微小四维和五维指尖力/力矩传感器,针对不同项目对维数的要求,提出使用少维力传感器,既能减小维间耦合以提高传感器精度,也能降低系统复杂度及成本。通过新型的弹性体结构,合理的应变片布片及组桥,有效的解耦方法,使研制的少维指尖力/力矩传感器具有高精度、高灵敏度及高可靠性等特点。 由于水下环境恶劣,如水压高且随水深的变化而变化,温度的非线性变化、腐蚀性等,所以一般力/力矩传感器不能直接应用到水下环境中。基于设计新型弹性体结构、压力补偿、温度补偿、密封、过载保护等措施,研制了一种新型的适应于水下机器人腕部的六维力/力矩传感器。并将新型的弹性体结构扩展到一般用途的六维力/力矩传感器,使传感器尺寸在高度上达到现在传感器的最低。 由于并联机构存在诸多优点如刚度高、承载能力强、精度高等,在介绍基于并联机构的力/力矩传感器的检测方法和原理后,设计一种集成六维力/力矩传感器的新型仿人机器人足部。机构采用3主动支杆加被动支杆的结构,具有三个转动自由度,用来实现人类行走时足部/踝关节的运动。集成式的六维力/力矩传感器能提供与地面接触的实时的六维力/力矩信息,使仿人机器人能在未知环境中稳定站立及行走。 基于并联机构和柔性关节,提出基于柔性并联机构的微动执行器,系统集成有一体化的六维力感知功能,为系统的闭环控制提供实时力/位置信息从而提高系统性能和精度。系统实现了机构、驱动、检测一体化,可以达到微米级的操作精度。……   
[关键词]:多维力/力矩传感器;并联机构;柔性关节;弹性体;解耦;微动执行器
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国科学技术大学2010年