【摘要】：多維力感知機(jī)構(gòu)是一種能夠?qū)⒉考g的作用力轉(zhuǎn)換成可以被自動化設(shè)備識別的電信號的一種機(jī)構(gòu),在工業(yè)各種自動化設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。微型多維力感知機(jī)構(gòu)在一些尺寸要求比較小、精度要求較高的場合應(yīng)用尤為廣泛,例如對多維力感知機(jī)構(gòu)尺寸要求有限制的操作手的末端,對多維力感知機(jī)構(gòu)靈敏度要求比較高的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的末端等。傳統(tǒng)的多維力感知機(jī)構(gòu)都是采用應(yīng)變片作為將機(jī)械信號轉(zhuǎn)換為電信號的轉(zhuǎn)換單元的,靈敏度較低,粘貼難度大。為此本文從靈敏度較高的電容轉(zhuǎn)換單元入手,對微型多維力感知機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)研究。首先,本文通過對電容轉(zhuǎn)換單元構(gòu)型、綜合,得到多種單一平面微型電容多維力感知機(jī)構(gòu)。對提出的電容轉(zhuǎn)換單元都進(jìn)行了理論分析,得出其解耦方法,并對單一平面微型電容多維力感知機(jī)構(gòu)采用Maxwell電磁仿真軟件驗(yàn)證理論的正確性。其次,本文針對提出的微型電容多維力感知機(jī)構(gòu)構(gòu)型出兩種彈性體:浮動梁式多維力感知機(jī)構(gòu)彈性體和Stewart并聯(lián)式多維力感知機(jī)構(gòu)彈性體,并對這兩種彈性體進(jìn)行了理論分析,求解出了其多維力和微位移之間的映射矩陣。此外,本文對浮動梁式多維力感知機(jī)構(gòu)彈性體進(jìn)行了各向同性分析和優(yōu)化,并以ANSYS軟件驗(yàn)證上述理論的正確性。再次,針對微型電容多維力感知機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)采集的方式,本文提出了以AD7746電容采集芯片為核心的數(shù)據(jù)采集方案,包括數(shù)據(jù)采集的硬件方案和數(shù)據(jù)采集的軟件方案。為減少雜散電容的影響,本文又提出了卡爾曼濾波和均值濾波相結(jié)合的濾波方式,極大了提高了數(shù)據(jù)采集值的穩(wěn)定性。最后,本文以單一平面微型電容多維力感知機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行樣機(jī)的制作,采用PCB打印技術(shù)來制作電容轉(zhuǎn)換單元以及數(shù)據(jù)采集硬件電路,采用Microsoft visual studio與keil uvision5等工具編寫數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)。
【圖文】：

能夠?qū)崿F(xiàn)多維力感知機(jī)構(gòu)的數(shù)字化輸出，如圖1-1 所示。圖 1-1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)微力感知機(jī)構(gòu)2007 年，浙江大學(xué)采用硅基應(yīng)變計(jì)研發(fā)出一款應(yīng)用于微小零件裝配過程中的三維微力感知機(jī)構(gòu)[2]，該力感知機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖 1-2 所示。它采用的彈性體為正方形半懸臂梁結(jié)構(gòu)，材料為硅半導(dǎo)體；在彈性體上加工制作一體式應(yīng)變片并組成橋電路與外部的信號處理電路相連。該力感知機(jī)構(gòu)在三個(gè)方向上的分辨力均為 0.001N，測量精度可達(dá) 0.005N，測量范圍為 0.5N~+0.5N。懸臂懸臂浮動支撐固定支承圖 1-2 浙江大學(xué)微力感知機(jī)構(gòu)

第 1 章 緒 論09 年天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院以 MEMS 硅微加工工藝和超工工藝為手段加工制備出了一款壓阻式三維微觸覺力感知機(jī)構(gòu)[3]，如圖 1-維力感知機(jī)構(gòu)的樣機(jī)以集成電路封裝的方式被封裝在了一塊電路板上，以 MSP430 為核心的數(shù)據(jù)采集硬件電路，能夠?qū)崿F(xiàn)力信息的數(shù)字化輸出，抗干擾能力強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)微小力的測量。10 年，瑞士的智能系統(tǒng)與機(jī)器人研究所的 Muntwyler, Beyeler, Nelson 等一種亞微牛測量和可調(diào)力范圍的三維微力感知機(jī)構(gòu)[4]，如圖 1-4 所示。該的整體采用 MEMS 工藝制作，外形尺寸小，在不計(jì)算探針的長度時(shí)，大6mm。力感知機(jī)構(gòu)的敏感部分為平行板電容器，通過在 x、 y 、 z 方向布置，，來感知三個(gè)方向的力。
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH112

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本文編號：2591375