硕士学位论文：三维指尖柔性触觉传感器的研究.docx

1、硕士学位论文（20 届）三维指尖柔性触觉传感器的研究DESIGN OF 3-D FINGERTIP FLEXIBLE TACTILE SENSOR姓 名学 科 、 专 业 机械电子工程研 究 方 向 机器人机构与控制指 导 教 师论文提交日期安徽工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名： 日期： 年 月

2、日安徽工程大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权安徽工程大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密 ，在 年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密 。学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日安徽工程大学硕士学位论文I三维指尖柔性触觉传感器的研究摘 要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

3、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是一个无法回避的问题。本文采用弹性力学，运用最小二乘原理，设计出一款具有冗余信息的三维指尖柔性触觉传感器，主要研究工作有：运用三维建模技术，采用 3D 打印技术，制备了三维指尖柔性触觉传感器的实物样品；运用弹性力学理论，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，为触觉力检测方法的确立奠定了理论基

4、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，运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，具体内容如下：（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；安徽工程大学硕士学位论文II（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，基于压电理论，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

5、曲线方程，基于最小二乘方法，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

6、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安徽工程大学硕士学位论文III安徽工程大学硕士学位论文IVDESIGN OF 3-D FINGERTIP FLEXIBLE TACTILE SENSORABSTRACTFlexible tactile sensor is the main direction of research and devel

7、opment in robot technology. Three-dimensional fingertips flexible tactile sensor, one of the important sensor of dexterous hand intelligent, can sense the full information of three-dimensional space. Intelligent dexterous hand mainly includes six dimensional wrist sensors and three-dimensional finge

8、rtips flexible tactile sensor. So far, the study of six dimensional wrist sensors at home and abroad has been more thorough, but the research on 3-D fingertips flexible tactile sensor is not serious. As the demand for intelligent dexterous hand in grasping stability and reliability is higher and hig

9、her in the engineering. Redundant information about three-dimensional fingertips flexible tactile sensor is an unavoidable question.This article designed Three-dimensional fingertips flexible tactile sensor possessed redundant information by using the elastic mechanics and the least squares principl

10、e. The main research work of this paper is as follows:Three-dimensional fingertips flexible tactile sensor is manufactured by using 3D modeling technical and 3D printer technical. The axial force mathematical model and tangential force mathematical model of three-dimensional fingertips flexible tactile sensor is set based on elasticity theory to show haptic mechanism and lay the theory foundation of the established of the method to detect tactile force. According to tactile information detection scheme,