微型电容多维力感知机构理论与实验研究

发布时间：2020-03-20 06:10

【摘要】：多维力感知机构是一种能够将部件之间的作用力转换成可以被自动化设备识别的电信号的一种机构,在工业各种自动化设备中有着广泛的应用。微型多维力感知机构在一些尺寸要求比较小、精度要求较高的场合应用尤为广泛,例如对多维力感知机构尺寸要求有限制的操作手的末端,对多维力感知机构灵敏度要求比较高的微创手术机器人的末端等。传统的多维力感知机构都是采用应变片作为将机械信号转换为电信号的转换单元的,灵敏度较低,粘贴难度大。为此本文从灵敏度较高的电容转换单元入手,对微型多维力感知机构进行理论与实验研究。首先,本文通过对电容转换单元构型、综合,得到多种单一平面微型电容多维力感知机构。对提出的电容转换单元都进行了理论分析,得出其解耦方法,并对单一平面微型电容多维力感知机构采用Maxwell电磁仿真软件验证理论的正确性。其次,本文针对提出的微型电容多维力感知机构构型出两种弹性体:浮动梁式多维力感知机构弹性体和Stewart并联式多维力感知机构弹性体,并对这两种弹性体进行了理论分析,求解出了其多维力和微位移之间的映射矩阵。此外,本文对浮动梁式多维力感知机构弹性体进行了各向同性分析和优化,并以ANSYS软件验证上述理论的正确性。再次,针对微型电容多维力感知机构数据采集的方式,本文提出了以AD7746电容采集芯片为核心的数据采集方案,包括数据采集的硬件方案和数据采集的软件方案。为减少杂散电容的影响,本文又提出了卡尔曼滤波和均值滤波相结合的滤波方式,极大了提高了数据采集值的稳定性。最后,本文以单一平面微型电容多维力感知机构为例进行样机的制作,采用PCB打印技术来制作电容转换单元以及数据采集硬件电路,采用Microsoft visual studio与keil uvision5等工具编写数据采集软件系统。
【图文】：

能够实现多维力感知机构的数字化输出，如图1-1 所示。图 1-1 哈尔滨工业大学微力感知机构2007 年，浙江大学采用硅基应变计研发出一款应用于微小零件装配过程中的三维微力感知机构[2]，该力感知机构的结构如图 1-2 所示。它采用的弹性体为正方形半悬臂梁结构，材料为硅半导体；在弹性体上加工制作一体式应变片并组成桥电路与外部的信号处理电路相连。该力感知机构在三个方向上的分辨力均为 0.001N，测量精度可达 0.005N，测量范围为 0.5N~+0.5N。悬臂悬臂浮动支撑固定支承图 1-2 浙江大学微力感知机构

第 1 章 绪 论09 年天津大学精密仪器与光电子工程学院以 MEMS 硅微加工工艺和超工工艺为手段加工制备出了一款压阻式三维微触觉力感知机构[3]，如图 1-维力感知机构的样机以集成电路封装的方式被封装在了一块电路板上，以 MSP430 为核心的数据采集硬件电路，能够实现力信息的数字化输出，抗干扰能力强，能够实现微小力的测量。10 年，瑞士的智能系统与机器人研究所的 Muntwyler, Beyeler, Nelson 等一种亚微牛测量和可调力范围的三维微力感知机构[4]，如图 1-4 所示。该的整体采用 MEMS 工艺制作，外形尺寸小，在不计算探针的长度时，大6mm。力感知机构的敏感部分为平行板电容器，通过在 x、 y 、 z 方向布置，，来感知三个方向的力。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH112

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本文编号：2591375