面向假肢手抓取中触滑觉检测的柔性触觉传感阵列研究

发布时间：2017-08-16 22:12

  本文关键词：面向假肢手抓取中触滑觉检测的柔性触觉传感阵列研究

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【摘要】：本学位论文结合国家重点基础研究发展计划(973计划,项目编号：2011CB013300)、国家自然科学基金项目(项目编号：51575485,51105333)和浙江省自然科学基金项目(项目编号：LY16E050002),开展了用于假肢手的具有三维力测量和滑移识别功能的柔性触觉传感阵列的研究。首先,设计了一种基于INASTOMER导电橡胶的柔性触觉传感阵列,并且详细阐述了其三维力测试和滑移检测的工作原理。然后,系统研究了触觉传感器阵列的制造工艺。接着,开发了该柔性触觉传感阵列的数据采集系统,包括基于DSP F2812的触觉传感阵列检测电路的开发和基于Lab VIEW软件的数据采集上位机程序的编写。最后,利用触觉传感阵列的数据采集系统,进行了传感阵列的静态性能检测实验,获得力分辨率、灵敏度、测力量程、重复性、非线性、迟滞性等静态性能指标,完成了触觉传感阵列装载于假肢手的抓取实验,并利用离散小波变换的方法进行了单元滑移检测以及传感阵列抓取过程的滑移检测。第1章,阐述了本学术论文的研究背景和意义,详细介绍了当前国内外智能假肢手、柔性触觉传感器以及三维力与滑移特征信息处理方法的研究现状,确定了论文的主要研究内容和结构框架。第2章,设计了一种基于INASTOMER导电橡胶材料的柔性触觉传感阵列。该3×3的触觉传感阵列是由柔性电极层、导电橡胶层和表层凸起三层结构组成,并配置有Velcro尼龙搭扣的结构,便于传感阵列在非规则曲面上的安装。此外,详细阐述了该触觉传感阵列的工作原理,包括其单元三维力测试原理和基于离散小波变换理论的滑移检测原理。第3章,为解决阵列结构扫描检测引线多的问题,设计了柔性电极层的行列并行走线方式。基于柔性电路印刷技术,制造了具有“五电极”结构的柔性电极层。通过铝制模具制造了导电橡胶层和表层凸起,并对柔性触觉传感阵列的整体装配。第4章,开发了该柔性触觉传感阵列的数据采集系统。设计了基于DSP TMS320F2812芯片的触觉传感阵列的高速扫描检测电路,完成了电路原理图的绘制、电路板的制造和DSP控制程序的编写,并开发了基于LabVIEW软件的数据采集上位机程序。第5章,利用触觉传感阵列的数据采集系统,开展了触觉传感阵列相应的静态特性、抓取过程以及滑移检测等实验研究。静态性能实验结果表明：研制的柔性触觉传感阵列具有0.1 N的力分辨率,z-、x-和y-方向的测力量程分别为0～30 N、-5～5 N、-5～5 N,灵敏度分别为0.081 V/N、0.210 V/N、0.247 V/N,精确度分别为3.15%、4.63%、7.56%。传感阵列具有良好的重复性,较低的迟滞性和良好的线性,三个量化指标分别为5.22%,4.97%和3.10%。将触觉传感阵列穿戴于假肢手上进行了物体抓取过程中的三维力和滑移测试的实验。结果表明,研制的柔性触觉传感阵列具备分布式柔性三维触觉力和滑移检测的功能,基于离散小波变换的方法,能有效识别出物体抓取过程中的滑移特征信息。第6章,总结了本学位论文的研究工作,并对未来的研究工作进行了展望。
【关键词】：触觉传感阵列 假肢手 导电橡胶 滑移检测 三维力测试
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 致谢8-13
• 1 绪论13-33
• 1.1 论文研究的背景和意义13-14
• 1.2 智能假肢手的研究现状及分析14-16
• 1.3 柔性触觉传感器的研究现状及分析16-26
• 1.3.1 电阻式触觉传感器16-20
• 1.3.2 电容式触觉传感器20-21
• 1.3.3 压电式触觉传感器21-22
• 1.3.4 其他触觉传感器22-25
• 1.3.5 目前有待深入研究的问题25-26
• 1.4 柔性触觉传感器的三维力及滑移特征信息处理研究现状26-30
• 1.4.1 触觉传感器的三维力解耦方法的研究现状26-27
• 1.4.2 触觉传感器的滑移检测方法的研究现状27-30
• 1.5 论文的主要研究内容与框架30-31
• 1.6 本章小结31-33
• 2 柔性触觉传感阵列的结构设计及测试原理33-45
• 2.1 引言33
• 2.2 柔性触觉传感阵列的性能影响分析与结构设计33-39
• 2.2.1 柔性触觉传感阵列的性能影响分析33-37
• 2.2.2 柔性触觉传感阵列的结构设计37-39
• 2.3 柔性触觉传感阵列的测试原理39-44
• 2.3.1 触觉传感阵列的三维力测试原理39-41
• 2.3.2 触觉传感阵列的滑移识别原理41-44
• 2.4 本章小结44-45
• 3 柔性触觉传感阵列的制造工艺研究45-52
• 3.1 引言45
• 3.2 柔性电极层的设计与制造45-46
• 3.3 导电橡胶层的制造工艺46-48
• 3.4 柔性触觉传感阵列的表层凸起制造及整体装配48-51
• 3.5 本章小结51-52
• 4 柔性触觉传感阵列的数据采集系统的开发52-66
• 4.1 引言52
• 4.2 触觉传感阵列数据采集系统的检测电路设计52-61
• 4.2.1 检测电路的信号干扰及测试方式分析52-54
• 4.2.2 检测电路的检测原理设计54-61
• 4.3 触觉传感阵列数据采集系统的程序设计61-64
• 4.3.1 USB固件程序的设计61
• 4.3.2 DSP控制程序的设计61-63
• 4.3.3 上位机数据采集及信号处理程序设计63-64
• 4.4 本章小结64-66
• 5 柔性触觉传感阵列的性能测试及应用实验研究66-81
• 5.1 引言66
• 5.2 触觉传感阵列的静态性能测试66-71
• 5.2.1 三维力加载实验平台的搭建66-67
• 5.2.2 触觉传感阵列的性能测试与分析67-71
• 5.3 触觉传感阵列的假肢手抓取中的三维力测试实验71-74
• 5.3.1 触觉传感阵列假肢手装载测试平台的搭建71-72
• 5.3.2 假肢手抓取中的三维力检测实验结果与分析72-74
• 5.4 触觉传感阵列的假肢手抓取中的滑移检测实验74-80
• 5.4.1 触觉传感单元的滑移识别实验结果与分析74-76
• 5.4.2 触觉传感阵列的滑移识别实验结果与分析76-80
• 5.5 本章小结80-81
• 6 总结与展望81-84
• 6.1 全文总结81-82
• 6.2 工作展望82-84
• 参考文献84-91
• 作者简历91-92
• 1 教育背景91
• 2 攻读硕士学位期间发表及录用的论文91-92
• 3 申请及授权的国家专利92
• 4 参加的科研项目92

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