基于局部曲率信息的柔性薄板机构变形与载荷自感知方法研究

作     者：荀元皓 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈根良

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：柔性机构 变形重建 载荷感知 应变传感器 

摘      要：目前,机器人正朝着人机协作的方向不断发展,得益于优异的被动柔顺特性,基于柔性薄板机构的柔性机器人在人机交互场景中具有广泛的应用前景。但是,目前大部分的柔性薄板机构仍然处于开环控制状态,缺乏感知环境变化与自主决策的能力,导致其难以实现对位置或交互力的闭环控制。虽然少数柔性机构能够通过外部测量设备感知自身的变形或外部载荷情况,但是往往感知精度较低、运算速率慢且测量设备体积巨大,难以提高机器人系统的感知精度、实时性与系统集成度。因此,研究高精度、低延时且高集成度的柔性薄板机构变形与载荷自感知方法是解决上述问题的关键。本文针对柔性薄板机构的变形与载荷感知问题进行了原理性的基础研究,提出了一种可同时重建薄板变形与感知外部载荷的建模方法;针对感知模型对薄板局部曲率信息的测量需求,提出了一种高集成度、可模块化的薄板局部曲率测量方法;将感知模型与曲率测量方法在薄板上进行原理性验证,并最终在一个柔性薄板并联机构上进行应用研究,以验证所提出的感知方法在具体机构上的应用可行性。论文的主要研究内容如下:(1)柔性薄板变形重建与载荷感知模型基于柔度矩阵主轴分解理论,提出通过测量薄板上多处局部曲率信息的方式,从薄板的局部小变形计算自身的大变形与外部载荷情况,并建立了薄板局部曲率与等效机构关节转角之间的映射模型。针对柔性薄板机构中薄板结构件常见的两种外部载荷形式,分别推导其变形重建与载荷感知模型,并进一步提出了感知精度的评价指标,仿真验证了感知模型的正确性及其对曲率测量误差的敏感性。(2)大变形柔性薄板局部曲率信息测量方法针对本文所提出的感知模型对局部曲率信息的测量需求,通过紧凑且小型的电阻式应变传感器对薄板局部曲率进行测量,建立传感器电阻变化率与曲率之间的映射模型。设计具备同步采集多路传感器信号的电路架构,并针对电路及环境中影响信号采集的因素进行优化与处理,以提高曲率测量精度。基于大变形柔性集成电路,探究将薄板结构件与曲率测量系统集成的方法,以减少传感器布线的难度与冗余度,实现结构与传感的一体化设计。最后,对所提测量方法从静态精度与动态响应能力两个方面进行性能测试,以验证其可行性。(3)柔性薄板机构建模分析与实时感知系统开发基于所提出的薄板变形与载荷感知模型以及曲率测量方法,在平面二自由度柔性薄板并联机构上对所提出的感知方法进行验证。对柔性薄板机构的运动特性及正逆运动学进行建模与分析,确定其设计参数,并优化传感器的分布位置,在此基础上进一步推导机构的变形重建与载荷感知模型。设计并搭建实物样机,基于感知模型与曲率测量方法开发薄板机构的实时感知系统,以验证所提感知方法在具体机构上的应用可行性,并对其功能进行展示。