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基于光纤光栅的多维力传感技术研究

基于光纤光栅的多维力传感技术研究

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作者：高芳芳山东大学

学位级别：硕士

机器人多维力传感器是机器人重要的外部传感器之一,将它安装在机器人操作手腕和脚腕处,可用来感知操作手与外部环境的接触力,是机器人感知环境力作用特征的重要信息来源。机器人脚腕关节多维腕力测试有助于智能机器人姿态、运动和环境... 详细信息

机器人多维力传感器是机器人重要的外部传感器之一,将它安装在机器人操作手腕和脚腕处,可用来感知操作手与外部环境的接触力,是机器人感知环境力作用特征的重要信息来源。机器人脚腕关节多维腕力测试有助于智能机器人姿态、运动和环境感知的精确控制,要求多维力传感器各方向的灵敏度高、维间耦合小、具有良好的静态、动态特性等。利用光纤光栅为敏感元件的多维力传感器,特别适用于强电磁场、腐蚀等恶劣或特殊的环境中,满足了机器人实际作业环境的需要。因此,设计一种结构相对简单,能满足机器人处在恶劣环境下的需要的光纤光栅多维腕力传感器具有十分重要的意义。本文分析研究了一种基于光纤光栅(FBG)的多维力脚腕传感器,采用有限元软件(ANSYS)对多维力传感器的弹性结构体进行了静态、动态模拟分析。根据静态模拟分析,获取传感器在受到各方向的单维力与力矩时,弹性结构体各处应力、应变的变化情况,计算分析传感器单向受力时的灵敏度为0.265pm/N。对传感器弹性结构体进行模态分析得知传感器结构体的振动特性,给出前六阶的固有频率及振型。并对传感器弹性体进行瞬态分析,查看在动态载荷下弹性体结构的变形情况。综合考虑步行机器人腕力传感器的实际需要、腕力传感器所需光纤光栅的个数及光纤光栅的粘贴工艺需求。在ANSYS模拟的基础上设计、制作出传感器的机械结构,敷设FBG,搭建了模拟测试系统,在压力与扭矩实验台上进行了一系列静态测试,根据测试结果推算传感器的灵敏度、线性度及重复性等特性。根据机器人实际步行巾的脚腕受力情况,进行传感器动态冲击模拟实验。实验中搭建了光纤光栅传感静态、动态解调测试系统,分析模拟实验的大量测试数据,提取特征值,得山了传感器的性能特性。实验分析表明：该传感器具有结构设计简单、不受电磁干扰、稳定性好、灵敏度较高、力/力矩与信号之间耦合小和成本低等优点,具有推广价值。

关键词：步行机器人光纤光栅多维力传感技术有限元ANSYS

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