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无耦合六维力传感器结构有限元分析与标定实验系统设计

作　者: 李生广
导　师: 吴伟国
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 六维力传感器有限元分析 DSP 无耦合
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 39次
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内容摘要

机器人技术，已成为当前工程领域的热门研究方向。其中仿人机器人的研究更是机器人研究中最引人注目，最具有挑战性的研究方向之一。仿人机器人最重要的特征在于其步行移动方式。为实现仿人机器人的稳定步行，需要实时检测脚部受力状态。本论文就是针对仿人机器人步行的研究要求，研究一种用于仿人机器人的六维力传感器。普通六维力传感器维间耦合现象比较严重，也缺乏有效的过载保护措施。为此，本课题组提出一种无耦合的六维力传感器结构。课题的主要研究内容如下：介绍新型六维力传感器的结构原理。论述结构原理，并根据设计要求，为实现结构上的无耦合，制定出零部件的加工工艺过程。提出应变片组桥方案以及粘贴方法。分析该六维力传感器力和力矩的计算方法。对传感器进行有限元仿真。在ANSYS10.0平台下，使用APDL语言建立传感器的有限元模型。首先对传感器的三种弹性体进行静力学分析，查看其应变分布，以验证设计是否可行。然后进行整机装配体有限元仿真，并模拟传感器在不同方向载荷作用下的变形情况，以验证设计方案的可行性。最后，进行模态分析，得到传感器的前五阶振型。设计基于DSP的信号采集处理系统硬件电路，并编制软件。具体包括：整体方案设计，电桥模拟信号调理电路，DSP系统电路，以及AD转换和通讯接口。软件主要包括DSP端程序和上位机程序。设计标定实验装置。利用杠杆原理，设计力加载装置，并提出力标定方案。利用滑轮原理实现力矩的加载，并提出力矩标定方案。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-17
  1.1 课题来源、研究目的及研究意义  8-10
  1.2 国内外研究概况  10-16
    1.2.1 六维力传感器结构分类  10-11
    1.2.2 整体式六维力传感器  11-13
    1.2.3 装配式六维力传感器  13-15
    1.2.4 六维力传感器检测原理  15-16
  1.3 分析与总结  16
  1.4 本文主要研究内容  16-17
第2章新型六维力传感器结构原理  17-27
  2.1 引言  17
  2.2 新型六维力传感器结构  17-20
    2.2.1 总体介绍  17-19
    2.2.2 解耦原理  19-20
    2.2.3 过载保护  20
  2.3 传感器零件的加工工艺  20-23
    2.3.1 弹性体加工工艺  20-21
    2.3.2 导力杆加工工艺  21-23
    2.3.3 传感器中其他零件加工工艺  23
  2.4 组桥方案及应变片粘贴  23-25
  2.5 传感器力、力矩计算原理  25-26
  2.6 本章小结  26-27
第3章传感器结构有限元分析  27-42
  3.1 引言  27-28
  3.2 弹性体的有限元分析  28-31
    3.2.1 弹性体有限元模型的建立  28-29
    3.2.2 弹性体有限元结果分析  29-31
  3.3 传感器整体有限元分析  31-40
    3.3.1 传感器整机装配模型的建立  31-32
    3.3.2 传感器整体模型的网格划分  32-33
    3.3.3 传感器整体模型约束条件的设置  33-36
    3.3.4 传感器整体有限元结果分析  36-40
  3.4 传感器模态分析  40-41
  3.5 本章小结  41-42
第4章传感器信号采集处理系统软硬件设计  42-53
  4.1 引言  42-43
    4.1.1 传感器信号采集处理系统性能要求  42-43
    4.1.2 硬件系统总体方案设计  43
  4.2 传感器信号采集处理系统硬件设计  43-50
    4.2.1 传感器电桥信号调理电路  43-46
    4.2.2 DSP 最小系统设计  46-48
    4.2.3 通讯接口电路设计  48-50
  4.3 传感器 DSP 端程序设计  50-52
  4.4 上位机程序设计  52
  4.5 本章小结  52-53
第5章标定实验装置设计  53-58
  5.1 标定问题论述  53-54
  5.2 通用力加载装置的设计  54-56
  5.3 通用力矩加载装置设计  56
  5.4 标定实验方案设计  56-57
  5.5 标定实验系统  57
  5.6 本章小结  57-58
结论  58-59
参考文献  59-63
攻读学位期间发表的学术论文  63-65
致谢  65

无耦合六维力传感器结构有限元分析与标定实验系统设计

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