毕业设计(论文)-基于敏感阵列的触觉传感器结构设计及仿真分析.doc
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1、安徽工程大学毕业设计(论文)基于敏感阵列的触觉传感器结构设计及仿真分析摘 要触觉是生物体感知外部环境的重要手段,是仿生机器人研究的一个重要内容。相比于视觉、听觉等其他感知形式,触觉能感知更多信息量,如接触力的大小、柔软性、硬度、弹性、粗糙度、温度和湿度等。三维力触觉传感器,将在体育运动、医疗康复、机器人等领域发挥重要的作用。本论文利用材料力学、有限元仿真、模式识别等学科的研究成果,从传感器结构设计的角度出发,研究了基于导电橡胶的三维力柔性触觉传感器的若干理论和技术问题,提出了一种新的三维力柔性触觉传感器模型。本论文的主要研究内容如下: (1)利用有限元仿真技术,对基于二层双面节点对称交叉分布的
2、柔性触觉阵列传感器结构进行仿真,建立传感器的三维力一电阻仿真数字模型。 (2)提出基于一种新的柔性触觉传感器N型微结构,建立相应的三维力-电阻数学模型,并利用有限元仿真进行模拟和结构优化。该新型结构首先从结构上对三维力进行了优化,降低了原来高维、多参数传感器信号在实时、精确解耦方面的难度。关键词:柔性触觉传感器;三维力结构设计; ANSYS仿真分析IDesign of The Structure Design and Simulation Analysis of Tactile Sensor Based on Sensitive ArrayAbstract Tactile is an impo
3、rtant sensing for the robots to perceive the external information,in particular,its an important research content of bionic robotCornered to the visual,auditory and other perceived forms,tactile reception can get more information:surface roughness,temperature flexibility and shape etcFlexible three-
4、dimensional force tactile sensor play an important role in sports,medical,rehabilitation,robotics and other study fields This paper made full use of the scientific achievements in the fields of pattern recognition,material mechanics,finite element simulationIn the sensor structure design point of vi
5、ew,we studied some key theoretical and technical problems of the 3D flexible tactile sensor based on the conductive rubberand present a new 3D force flexible tactile sensor modelThe main research contents and innovations are as follows: (1)With finite element simulation,we simulated the structure of
6、 flexible tactile sensor array of two layers in symmetric cross distribution,established a 3D stressresistance simulation model of the sensor (2)Present a new flexible tactile sensor based on the Ntype micro structure,established the 3D stressresistance mathematical model,and simulated and optimized
7、 with finite element simulationThe method decoupling the 3D stress from the structure,reduce the difficulty in decoupling of the high dimensional,multi parameter sensor signalsKeywords:Flexible tactile sensor ;3D force Structure;ANSYS SimulationI目录引言- 1 -第1章 绪论- 2 -1.1论文研究背景- 2 -1.1.1研究背景- 2 -1.1.2基
8、于敏感阵列的触觉传感器的发展趋势- 4 -1.2 论文研究的主要内容- 5 -1.3 论文研究的意义- 5 -第2章 有限元理论及超弹性模型- 6 -2.1 ANSYS有限元概述- 6 -2.1.1几何模型和网络划分- 6 -2.1.2多物理场- 6 -2.1.3流体动力学- 6 -2.1.4 ANSYS工程应用- 6 -2.2超弹性理论- 7 -2.2.1超弹性理论模型- 7 -2.3 传感器力学仿真方法- 8 -第3章 数学模型理论分析- 9 -3.1 导电橡胶的导电机理- 9 -3.2 并联电阻模型结构和原理- 10 -3.2.1 模型结构- 10 - 3.3敏感单元分析- 11 -3.
9、3.1微结构- 11 -3.3.2 阵列- 12 -第4章 ANSYS分析与结论- 15 - 4.1 静力学仿真.-15- 4.1.1建模.-15- 4.1.2ANSYS 有限元网格划分- 15- 4.1.3 采用表面印记功能.-16- 4.1.4 施加约束.- 16- 4.2仿真结果与分析.-17-总结与展望.-20-致 谢- 22 -参考文献- 23 -附录B英文文献及其译文.-30-附录B 主要参考文献的题录及摘要.-51-III插图清单图1-1 传感器测试电路图.2图1-2 传感器示意图.3图1-3 装有传感器的机器手.4图 3-1 电阻率随炭黑含量的变化图.9图 3-2 传感器行列电
10、阻示图.10图 3-3 阵列的俯视图.11图3-3 微结构示意图.12图3-4 阵列示意图.12图4-1 有限元模型.15图4-2 网格划分.15图4-3 采用表面印记功能.16图4-4 用fix support 约束表面.16图4-5 X向受力载荷的形变图.17图4-6 Y向受力载荷的形变图.18图4-7 Z向受力载荷的形变图.19I插表清单表2-1 材料的样品库清单 .12表4-1 X向力受力情况对比表.22表4-2 Y向力受力情况对比表.23表4-3 Z向力受力情况对比表.24V引言触觉是指用分布于皮肤上的神经细胞感受来自外界的温度、湿度、压力、振动等感觉。多数动物的触觉器是遍布全身的。
11、对人而言,触觉是一种非常重要的信息获取形式,特别对于丧失视觉的盲人,触觉可以称得上是他们的另一双眼睛;触觉一般也是动物重要的定位手段,如猫的胡须等。对于智能机器人而言,触觉和其他感知方式一样,也是一种非常重要的感知手段。随着智能机器人在真实世界中越来越多的应用,这些活动的有效性更加依赖于各种形式,如视觉、听觉、触觉等的反馈。尤其在机械抓手和周围环境互动时,利用触觉要比利用视觉传感器更加直接和有效。从这个层面来讲,发展分布式的触觉传感器不仅给类人机器人提供更好的与外面世界的交互,而且也能够实现机器人实时动态整体动作控制。大多数没有触觉传感器的类人机器,在实际活动中是要受到很大的限制的。实际上这些
12、机器人甚至不能做任何正常的动作,因为没有触觉传感器它们不能控制其施加的力,可能会对受力物体造成损坏。能够检测三维力的触觉传感器,由于能够提供更多维信息,这对机器人本身决策是非常有利的因素。从仿生的角度,触觉传感器具有柔性,能够使其适应不同的表面状态,完成更加复杂的信息检测。因此,柔性三维力“人工皮肤”触觉传感器的研制具有广泛的前景。研究具有柔性的三维力触觉传感器显得非常重要,具有柔性的多维力检测的触觉传感器在机器人技术、医疗康复等研究领域都具有重要意义。第1章 绪论1.1论文研究背景1.1.1研究背景机器人触觉传感器的研究历史近半个世纪,该领域的科学家不断运用不同的敏感材料和敏感机理来模拟触觉
13、。特别是从80年代开始,各国都开始对触觉传感器进行系统的研究,随着材料科学和计算机技术的发展,形成了百花齐放的局面,研制出了种类繁多的传感器,从原理上就有压电式,电容式,压阻式,电磁式,光电式等区分。同时随着MEMS技术的飞速发展,触觉传感器逐渐向微型化发展,多种高分子聚合复合敏感材料,如压敏导电橡胶和聚偏二氟乙烯等已经被广泛应用与传感器领域中。同时触觉传感器的多维化和柔软化也逐渐成为研究的重点。(1)压电式触觉传感器压电效应是电介质材料中机械能和电能互换的现象,1880年皮埃尔居里和雅克居里兄弟发现电气石具有压电效应。次年,他们通过实验验证了逆压电效应,并得出了正逆压电常数。当对压电材料施加
14、外压力载荷时,材料表面会产生电荷,这种由形变产生电极化的现象称为“正压电效应”,正压电效应是机械能转化为电能的过程。触觉传感器正是利用这一特性。2002年,印度的GMurali Krishna$J用压力的变化导致压电共振频率变化制作了一种压电式触觉传感器。利用PZT材料的压电共振形成了传感器的敏感区域。结果表明这种触觉传感器不仅能够提供所加外力的信息,同时也能显示出施力物体的轮廓,如图1-1所示。 图1-1传感器测试电路图 自从聚偏二氟乙烯(PVDF)被发现具有压电效应以来,PVDF越来越多的被用于制作压电式触觉传感器。PVDF是一种有机压电材料,又称压电聚合物。具有材质柔韧、低阻抗、低密度、
15、高压电电压常数、灵敏度高、线性好、频带宽等优点。同时,其良好的柔性适合于制作大规模柔性触觉传感器,使“人工皮肤”制备成为可能。2012年,土耳其的KocIM利用PVDF材料制作了微型柱体结构的触觉传感器,是从壁虎的爪子,蜘蛛等其他昆虫得到灵感,设计出了纤维状结构的触觉传感器,这些垂直纤维阵列模仿了动物的触觉方式,具有极高的分辨率,在检测力的同时也能检测出力的分布。这种传感器在受动态载荷时,其优势更加明显,如图1-3和图1-4所示。受益于压电材料的性质,压电式触觉传感器都有材质柔韧、灵敏度高、可靠性强,频带宽等优点,但是其信号处理的电路相对复杂。(2)电容式触觉传感器电容式传感器是通过将外力变化
16、转化为电容的变化,由电容的定义公式: (1.1)可知,一般电容式传感器是通过改变面积S来形成外力和电容的映射关系的。此外,改变电容的相对面积能够获得角位移或线位移,或者测量介电常数的变化也能够测定湿度,温度等性质。2007年,上海微系统所的肖素艳等设计了基于PI衬底的柔性MEMS电容式触觉传感器。该传感器采用多层薄膜组成,能够实现高曲率物体表面力的测量。并且其具有结构轻薄,可挠性好,精度高,响应快等优点。传感器采用MEMS工艺加工多层无机和有机材料组成的薄膜。2011年,美国斯坦福大学的副教授鲍哲楠研究小组研制出能够感知微小压力的人造皮肤,该皮肤传感器采用了聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料制作敏
17、感器件。测试表明,该传感器能够迅速且清晰感知一只蝴蝶停留所造成的压力变化。这种“人工电子皮肤”具有极好的柔性,能够广泛应用在机器人,假肢,触摸屏,医疗器械等方面。有研究人员表示,该电子皮肤的研制是机器人科学的进步,同时对人类皮肤移植术也具有很大的促进作用,如图1-2所示。电容式传感器具有造价低,结构简单,动态响应好及灵敏度高等优点,尤其在恶劣的工作环境,如高温、辐射等条件下的稳定性好。但是该传感器的精度和灵敏度易受寄生电容和分布电容的影响。随着电路集成技术的发展,减少了分布电容的影响,电容式传感器有潜力成为用途极广的传感器,也是闲着传感器研究的热门方向。(3)压阻式触觉传感器压阻效应是指一些材
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