基于摩擦纳米传感器的软抓取系统设计与分析.pdfVIP

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

摘要

随着人类对软体机器人研究的不断深入，软体机器人在工业生产、救灾救

援和医疗等领域扮演越来越重要的角色。通过调研发现，现今的软体机器人在

抓取识别和自我感知功能的实现上仍存在一些问题。这一方面是因为传统的传

感器不适合安装在软体机器人表面，额外的传感器电源对抓取识别存在干扰；

另一方面，诸如视觉识别等方式存在成本高和应用场合受限的问题。针对软体

机器人在抓取识别中存在的问题，本文开发了一种以正压作为驱动源、指节型

自由底部的软体手爪作为抓取执行机构，以摩擦纳米传感器作为感知机构的软

抓取系统。

首先，基于抓取机构的作动特点和抓取系统的使用需求，结合现有抓取系

统性能，给定软抓取系统抓取机构的设计指标。建立抓取机构的理论模型，并

以此为基础对抓取机构的尺寸参数进行分析，得到各参数对抓取机构弯曲变形

的影响。运用有限元软件，建立仿真模型。制备抓取机构实物，通过实验实现

理论、仿真和实物的三者验证。分析抓取机构的各项特性，与设计指标相对照。

其次，为满足抓取机构的作动需求，提出了剪纸式传感器与屈曲式传感器

两种方案。综合考虑传感器输出稳定性和抓取机构的适配性，选择剪纸式传感

器。建立剪纸结构的运动学模型和传感器的电容模型，以此为基础，在有限元

软件中进行尺寸参数的优化。制备不同尺寸参数的传感器，通过实验验证尺寸

参数优化的有效性。分析传感器的输出稳定性和迟滞性等特性，保证传感器使

用的可行性。

最后，根据软抓取系统的各部件特性，选用合适的制备材料与制备工艺。

搭建软抓取系统的测试平台，合理设置测量参数。通过引入中间变量的方式，

实现抓取机构弯曲角度与传感器输出的标定。考虑到在标定过程中传感器对抓

取机构作动的影响，分析了当前系统尺寸的适配性和功能可行性。经实验可得

所设计的软抓取系统识别准确率达到95%，最大承载重量达到650g，具有适应

多种场景的抓取方式。

关键词：软体机器人；软体手爪；摩擦电传感器；尺寸识别

-I-

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

Abstract

Withthecontinuousdeepeningofhumanresearchonsoftrobots,theyplayan

increasinglyimportantroleinindustrialproduction,disasterreliefandmedical

treatment.Throughresearch,ithasbeenfoundthattherearestillsomeproblemsin

theimplementationofgraspingrecognitionandself-awarenessfunctionsfortodays

softwarerobots.Ontheonehand,thisisbecausetraditionalsensorsarenotsuitable

forinstallationonthesurfaceofsoftrobots,andtheadditionalsensorpowersupply

mayinterferewithgraspingrecognition;Ontheotherhand,methodssuchasvisual

recognitionfacehighcostsandlimitedapplicationscenarios.Aimingattheproblems

ofsoftrobotingraspingrecognition,thispaperdevelopsasoftgraspingsystemthat

usespositivepressureasthedrivingsource,knuckletypefreebottomsoftgripperas

thegraspingactu