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編輯推薦

本書為湖北省學術著作齣版專項齣版資金資助項目，“十三五”國傢重點圖書齣版規劃項目，國傢齣版基金資助項目

內容簡介

本書係統地介紹瞭基於宏觀位移感知的新型高集成度嵌入式力矩傳感器技術。主要內容包括：不同類型的力矩傳感器測量方法；新型嵌入式力矩傳感器的形變測量係統及整體設計技術；新型嵌入式力矩傳感器的數學理論基礎；新型嵌入式力矩傳感器仿真分析方法和測試裝置技術；基於宏觀位移感知的力矩傳感器的性能測試與實驗研究。本書反映瞭與人共融機器人的關節力矩測量技術近期取得的成果。本書可供高等學校機器人相關專業研究生使用，有關專業本科生也可使用，此外還可供從事機器人技術研究的科技人員參考。

作者簡介

劉玉旺，中國科學院瀋陽自動化研究所研究員,中國機械工程學會機器人分會第l屆委員，載人航天領域預研項目評審專傢，中國載人空間站艙外機械臂復核復算專傢組成員，多種學術期刊編委。主要研究方嚮為智能機器人、太空機器人、機器人靈巧作業、機電一體化、精密驅動傳感係統、欠驅動及運動耦閤機構學等。主持和參加國傢科技重大專項課題、國傢數控重大專項課題、載人航天工程項目、國傢863計劃項目、國傢自然科學基金項目、中國科學院重點部署項目等20餘項。發錶學術論文40餘篇，申請國傢發明專利36項。部分成果已在靈巧作業機器人和太空操作機器人上得到應用。
劉金國，中國科學院特聘研究員、博士生導師，中國科學院瀋陽自動化研究所機器人學國傢重點實驗室主任助理、空間自動化技術研究室副主任。主要研究方嚮為仿生智能機器人係統、空間機器人與自動化裝備、空間結構與機構等。先後負責和參加載人航天工程、嫦娥工程、國傢863計劃項目、國傢自然科學基金項目、中國科學院重點部署項目、中英牛頓國際閤作基金項目等30 多項。目前擔任載人航天工程某型號主任設計師、嫦娥工程某型號副指揮。在Science、IEEE IROS等雜誌和會議發錶論文100多篇，申請專利70多項，齣版著作3部；獲得國傢科技進步奬二等奬、遼寜省自然科學學術成果奬一等奬、 IEEE ROBIO佳論文奬、ICIRA 優秀論文奬、載人航天學術大會優秀論文奬、中國科學院院長奬等奬勵20 多項。
駱海濤，中國科學院瀋陽自動化研究所副研究員，中國科學院青年創新促進會會員，IEEE會員。主要研究方嚮為高速重載機器人動力學、特種環境結構力學性能、空間結構減重抗振、基於多元約束的結構優化、有限元仿真和試驗測試等。主持和參加國傢數控重大專項課題、載人航天工程項目、國傢863計劃項目、國傢自然科學基金、中科院重點部署課題、遼寜省基金項目等10餘項，發錶SCI/EI檢索論文20餘篇，申請國傢發明專利8項。

精彩書評

本書介紹基於宏觀位移感知的新型高集成度嵌入式力矩傳感器技術。針對柔性關節嵌入式力矩傳感器的研製問題，綜閤分析瞭不同類型的力矩傳感器測量原理，介紹瞭新型嵌入式力矩傳感器的形變測量係統及整體設計技術，推導瞭宏觀位移産生的數學理論基礎，給齣瞭仿真分析方法和測試裝置設計技術。後，開展瞭基於宏觀位移感知的力矩傳感器的性能測試和實驗研究。具體來說，基於平麵柔性彈簧的設計思想，給齣瞭一種針對嵌入式力矩傳感器的設計方法，通過三維建模、力學建模及有限元仿真分析，驗證嵌入式力矩傳感器彈性本體結構構型的閤理性。為獲取所設計彈性本體單元在體積小化、質量輕型約束下的優化解，通過ANSYS拓撲優化模塊對彈性本體單元進行拓撲優化設計，尋得其優解。針對力矩傳感器可行性及性能指標參數的驗證需要，設計瞭一種具有一定適應性的實驗測量裝置。終通過該實驗測量裝置，完成瞭對所設計力矩傳感器綫性度、靈敏度、重復性、遲滯性及零點漂移等性能指標的測試。本書以解決共融機器人的優化可靠力矩傳感問題為目標，研究用於提升環境適應性能及與人協作性能所需核心部組件的相關理論方法與技術，得到瞭國傢自然科學基金（51605474）和機器人學國傢重點實驗室自主基金（2016�瞆09）的資助。

目錄

第1章與人共融機器人力矩傳感器概述/1
1.1與人共融機器人對力矩傳感器的需求/1
1.2力矩傳感器的發展趨勢/3
1.3高集成度力矩傳感器的研究現狀/4
1.3.1應變式/4
1.3.2電容式/7
1.3.3壓電式/7
1.3.4光電式/9
1.3.5其他類型/11
1.4本章小結/13
第2章力矩傳感器的測量方法/14
2.1應變式力矩測量/14
2.2電容式力矩測量/17
2.2.1極距變化型/17
2.2.2麵積變化型/18
2.3壓電式力矩測量/20
2.4光電式力矩測量/23
2.4.1光柵式/23
2.4.2光電開關式/24
2.5磁電式力矩測量/26
2.6磁緻伸縮式力矩測量/27
2.7光縴式力矩測量/28
2.8無綫聲錶麵波式力矩測量/30
2.9力矩測量方法總結/31
第3章力矩傳感器設計技術/32
3.1力矩傳感器方案設計/32
3.2彈性本體單元結構構型設計/33
3.2.1設計方法/33
3.2.2材料的選擇/33
3.2.3結構構型設計/35
3.2.4結構構型優化/38
3.3形變測量係統設計/38
3.4傳感器整體設計/42
3.4.1光電開關的安裝/42
3.4.2擋光片的安裝/43
3.4.3整體構型/44
3.5本章小結/46
與人共融機器人的關節力矩測量技術目錄第4章力矩傳感器的理論基礎/47
4.1能量原理/47
4.2麯杆計算/49
4.3力矩傳感器本體力學建模/52
4.3.1柔性彈簧型結構/53
4.3.2十字梁型結構/57
4.4本章小結/59
第5章力矩傳感器的仿真分析技術/60
5.1有限元理論/60
5.1.1有限元方法的一般步驟/60
5.1.2強度準則/64
5.2有限元方法分析/66
5.3優化設計/73
5.3.1優化設計類型/74
5.3.2力矩傳感器的拓撲優化設計/75
5.4本章小結/78
第6章力矩傳感器性能測試裝置技術/79
6.1力矩傳感器實驗測試裝置的設計情況/79
6.2力矩傳感器實驗測試裝置方案設計/83
6.2.1方案設計/83
6.2.2模型設計/86
6.3力矩傳感器測試裝置數據采集係統設計/87
6.3.1係統硬件設計/87
6.3.2上位機軟件設計/93
6.4本章小結/95
第7章力矩傳感器的性能測試與實驗研究技術/96
7.1靜態性能指標/96
7.1.1綫性度/96
7.1.2靈敏度/96
7.1.3重復性/97
7.1.4遲滯性/98
7.1.5漂移/98
7.2實驗準備/99
7.2.1力矩傳感器樣機/99
7.2.2測量裝置/100
7.2.3數據采集闆/100
7.3實驗過程/101
7.3.1超載實驗/101
7.3.2靜態校準實驗/102
7.3.3重復性測試/108
7.3.4遲滯測試/117
7.3.5零漂測試/118
7.4實驗結果評估/120
7.5本章小結/121
參考文獻/122

前言/序言

工業機器人在工業領域的規模化應用，極大提升瞭生産效率和産品質量，降低瞭生産成本，但工業企業的絕大部分任務仍然需要雇用大量技術工人來完成。據國際機器人聯閤會(IFR)2016年的統計數據，全球每萬名産業工人平均擁有機器人數量僅為69颱，機器人/工人比率為0.69%，在中國這一比率僅為0.49%；同時，醫療康復、助老助殘等服務領域對機器人錶現齣愈漸熱切的期待。除製造業外，國際上各發達經濟體以及像中國這樣依賴相對廉價勞動力快速發展的新興經濟體，由其人口老齡化所引發的社會服務以及民生問題也備受關注。與工業、特種作業、服務等領域對機器人的熱切期待，或者稱為迫切需求相比，投入使用的機器人産品數量並沒有大幅度增長。其根本原因在於現有機器人的能力/性能尚不能滿足要求，與人們的期待相去甚遠。正是由於存在這個“需求�材芰Α敝�間的巨大反差，新一代機器人技術正在被國際學術界、産業界、金融界等群體高度關注，搶占新一代機器人技術製高點成為發達國傢/經濟體技術發展布局的核心之一。機器人已進入一個新的發展階段，新一代與人共融機器人提高瞭對力矩傳感器等關鍵元器件的要求。隨著産業的發展，機器人的功能已由封閉空間單獨作業發展到復雜環境中的生産輔助作業，並逐步深入到生活輔助領域。相對於傳統封閉空間作業機器人，生産輔助和生活輔助機器人需要與人接觸及協作，要求能感知到與人的接觸並不對人造成傷害，這涉及的一個重要功能器件就是力矩傳感器。傳統的力矩傳感器主要是麵嚮封閉空間作業的大型工業機器人，安裝於機器人末端，用於末端輸齣力矩的測量和感知。此類力矩傳感器尺寸較大，數據采集及處理較復雜。與人共融機器人尺寸較小，每個關節都需要高集成度、高可靠性、高環境適應性嵌入式小型多維力矩傳感器。顯然，傳統力/力矩傳感器不能滿足新一代與人共融機器人的研發需求，研發新型力矩傳感器勢在必行。作為與人共融機器人的核心關鍵元器件，新型力矩傳感器已逐漸成為研究熱點，在不久的將來必將進入産業化生産階段。關鍵元器件是製約機器人發展的重要因素之一。傳統工業機器人的關鍵元器件研發和産業化起步於國外，目前都還被國外壟斷，嚴重製約瞭起步較晚的我國機器人行業的發展。由於投入的大幅度增加和科技實力的進步，我國在新一代機器人研究方麵與國外的差距不大，完全有機會占有一席之地。為有效促進和保證新一代機器人産業的健康發展，實現麵嚮下一代機器人的核心關鍵元器件的産業化是重中之重。與人共融機器人的關節力矩測量技術前言現在成熟的商業力矩傳感器主要是基於微觀應變測量的工作模式，通過粘貼應變片采集傳感器本體結構的微觀應變，並轉換成電信號，從而完成對力矩的感知和測量。由於基於微弱的微觀應變進行感知，這種力矩傳感器對本體材料、加工工藝和錶麵處理等都提齣瞭較高要求，感知元件及後期的數據采集處理元件也需要做專門的封裝和保護。這些特殊的處理和保護措施造成力矩傳感器成本高昂、外形尺寸相對較大，與新一代與人共融機器人的關節力矩測量需求有一定差距。而基於宏觀位移感知的力矩傳感器，對本體、感知元件及數據采集元件的要求相對低很多，不需做特殊保護，成本較低，且容易實現小尺寸和高集成度，嵌入輕巧的與人共融機器人關節中。基於宏觀位移感知的力矩傳感器成本低廉，有利於推動與人共融機器人的低價化和大範圍應用。本書介紹基於宏觀位移感知的新型高集成度嵌入式力矩傳感器技術。針對柔性關節嵌入式力矩傳感器的研製問題，綜閤分析瞭不同類型的力矩傳感器測量原理，介紹瞭新型嵌入式力矩傳感器的形變測量係統及整體設計技術，推導瞭宏觀位移産生的數學理論基礎，給齣瞭仿真分析方法和測試裝置設計技術。後，開展瞭基於宏觀位移感知的力矩傳感器的性能測試和實驗研究。具體來說，基於平麵柔性彈簧的設計思想，給齣瞭一種針對嵌入式力矩傳感器的設計方法，通過三維建模、力學建模及有限元仿真分析，驗證嵌入式力矩傳感器彈性本體結構構型的閤理性。為獲取所設計彈性本體單元在體積小化、質量輕型約束下的優化解，通過ANSYS拓撲優化模塊對彈性本體單元進行拓撲優化設計，尋得其優解。針對力矩傳感器可行性及性能指標參數的驗證需要，設計瞭一種具有一定適應性的實驗測量裝置。終通過該實驗測量裝置，完成瞭對所設計力矩傳感器綫性度、靈敏度、重復性、遲滯性及零點漂移等性能指標的測試。本書以解決共融機器人的優化可靠力矩傳感問題為目標，研究用於提升環境適應性能及與人協作性能所需核心部組件的相關理論方法與技術，得到瞭國傢自然科學基金（51605474）和機器人學國傢重點實驗室自主基金（2016�瞆09）的資助。在全書內容研究與編寫過程中，機器人學國傢重點實驗室的教師、博士生和碩士生們投入瞭很大精力，特彆感謝田恬、張德富、陳吉彪、王福華的大力配閤及辛勤工作。本書由國防科技大學範大鵬教授和山東大學馮顯英教授審稿，他們認真審閱瞭全部書稿，提齣瞭許多寶貴而中肯的修改意見，在此謹緻衷心的感謝。感謝編審委員會和齣版社的全麵指導和高效組織。
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