与人共融机器人的关节力矩测量技术

　　本书系统地介绍了基于宏观位移感知的新型高集成度嵌入式力矩传感器技术。主要内容包括：不同类型的力矩传感器测量方法；新型嵌入式力矩传感器的形变测量系统及整体设计技术；新型嵌入式力矩传感器的数学理论基础；新型嵌入式力矩传感器仿真分析方法和测试装置技术；基于宏观位移感知的力矩传感器的性能测试与实验研究。本书反映了与人共融机器人的关节力矩测量技术近期取得的成果。本书可供高等学校机器人相关专业研究生使用，有关专业本科生也可使用，此外还可供从事机器人技术研究的科技人员参考。

　　刘玉旺，中国科学院沈阳自动化研究所研究员，中国机械工程学会机器人分会第l届委员，载人航天领域预研项目评审专家，中国载人空间站舱外机械臂复核复算专家组成员，多种学术期刊编委。主要研究方向为智能机器人、太空机器人、机器人灵巧作业、机电一体化、精密驱动传感系统、欠驱动及运动耦合机构学等。主持和参加国家科技重大专项课题、国家数控重大专项课题、载人航天工程项目、国家863计划项目、国家自然科学基金项目、中国科学院重点部署项目等20余项。发表学术论文40余篇，申请国家发明专利36项。部分成果已在灵巧作业机器人和太空操作机器人上得到应用。 刘金国，中国科学院特聘研究员、博士生导师，中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室主任助理、空间自动化技术研究室副主任。主要研究方向为仿生智能机器人系统、空间机器人与自动化装备、空间结构与机构等。先后负责和参加载人航天工程、嫦娥工程、国家863计划项目、国家自然科学基金项目、中国科学院重点部署项目、中英牛顿国际合作基金项目等30 多项。目前担任载人航天工程某型号主任设计师、嫦娥工程某型号副指挥。在Science、IEEE IROS等杂志和会议发表论文100多篇，申请专利70多项，出版著作3部；获得国家科技进步奖二等奖、辽宁省自然科学学术成果奖一等奖、 IEEE ROBIO佳论文奖、ICIRA 优秀论文奖、载人航天学术大会优秀论文奖、中国科学院院长奖等奖励20 多项。 骆海涛，中国科学院沈阳自动化研究所副研究员，中国科学院青年创新促进会会员，IEEE会员。主要研究方向为高速重载机器人动力学、特种环境结构力学性能、空间结构减重抗振、基于多元约束的结构优化、有限元仿真和试验测试等。主持和参加国家数控重大专项课题、载人航天工程项目、国家863计划项目、国家自然科学基金、中科院重点部署课题、辽宁省基金项目等10余项，发表SCI/EI检索论文20余篇，申请国家发明专利8项。

第1章与人共融机器人力矩传感器概述/1
1.1与人共融机器人对力矩传感器的需求/1
1.2力矩传感器的发展趋势/3
1.3高集成度力矩传感器的研究现状/4
1.3.1应变式/4
1.3.2电容式/7
1.3.3压电式/7
1.3.4光电式/9
1.3.5其他类型/11
1.4本章小结/13
第2章力矩传感器的测量方法/14
2.1应变式力矩测量/14
2.2电容式力矩测量/17
2.2.1极距变化型/17
2.2.2面积变化型/18
2.3压电式力矩测量/20
2.4光电式力矩测量/23
2.4.1光栅式/23
2.4.2光电开关式/24
2.5磁电式力矩测量/26
2.6磁致伸缩式力矩测量/27
2.7光纤式力矩测量/28
2.8无线声表面波式力矩测量/30
2.9力矩测量方法总结/31
第3章力矩传感器设计技术/32
3.1力矩传感器方案设计/32
3.2弹性本体单元结构构型设计/33
3.2.1设计方法/33
3.2.2材料的选择/33
3.2.3结构构型设计/35
3.2.4结构构型优化/38
3.3形变测量系统设计/38
3.4传感器整体设计/42
3.4.1光电开关的安装/42
3.4.2挡光片的安装/43
3.4.3整体构型/44
3.5本章小结/46
与人共融机器人的关节力矩测量技术目录第4章力矩传感器的理论基础/47
4.1能量原理/47
4.2曲杆计算/49
4.3力矩传感器本体力学建模/52
4.3.1柔性弹簧型结构/53
4.3.2十字梁型结构/57
4.4本章小结/59
第5章力矩传感器的仿真分析技术/60
5.1有限元理论/60
5.1.1有限元方法的一般步骤/60
5.1.2强度准则/64
5.2有限元方法分析/66
5.3优化设计/73
5.3.1优化设计类型/74
5.3.2力矩传感器的拓扑优化设计/75
5.4本章小结/78
第6章力矩传感器性能测试装置技术/79
6.1力矩传感器实验测试装置的设计情况/79
6.2力矩传感器实验测试装置方案设计/83
6.2.1方案设计/83
6.2.2模型设计/86
6.3力矩传感器测试装置数据采集系统设计/87
6.3.1系统硬件设计/87
6.3.2上位机软件设计/93
6.4本章小结/95
第7章力矩传感器的性能测试与实验研究技术/96
7.1静态性能指标/96
7.1.1线性度/96
7.1.2灵敏度/96
7.1.3重复性/97
7.1.4迟滞性/98
7.1.5漂移/98
7.2实验准备/99
7.2.1力矩传感器样机/99
7.2.2测量装置/100
7.2.3数据采集板/100
7.3实验过程/101
7.3.1超载实验/101
7.3.2静态校准实验/102
7.3.3重复性测试/108
7.3.4迟滞测试/117
7.3.5零漂测试/118
7.4实验结果评估/120
7.5本章小结/121
参考文献/122