本文是一篇硕士学位论文，题为《磁致伸缩三维力触觉传感器结构设计及应用》，作者为赵轩，指导教师为翁玲教授，所属单位为河北工业大学电气工程学院。该论文于2022年4月完成，并得到了国家自然科学基金（52077052）和河北省自然科学基金（e2017202035, e2019202315）的资助。

研究背景与意义

随着人工智能技术的快速发展，智能机器人在工业制造、家庭护理等领域的应用日益广泛。触觉传感器作为机器人感知外界环境的重要装备，能够帮助机器人精确感知、抓取和操作物体。然而，现有的触觉传感器大多只能测量法向力，无法测量切向力，而机器人进行智能化人机协作时对多维力传感器有着极大的需求。因此，开发能够同时测量法向力和切向力的三维力触觉传感器具有重要意义。

磁致伸缩材料具有响应速度快、灵敏度高等优点，能够同时感知静态和动态力触觉信息。本文基于铁镓合金的逆磁致伸缩效应，设计了一种新型的三维力触觉传感器，并将其应用于机器人抓取任务中，模拟人手在无视觉条件下进行物体轮廓检测。

研究内容与方法

本文的研究内容主要包括以下几个方面：

1. 悬臂梁式磁致伸缩触觉传感器的设计与对比实验
   基于铁镓合金的逆磁致伸缩效应，设计了悬臂梁式磁致伸缩触觉传感器，并建立了传感器的输出电压模型。通过实验验证，该传感器的灵敏度为48.87 mV/N，响应时间为10 ms，具有较高的重复性和稳定性。与商用电阻式传感器相比，磁致伸缩传感器的灵敏度高出4倍，响应速度快6倍。

2. 三维力触觉传感器的结构设计与输出电压模型
   在悬臂梁式磁致伸缩传感器的基础上，设计了三维力触觉传感器的结构。结合欧拉-伯努利梁理论和压磁效应，建立了输出电压模型。通过仿真实验对传感器的触头结构、铁镓丝长度、永磁体大小和摆放位置等因素进行了优化与调整，并设计了磁致伸缩三维力+三维力矩传感器的结构。

3. 三维力传感器的标定实验与解耦算法
   制作了磁致伸缩三维力触觉传感器样机，搭建了静态力和动态力标定实验平台。实验结果表明，该传感器法向力灵敏度为38.25 mV/N，切向力灵敏度为31.5 mV/N，响应时间为50 ms。使用线性和非线性两种算法对传感器输出进行解耦，I类误差最小为3.5%，II类误差最小为1.2%。

4. 机器人抓取物体轮廓识别实验
   基于该传感器设计了机器人抓取物体轮廓识别与复现系统，模拟人手在无视觉条件下抓取物体。实验结果表明，该系统能够准确判断物体轮廓信息，并对物体轮廓进行准确复现。

主要结果与结论

1. 悬臂梁式磁致伸缩触觉传感器的性能
   该传感器的灵敏度为48.87 mV/N，响应时间为10 ms，具有较高的重复性和稳定性。与商用电阻式传感器相比，磁致伸缩传感器的灵敏度高出4倍，响应速度快6倍。

2. 三维力触觉传感器的性能
   三维力触觉传感器的法向力灵敏度为38.25 mV/N，切向力灵敏度为31.5 mV/N，响应时间为50 ms。通过解耦算法，传感器的I类误差最小为3.5%，II类误差最小为1.2%。

3. 机器人抓取物体轮廓识别实验
   基于该传感器设计的机器人抓取系统能够准确判断物体轮廓信息，并对物体轮廓进行准确复现，验证了该传感器在机器人抓取任务中的实用性。

研究的意义与价值

本文设计的磁致伸缩三维力触觉传感器具有响应速度快、灵敏度高、稳定性好等优点，能够同时测量法向力和切向力，解决了现有触觉传感器无法测量切向力的问题。该传感器在机器人抓取任务中的应用，能够有效提高机器人对物体轮廓的识别能力，具有重要的科学价值和应用价值。

研究的创新点

1. 新型传感器的设计
   本文基于铁镓合金的逆磁致伸缩效应，设计了一种新型的三维力触觉传感器，能够同时测量法向力和切向力，填补了现有触觉传感器在切向力测量方面的空白。

2. 输出电压模型的建立
   结合欧拉-伯努利梁理论和压磁效应，建立了传感器的输出电压模型，并通过仿真实验对传感器结构进行了优化。

3. 解耦算法的应用
   使用线性和非线性两种算法对传感器输出进行解耦，有效降低了传感器的维间耦合误差，提高了传感器的测量精度。

4. 机器人抓取系统的应用
   基于该传感器设计的机器人抓取系统能够准确判断物体轮廓信息，并对物体轮廓进行准确复现，验证了该传感器在机器人抓取任务中的实用性。

总结与展望

本文设计的磁致伸缩三维力触觉传感器具有响应速度快、灵敏度高、稳定性好等优点，能够同时测量法向力和切向力，解决了现有触觉传感器无法测量切向力的问题。该传感器在机器人抓取任务中的应用，能够有效提高机器人对物体轮廓的识别能力，具有重要的科学价值和应用价值。未来的研究可以进一步优化传感器的结构，提高其灵敏度和稳定性，并探索其在更多领域的应用。