施力器用动态扭矩传感器开发研究

摘要

目前，人民的生活水平随着科学技术的发展与经济的持续增长而不断提高，公共医疗与卫生事业也在生活中扮演着重要角色。当今社会上身体功能障碍者包括残疾人、老年人、暂时功能障碍群体，由于身体的原因，其生活质量受到了很大的影响。这些群体身体功能障碍者的身体功能障碍康复研究也就成为近几年最为紧迫的任务。目前较为通用的康复设备采用施力器来完成肌力检测与训练，效果显著，而在此过程中对施力器输出扭矩进行实时记录、检测和监控显得尤为重要。
　　本研究首先分析比较了国内外扭矩传感器的发展状况，从材料力学的角度设计了作为弹性元件的测力轴，分析了测力轴的结构设计满足工作强度和刚度要求。所设计开发研究的扭矩传感器是通过把应变片贴在被测弹力轴上，利用三维建模软件建立被测弾性轴的三维模型,同时使用 Ansys仿真软件对测力轴进行应力、应变仿真分析确定应变片粘贴在测力轴的位置和方向，同时对粘贴有应变片的测力轴模态、动态特性进行了仿真分析避免共振现象的发生，保证了扭矩传感器的使用性能。设计了扭矩传感器的硬件电路实现了扭矩值转换为电信号。首先电路通过惠斯通电桥应变片的信号转换为电信号，再选用仪表放大器AD620进行电压信号的稳定放大，并运用AMS1117设备实现电源的稳压供电。采用Arduino开发板进行数据处理，PC机使用Arduino软件平台实现了测量信号的在线采集、分析、计算和存储功能。最后通过施力器的加载实验对扭矩传感器的测量误差、精度和工作性能进行了分析调整。

目录

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第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2扭矩传感器的基本原理及分类

1.3国内外研究现状

1.4扭矩测量的发展动向

第二章 扭矩传感器的设计

2.1电阻应变式传感器及其工作原理

2.2扭矩测量原理

2.3应变片的布置

2.4测力轴设计

2.5测力轴动态性能分析

第三章 扭矩测量硬件系统设计

3.1扭矩测量硬件电路设计

3.2测量电路

3.3放大电路

3.4滤波电路设计

3.5电压偏置电路

3.6电源电路

第四章 扭矩测量系统软件设计

4.1 Arduino开发平台简介

4.2 Arduino的程序结构与语言

4.3模拟I/O口的使用

4.4 Arduino与计算机的交流

4.5 Arduino控制器程序

第五章 扭矩传感器误差分析与施力器加载实验

5.1电桥非线性引起的误差

5.2机械性能引起的误差

5.3轴承的摩擦转矩

5.4施力器扭矩加载实验和实验数据处理

5.5应变式扭矩传感器的静态特性

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文