摘要
摘要
软体机械手是区别于传统刚性机械手的新型研究方向，其具有安全性高、
柔顺性强的优点，在各种领域，特别是需要做到人机交互的方向具有广泛的
应用前景。但是由于目前的位移感知传感器具有一定的局限性，因此受到了
一些限制。目前很多学者对软体手指的位移感知相关的传感器进行研究，器
测量方式包括电阻式、光纤式、电磁电感式以及电容式等。本文针对实验室
开发的刚柔耦合的软体机械手，基于电容器的测量原理，设计一款可集成于
手指本身的角度位置传感器，其最大外径必须小于3mm，以突破商用传感器
的限制。
以同轴型圆柱式电容器为基本模型，通过改变中间圆柱的具体结构，将
内部的光滑轴变化为拥有具体尺寸的异形轴，从而达到旋转角度测量的功能，
建立了角度传感器的测量模型。然后，基于传感器电容变化的基本规律，建
立了旋转角度与电容值的基本关系，由此得到了角度传感器的电容特性曲线。
对传感器在实际应用中由于装配精度和制造精度，会引起的偏心误差、
轴向位移误差以及圆柱度误差进行分析，此外分析了电容传感器实际应用中
的寄生电容的影响，并提出了误差消除方案。同时，着重阐述了边缘效应的
影响，推导了圆柱型电容器计算边缘效应的精确计算公式。通过Ansoft软件，
对不同尺寸的传感器边缘效应进行仿真，得到不同参数对于误差值的影响，
并基于此确定实际传感器的尺寸。
针对传感器角度检测的需求，设计单个传感器的标定实验。根据传感器
的具体尺寸，设计实验平台与实验的具体流程。以AD7747电容测量芯片为
核心对传感器的标定数据进行测量采集，结合理论的公式推导，对数据进行
线性处理，完成了0°到120°的旋转标定工作，得到了电容-旋转角度曲线，
同时计算出实验室条件下，该传感器的分辨率大小，最后与其他构型的电容
角度传感器实验数据进行对比，验证了本方案的实用性。
以受分布载荷的悬臂梁为基本模型，得到弯曲过程中，手指各个截面的
旋转角度曲线，并基于此设计了传感器的装配方案，完成手指与传感器的集
成。然后，进行了单指弯曲的测量实验以及探究了刚度变化对传感器特性曲
线的影响。并完成了双指抓取实验，测量了抓取不同物体的弯曲角度。
关键词:角度传感；电容传感器；Ansoft仿真；边缘效应；软体机械手
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Abstract
Abstract
Softmanipulatorisanewresearchdirectiondifferentfromtraditionalrigid
manipulator,whichhastheadvantagesofhighsafetyandstrongcompliance,and
hasawiderangeofapplicationprospectsinvariousfields,especiallyinthe
directionofhuman-computerinteraction.However,duetothelimitationsof
currentdisplacement-sensingsensors,theyaresubjecttosomelimitations.At
present,manyscholarshavestudiedsensorsrelatedtothedisplacementsensing
ofsoftfingers,includingresistive,opticalfiber,electromagneticinductiveand
capacitive.Basedonthemeasurementprincipleofcapacitors,thispaperdesigns
anangular