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1、新型自解耦六维力/ 力矩传感器1 传感器历史发展路程随着科学技术的发展， 信息技术也越来越成熟， 传感器在获取信息的过程中起着非常重要的作用。 通过传感器可以获取准确可靠的信息，提高工作效率。 在现代技术的发展中，尤其是先进的信息技术和自动化技术，需要通过各种传感器来控制生产过程中的各个参数， 使设备在工作中达到最佳状态。 传感器是人类获取信息的基本工具， 它位于研究对象与测控系统之间的接口处，是检测系统的首要环节，是感知、获取与检测信息的窗口，是信息技术的源头。传感器在产品的质量检测和控制、 系统安全运行、 自动化生产与控制系统的搭建等方面有非常重要的作用。传感器能够感知待测物体并按照一定规
2、律转换成可输出信号，通常由敏感元件和转换元件构成。最常见的传感器有位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。 按照工作原理进行分类， 传感器又可以分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。 本文所研究的传感器类型属于压电式传感器，压电式传感器是以压电效应为工作基础的，当在传感器表面作用一定大小的力时，传感器就会产生变形， 传感器上下两个表面产生符号相反的电荷，当外力撤去后， 又重新恢复到不带电的状态。 传感器根据其所蕴含的技术特征，可以分为普通传感器和新型传感器。 普通传感器发展较早， 主要是应用于传统技术， 而
3、新型传感器随着计算机技术的发展， 体现了更高的实验价值和实用价值。如传感器和微处理器的结合，产生了具有数据处理能力、自检、自校、自补偿等功能的智能传感器。传感器与微机电系统技术的结合，产生了尺寸很小的微传感器。我国从世纪年代开始传感技术的研究与开发，目前，我国压电传感器的研究水平远落后于国际水平， 但是经过了“六五”到“九五”的国家攻关，我国在传感器研发、制造和可靠性研究等方面都有了很大进步，初步形成了传感器研发、 生产应用体系并取得了一些成果。 但是仍然不能适应我国科技的快速发展，仍有一些传感器、信号处理和识别系统仍然依赖进口。随着科技的发展， 传感器技术不仅在医学领域广泛应用，而且在航空航
4、天、交通运输、工业、食品安全领域中逐渐得到重视，传感器技术将会成为现代科技中的龙头产业。传感器技术、通信技术、计算机技术是信息产业的三大支柱，现在，传感器技术已经成为科学发展的一个重要标志。在世纪年代， 人们研制出了一种可以对挥发性物质进行识别和检测的新型设备，将气体传感器和模式识别技术相结合，类似于生物的嗅觉系统， 可以分析复杂嗅味和多挥发性成分，此技术可以应用在食品检测领域。在基础理论研究方面，人们通过研究新原理、新工艺，将会有更过优良的新型传感器问世， 如光纤传感器、 以高分子有机材料为敏感元件的压敏传感器以及微生物传感器等， 我国的传感器技术将向着高精度、 微型化和集成化靠拢。2 课题
5、研究背景及意义人类为了从外界获取信息必须借助于感觉器官，依靠这些感觉器官接受来自外界的刺激， 再通过大脑的分析判断发出命令动作。随着科学技术的发展和人类社会的进步，为了进一步认识自然和改造自然， 只靠这些感觉器官就显得不够了。于是出现了各种用途的传感器，例如位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器、振动传感器等。其中，力传感器是一种将各种力与力矩信息转换成电信号输出的装置。多维力传感器是能够同时检测出三维直角坐标空间中多维力或力分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，它需要具备信息集成性、智能性、动作性、通用性、柔性、个体性以及在现实世界中高度实时
6、性。对于智能机器系统， 主要有两个核心内容： 一是在行动中系统对环境的感知，二是感知后机器的实时行动。 感知和行动高度统一是智能机器人研究的必然要求，是对环境和对象的感知、 适应和行动。 例如装在机器人腕部的六维腕力传感器可以用来检测机器人操作手与外部环境接触时或者抓取工作时所能承受的力和力矩。运用多维腕力传感器使机器人具有力觉和力位置控制功能，从而能进行零力示教、轮廓跟踪、双手协调、柔性装配、机器人力反馈控制、机器人去毛刺和磨削等。做可能对人体造成伤害的工作，如喷漆、重物搬运等；做工作质量要求很高、人们难以长时间胜任的工作，如汽车焊接、精密装配等；做一些工作人员无法身临其境的工作， 如水下机
7、器人帮助打捞沉船、铺设电缆， 工程机器人上山入地、开洞筑路，农业机器人耕耘播种、施肥除虫，军用机器人冲锋宪政、排雷排弹。随着科学技术的迅猛发展， 多维力传感器的应用已不再仅仅局限于机器人领域，许多科学技术领域都采用多维力传感器作为其测量手段。多维力传感器在航天航天及机械加工、 汽车等行业中有着广泛的应用。如风洞试验、 火箭发动机安装测试、精密装配、自动磨削。切削力测量、运动员辅助训练、辅助医疗手术等。 因此， 随着多维力传感器应用领域的不断拓宽，其研究价值也越发显著。国内外现状早在七十年代初， 瑞士联邦工学院就开始了多维力传感器方面的研究，并设计了一种以电阻应变片为敏感元件的刘伟力传感器。随后
8、，日本、美国、德国、法国、比利时和以色列等国也相继进行了探索和研究，先后设计了适用于多种工作场合的六维力传感器。美国的 P .C.Waston于 1975 年设计了一种三垂直筋结构的六维力传感器。三个垂直筋的外表面均可以测剪切应变，而内表面则用来测拉、 压应变。该结构的显著特点是结构极其简单，承载能力强，抗冲击性能好，单维间耦合严重，灵敏度低。同期，斯坦福大学研制出了Scheinman水平十字梁结构的六维力腕力传感器，国内对多维力传感器的研究开始于上个世纪80 年代后期。 1986 年至 1987年沈阳自动化研究所和中国科学院合肥智能机械研究所分别研制出了我国第一台五维和六维腕力传感器。 19
9、90 年中国科学院合肥智能机械研究所、 东南大学、哈尔滨工业大学等单位联合研制成功的SAFMS六维腕力传感器通过技术鉴定，其性能达到九十年代初国际同类产品的先进水平。3 研究的主要内容（1） 主要介绍该课题的研究背景以及介绍多维力传感器结构设计与有限元分析、桥路设计及实验结果分析。（2）对新型六维力 /力矩传感器进行了详细的介绍，主要针对其工作原理、如何选择正确的布片位置进行了详细的阐述。（3）建立新型六维力 /力矩传感器力学及电力学模型，对传感器进行应力应变分析，通过对每一个应变片受拉或受压分析，结合全桥电路， 得到每个受力方向上的电压方程。（4）基于有限元 ANSYS 模拟的 X,Y,Z
10、力和力矩的分析， 得出布片位置与形变的关系，合理选择布片的最佳位置。通过前四点的分析与研究得出最后的结论，并提出存在的问题， 以及对以后工作的展望。4 技术线路本文在工程需求和前人研究的基础上提出了一种新型的六维力/ 力矩传感器，该传感器可以感知三维空间坐标系下x,y,z三个方向的力xF ,yF ,zF , 和力矩xM , yM , zM 该结构相对简单，具有良好的各向同性特性，测量精度高，维间藕合误差小。4.1 六维传感器的结构影响多维传感器精度的因素有很多，其中最主要的因素是维间藕合。 解决藕合问题一方面是采取电路或信号处理方法，另一方面是从传感器自身结构上采取措施。从根本上讲，维间藕合程
11、度的主要影响因素是传感器自身结构回，因而，传感器弹性体的结构选取十分重要。本文设计的六维传感器的结构如图1 所示，主体部分包括中心圆环和由4个对称分布的 T 形结构围绕而成的环状结构。 该结构形状对称，具有较大的刚度。T形梁是整个结构最薄处，也是结构的敏感元件。4.2 有限元仿真利用有限元软件ANSYS 对六维力 / 力矩传感器弹性体进行静力分析，确定结构的尺寸和在单维力作用下结构的变形最大区域。图 1 六维传感器结构4.2.1 弹性有限元模型弹性结构尺寸如下表所示：表 1 弹性体材料的杨氏模量为2 x 10“ Pa ，材料密度为 7 800 kg/m，泊松比为 0. 3 3。利用有限元软件A
12、NSYS 对六维力 /力矩传感器进行三维实体建模，并用20 节点的高精度单元 SOLID95对模型划分网格。 考虑到计算精度， 采取疏密结合的方式进行网格划分。分别在结构上加载六个单维力，分析其应变分布情况。 由于结构对称，yF 与xF 的受力情况等效，yM 与xM 的受力情况等效，故不在此列出。根据分析结果可知 :在xF =100N 单独作用下，上下T 型梁两侧的应变较大 ;在单维力zF =100N单独作用下， T型梁的上下表面应变较大;在xM =100N.m单独作用下，上下 T 型梁表面应变较大 ;在zM =100N.m 单独作用下， T 型梁两侧的应变较大。根据结构变形特点， 选取应变较
13、大区域作为单维传感器测量桥路的贴片位置。4.3 应变片布片与组桥在弹性体贴片区域选取16 条路径，对单维传感器的贴片区域沿路径方向各点的应变进行分析， 从而确定应变片的最佳贴片位置。各路径的位置和应变片的分布情况图所示。 A1-A4路径分布在 T 型梁的上表面。 B1-B8路径分布在在 T 型梁侧边轴线上。 C1-C4路径分布在 T 型梁的下表面。各路径起点在靠近中央环形一侧。在各路径图式位置粘贴应变片。图 2 每一维使用 4 只应变片构成全桥检测电路。6 组桥路共计 24 只应变片，如图所示。各桥路的输出电压为 : 其中，1为弹性体上第i 个传感器的应变值， U 为激励电压， K 为应变片的
14、灵敏系数。4.4 实验结果4.4.1 各桥路输出利用 ANSYS 后处理器提供的路径映射技术得出路径上各点的应变情况。根据有限元分析结果计算出各桥路的输出。贴片点的位置发生变化， 桥路的输出随着改变。图 5 给出了各桥路的应变输出。图 3 组桥示意图图 4 可以看出 :在单维力xF =100N作用下，贴片位置位于在路径起点处，桥路的测量值最大 ;在单维力zF =100N 作用下，贴片位置距离路径起点4 mm 处，应变输出有最大值 ;在单维力矩xM =100N.m 作用下，贴片位置距离路径起点3. 8mm处，应变输出有最大值。 在单维力矩zM= 100Nm作用下，贴片位置在路径起点处，桥路的输出
15、最大。根据上述分析结果，选取应变输出最大的点为贴片点。4.4. 2 维间辐合分析根据结构力学特征选取了贴片点。 下面进一步分析六维力 /力矩传感器的维间藕合效应。表 2 给出了多维力 /力矩传感器弹性体各桥路的输出情况，其中“一”表示不敏感。根据表2 可知，xF 主要影响桥路 1 的输出，yF 主要影响桥路 2 的输出，zF 主要影响桥路 3 的输出，xM 主要影响桥路4 的输出，yM 主要影响桥路 5 的输出，zM 主要影响桥路 6 的输出，各维力之间藕合误差小。由以上分析可知，设计的传感器自身具有解藕功能，维间藕合小。表 2 5 创新点本文设计了一种新型的具有自解藕功能的六维力/ 力矩传感器弹性体结构。该弹性体结构简单，对称性好，刚度较大。根据传感器的力学特性确定了弹性体的布片和组桥方式。 分析了贴片点的位置变化对桥路输出的影响，并确定了各测量桥路的最佳贴片位置，提高了传感器灵敏度。其中，桥路1、桥路 2 和桥路 6 的贴片点在路径起点处，桥路4、桥路 5 的最佳特征点位于距离路径起点3. 8 mm 处，桥路 3 的贴片点在距离路径起点4 mm 处。最后，对传感器的维间藕合效应进行了分析，结果表明:新型六维力 /力矩传感器的具有自解藕功能，各维力的输出之间影响较小。 通过以上分析优化， 使设计的传感器具有灵敏度高、维间藕合小等优点，具有较好的应用前景。
