1  引言 ( Introduction)

六维力 /力矩传感器是机器人灵巧手的关键部件. 为了稳定抓取, 需要同时测量指尖三维力 F x 、 F y 、F z , 和三维力矩 M x 、 M y 、 M z . 目前有一些商业化销售的产品, 并具有如下特点: ( 1)弹性体为十字梁、 Ste -wart 结构或其他空间结构; ( 2)需要多片应变计组成测量电桥; ( 3)传感器信号处理电路通常与传感器分离.

H I T /DLR灵巧手是一个多传感器集成的系统,要求实现各传感器信号的本地数字化[ 1] . 对于每个手指的指尖六维力传感器, 要求直接输出力解耦信号, 以减少手指和手掌处理器的运算量. 这样就要求对六维力传感器进行微型化和集成化. 由于上述各种形式的六维力弹性体的结构复杂, 且通常由多片应变计组成测量电桥, 因此不利于进行微型化. 因而需要采用一种结构简单的弹性体并减少应变计数量, 以减少引出导线数量, 从而提高传感器的可靠性.

多维力传感器发展了几十年, 基于应变电阻式测量原理并且适用于不同场合的弹性体先后出现了很多种[ 2~ 5] . 由于机械加工上的困难及应变计尺寸的限制, 适于微型化集成化的弹性体并不多. 特别是,由于测量六维力, 从力的解耦角度看, 至少需要六路电桥信号和数目众多的应变计. 这就使其微型化成为一个主要难点.

本文提出一种集成式电阻应变计, 该应变计只需在特定直径的薄壁圆筒型力传感器弹性体的表面进行一次粘贴, 即可组成测量六维力的力敏感弹性元件. 并且, 采用微型仪表放大器和 DSP芯片, 运用刚柔结合 PCB将电路全部集成到传感器内部, 实现力传感器的微型化、 机电集成及本地数字化, 并为力传感器的智能化奠定了基础.

2  集成式应变计 ( Integrated strain gauge)

2 . 1  弹性体形式的确定

通常的力传感器弹性体为空间结构, 其弹性敏感区位于空间多个平面的不同区域. 所以, 需要粘贴多片应变计在这些区域中, 并组成电桥测量. 这势必造成应变计的粘贴困难, 工作量大, 粘贴位置精度及引线焊接可靠性难以保证等一系列问题. 同时, 由于通常的力传感器弹性体采用商业化销售的电阻应变计, 即使是最小敏感栅基长的电阻应变计, 由于其整体尺寸较大, 也不能满足力传感器微型化的要求. 因此, 对于微型多维力传感器, 需要从弹性体设计和电阻应变计设计的开始便考虑实现微型化和集成化的要求. 我们曾设计一种全平面的六维力传感器弹性体, 并通过磁控溅射的方式在铝合金弹性体的表面制作镍铬合金电阻应变计. 但是, 这种 MEMS方法工艺复杂, 成本太大, 并且只适用于全平面的弹性体形式[ 6] . 同时, 在传感器的径向尺寸上很难再进一步减小.

针对上述各种问题, 为实现六维力的微型化, 新设计传感器的弹性体采用薄壁圆筒型结构. 由于圆筒型的弹性体几何结构简单, 易于加工, 各部分的加工精度容易保证, 适于实现传感器的微型化和提高测力精度. 同时, 这种结构的弹性体更适于微型化,使其整体尺寸进一步减小, 以最终实现仿人手指尖尺寸的目标.

在计算了传感器受载时的应变输出、 负载能力和信号调理放大电路的放大倍数之后, 调整弹性体的尺寸参数. 同时, 利用有限元方法对圆柱形弹性体的外径D、 高度H 及壁厚 D 进行了仿真优化计算, 确定尺寸. 设计量程为: F x 、 F y 为 30 N; F z 为 70 N; M x 、M y 为 300N· mm; M z 为 200 N· mm. 弹性体尺寸最终确定为: H = 6 mm, D = 4mm, δ= 0.3 mm.

2 . 2  集成式应变计的设计与制作

集成式电阻应变计的设计制作流程为: 原理设计 ) 图形设计 ) 刻图制版) 应变计加工制作 (包括应变计加工、 调阻、 密封、 检测等 ).

由文 [ 3, 4], 确定传感器的测量电桥由六路半桥组成. 为此, 设计并制作了一种集成式电阻应变计,该应变计将六组敏感栅集成在一片应变计上.敏感栅的栅丝走向为二轴二栅90° 与二轴二栅 45° 等距交替排列, 组成如图 1所示的结构形式.
 
同时, 此种应变计在上下方预留连接端子, 以便将各敏感栅组成的电桥就近连接起来. 将电桥间共用的信号线连在一起, 如共用的电源与地, 减少了引线的数量, 提高了应变计引线的焊接可靠性. 应变计的整体尺寸使得其可以围绕粘贴在特定直径的圆柱形弹性体表面上刚好一周, 减少了粘贴数量, 同时,保证了敏感栅粘贴后的方向准确性.

应变计的基底材料采用聚酰亚胺, 具有很好的耐温性能、 介电性能和柔性, 并被广泛用于柔性电路的基底制作材料. 应变敏感栅采用镍铬改良型 (卡玛 )合金箔, 具有较高的电阻率 ( 125μΩ· cm), 适于制作成小基长的应变计. 同时, 镍铬改良型合金具有较小的电阻温度系数, 并具有弹性模量自补偿性能,有利于提高传感器的长期稳定性. 为在粘贴过程中起到保护应变丝栅的作用, 在应变计制作后加保护胶覆盖层密封, 并在粘贴时采用特殊设计的夹具. 制作后的应变计的单个敏感栅阻值为 375 Ω, 电阻标称值偏差不大于±0. 5 %, 栅间电阻误差不大于±0. 1 % ,满足力传感器要求.

应变计的敏感栅相对于弹性体的应变区域较大, 在计算时不能简化为点. 每个应变敏感栅测量的是应变梯度在一个区域中的整体分布情况. 为反映传感器的实际测量效果, 本文对传感器的测量进行了标定.

3  信号调理及测量电路的设计与集成 (De -sign and integration of the signal cond- itioning andmeasurement circuit)

传感器的输出电压很小并且伴随着一定的噪声, 因此, 必须有一个高输入阻抗、 高共模抑制比、 高信噪比、 高放大倍数、 低失调和低温度漂移的信号调理电路. 为了避免长线传输产生噪声, 将电路板放置在传感器就近的本体中, 选用高性能的仪表放大器和微型封装 DSP芯片来设计传感器的信号调理电路和数字化输出电路. 其中, 嵌入式的微型 DSP芯片提供了高性能的信号采集和串行数字输出能力, 进一步提高了传感器的抗干扰能力.

电路板采用刚柔结合 PCB, 并集成于传感器内部, 如图 2所示. 集成后的传感器最终尺寸为: 直径19mm, 高 18 mm.

4  传感器静 /动态标定与讨论 ( Static/dy -nam ic calibration of the sensor and dis -cussion)

4 . 1  传感器静态解耦与性能指标

对传感器分别施加独立的力分量来获得标定数据. 采用圆周加载的方式时, 所加载荷的 X 向分量和Y向分量呈正弦规律变化. 标定过程中沿圆周施加一定质量的砝码并记录各路电压输出, 。

基于最小二乘理论, 标定矩阵 C的最小二乘解为:

C = F· U’( U·U’)-1                 ( 1)

式中: F是标定力向量组成的标定力矩阵; U是传感器的输出矩阵.

根据多次加载实验获得了传感器的标定矩阵 C.
 
为考察传感器的静态解耦效果和性能指标, 得到静态标定矩阵后, 依次加载独立的力分量, 并覆盖该力分量的全量程, 然后利用 F= C·U计算每次加载的测量力. 并计算传感器在满量程下的线性度、 迟滞、 重复性等指标, 如表 1 . 从表 1中可以看出, F z 方向的量程明显大于其它方向. 同时, 该方向的其它误差指标也大于其它方向, 说明由于薄壁圆筒形结构的纵向刚度较大, 造成 F z 方向对负载不敏感, 引起该方向的测量精度波动, 其它方向的精度指标较好.
     

4 . 2  传感器动态实验建模与动态性能指标

本文采用各方向完全解耦的标定实验台和dSpace公司的 PowerPC处理器的 DS1103数据采集卡建立动态标定实验系统, 采用阶跃响应法分析传感器动态性能[ 7, 8] . 由于传感器的体积质量很小, 实验中为避免标定实验台各部分摩擦力产生的阻尼对传感器输出的影响, 采用充分润滑的滑轮组和弹性很小的细铜丝悬挂砝码.

将微型六维力传感器简单地等效为二阶系统,通过剪断悬挂砝码的铜丝来构造负阶跃力 /力矩输入信号, 测量传感器的输出. 采用系统辨识方法中的最小二乘法估计传感器的模型参数 

由实验可以得出以下结论: 由阶跃信号构造输入激励信号建立微型六维力传感器的动态模型, 效果很好; F z 方向响应频率远高于其他方向; 为提高传感器的动态响应品质, 应对传感器进行补偿.

5  结论 (Conclusion)

本文设计并制作了一种集成式的微型六维力 /力矩传感器. 提出了一种集成式应变计, 并且与特定的薄壁圆筒型弹性体组成六维力的敏感元件. 减少了粘贴工作量, 简化了引线数量. 同时, 通过微型嵌入式的 DSP芯片实现了力传感器的内部解耦、 数字温度补偿及全数字串行输出, 实现了多维力传感器的微型化、 集成化及智能化, 为机器人灵巧手提供了可靠的六维力信息.

参考文献  (References)

[ 1] Gao X H, JinM H, Jiang L, et al. TheH I T /DLR dexteroushand :Work in progress[ A ]. Proceedings of the I EEE International Con -ference on Robotics and Automation[ C ]. P iscataway, NJ , USA:I EEE, 2003. 3164- 3168.

[ 2] 姜力. 具有力感知功能的机器人灵巧手手指及控制的研究[ D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2001.

[ 3] 崔维娜, 王巍. 一种新型水下机器人用六维腕力传感器 [ J]. 仪器仪表学报, 2001, 22( 4): 388- 390 .

[ 4] K i m JH, Kang D I , ShinH H, et al. Design and analysis of a co-lu mn type mult- i component force /moment sensor [ J]. M easure-ment , 2003 , 33( 3): 213- 219.

[ 5] Berkel man P J , Whitcomb L L, T aylor R H, et al. A m iniaturem icrosurgical instru ment tip force sensor for enhanced force feed -back during robot -assisted manipulation[ J]. IEEE Transactions on Robotics and Automation , 2003 , 19( 5): 917- 922.

[ 6] 王嘉力, 高晓辉, 姜力, 等. 基于 MEMS的力传感器薄膜应变计加工工艺 [ J]. 微细加工技术, 2006 , 1: 52- 55.

[ 7] 徐科军, 朱志能,李成, 等. 六维腕力传感器阶跃响应的实验建模 [ J]. 机器人, 2000 , 22( 4): 251- 255 .

[ 8] 杨磊, 高晓辉, 姜力, 等. 微型五维指尖力 /力矩传感器动态实验建模 [ J]. 高技术通讯, 2004 , 14( 3): 79- 82 .

 

 

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