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1  引言 ( Introduction)

六維力 /力矩傳感器是機器人靈巧手的關鍵部件. 為了穩(wěn)定抓取, 需要同時測量指尖三維力 F x 、 F y 、F z , 和三維力矩 M x 、 M y 、 M z . 目前有一些商業(yè)化銷售的產品, 并具有如下特點: ( 1)彈性體為十字梁、 Ste -wart 結構或其他空間結構; ( 2)需要多片應變計組成測量電橋; ( 3)傳感器信號處理電路通常與傳感器分離.

H I T /DLR靈巧手是一個多傳感器集成的系統(tǒng),要求實現各傳感器信號的本地數字化[ 1] . 對于每個手指的指尖六維力傳感器, 要求直接輸出力解耦信號, 以減少手指和手掌處理器的運算量. 這樣就要求對六維力傳感器進行微型化和集成化. 由于上述各種形式的六維力彈性體的結構復雜, 且通常由多片應變計組成測量電橋, 因此不利于進行微型化. 因而需要采用一種結構簡單的彈性體并減少應變計數量, 以減少引出導線數量, 從而提高傳感器的可靠性.

多維力傳感器發(fā)展了幾十年, 基于應變電阻式測量原理并且適用于不同場合的彈性體先后出現了很多種[ 2~ 5] . 由于機械加工上的困難及應變計尺寸的限制, 適于微型化集成化的彈性體并不多. 特別是,由于測量六維力, 從力的解耦角度看, 至少需要六路電橋信號和數目眾多的應變計. 這就使其微型化成為一個主要難點.

本文提出一種集成式電阻應變計, 該應變計只需在特定直徑的薄壁圓筒型力傳感器彈性體的表面進行一次粘貼, 即可組成測量六維力的力敏感彈性元件. 并且, 采用微型儀表放大器和 DSP芯片, 運用剛柔結合 PCB將電路全部集成到傳感器內部, 實現力傳感器的微型化、 機電集成及本地數字化, 并為力傳感器的智能化奠定了基礎.

2  集成式應變計 ( Integrated strain gauge)

2 . 1  彈性體形式的確定

通常的力傳感器彈性體為空間結構, 其彈性敏感區(qū)位于空間多個平面的不同區(qū)域. 所以, 需要粘貼多片應變計在這些區(qū)域中, 并組成電橋測量. 這勢必造成應變計的粘貼困難, 工作量大, 粘貼位置精度及引線焊接可靠性難以保證等一系列問題. 同時, 由于通常的力傳感器彈性體采用商業(yè)化銷售的電阻應變計, 即使是最小敏感柵基長的電阻應變計, 由于其整體尺寸較大, 也不能滿足力傳感器微型化的要求. 因此, 對于微型多維力傳感器, 需要從彈性體設計和電阻應變計設計的開始便考慮實現微型化和集成化的要求. 我們曾設計一種全平面的六維力傳感器彈性體, 并通過磁控濺射的方式在鋁合金彈性體的表面制作鎳鉻合金電阻應變計. 但是, 這種 MEMS方法工藝復雜, 成本太大, 并且只適用于全平面的彈性體形式[ 6] . 同時, 在傳感器的徑向尺寸上很難再進一步減小.

針對上述各種問題, 為實現六維力的微型化, 新設計傳感器的彈性體采用薄壁圓筒型結構. 由于圓筒型的彈性體幾何結構簡單, 易于加工, 各部分的加工精度容易保證, 適于實現傳感器的微型化和提高測力精度. 同時, 這種結構的彈性體更適于微型化,使其整體尺寸進一步減小, 以最終實現仿人手指尖尺寸的目標.

在計算了傳感器受載時的應變輸出、 負載能力和信號調理放大電路的放大倍數之后, 調整彈性體的尺寸參數. 同時, 利用有限元方法對圓柱形彈性體的外徑D、 高度H 及壁厚 D 進行了仿真優(yōu)化計算, 確定尺寸. 設計量程為: F x 、 F y 為 30 N; F z 為 70 N; M x 、M y 為 300N· mm; M z 為 200 N· mm. 彈性體尺寸最終確定為: H = 6 mm, D = 4mm, δ= 0.3 mm.

2 . 2  集成式應變計的設計與制作

集成式電阻應變計的設計制作流程為: 原理設計 ) 圖形設計 ) 刻圖制版) 應變計加工制作 (包括應變計加工、 調阻、 密封、 檢測等 ).

由文 [ 3, 4], 確定傳感器的測量電橋由六路半橋組成. 為此, 設計并制作了一種集成式電阻應變計,該應變計將六組敏感柵集成在一片應變計上.敏感柵的柵絲走向為二軸二柵90° 與二軸二柵 45° 等距交替排列, 組成如圖 1所示的結構形式.
 
同時, 此種應變計在上下方預留連接端子, 以便將各敏感柵組成的電橋就近連接起來. 將電橋間共用的信號線連在一起, 如共用的電源與地, 減少了引線的數量, 提高了應變計引線的焊接可靠性. 應變計的整體尺寸使得其可以圍繞粘貼在特定直徑的圓柱形彈性體表面上剛好一周, 減少了粘貼數量, 同時,保證了敏感柵粘貼后的方向準確性.

應變計的基底材料采用聚酰亞胺, 具有很好的耐溫性能、 介電性能和柔性, 并被廣泛用于柔性電路的基底制作材料. 應變敏感柵采用鎳鉻改良型 (卡瑪 )合金箔, 具有較高的電阻率 ( 125μΩ· cm), 適于制作成小基長的應變計. 同時, 鎳鉻改良型合金具有較小的電阻溫度系數, 并具有彈性模量自補償性能,有利于提高傳感器的長期穩(wěn)定性. 為在粘貼過程中起到保護應變絲柵的作用, 在應變計制作后加保護膠覆蓋層密封, 并在粘貼時采用特殊設計的夾具. 制作后的應變計的單個敏感柵阻值為 375 Ω, 電阻標稱值偏差不大于±0. 5 %, 柵間電阻誤差不大于±0. 1 % ,滿足力傳感器要求.

應變計的敏感柵相對于彈性體的應變區(qū)域較大, 在計算時不能簡化為點. 每個應變敏感柵測量的是應變梯度在一個區(qū)域中的整體分布情況. 為反映傳感器的實際測量效果, 本文對傳感器的測量進行了標定.

3  信號調理及測量電路的設計與集成 (De -sign and integration of the signal cond- itioning andmeasurement circuit)

傳感器的輸出電壓很小并且伴隨著一定的噪聲, 因此, 必須有一個高輸入阻抗、 高共模抑制比、 高信噪比、 高放大倍數、 低失調和低溫度漂移的信號調理電路. 為了避免長線傳輸產生噪聲, 將電路板放置在傳感器就近的本體中, 選用高性能的儀表放大器和微型封裝 DSP芯片來設計傳感器的信號調理電路和數字化輸出電路. 其中, 嵌入式的微型 DSP芯片提供了高性能的信號采集和串行數字輸出能力, 進一步提高了傳感器的抗干擾能力.

電路板采用剛柔結合 PCB, 并集成于傳感器內部, 如圖 2所示. 集成后的傳感器最終尺寸為: 直徑19mm, 高 18 mm.

4  傳感器靜 /動態(tài)標定與討論 ( Static/dy -nam ic calibration of the sensor and dis -cussion)

4 . 1  傳感器靜態(tài)解耦與性能指標

對傳感器分別施加獨立的力分量來獲得標定數據. 采用圓周加載的方式時, 所加載荷的 X 向分量和Y向分量呈正弦規(guī)律變化. 標定過程中沿圓周施加一定質量的砝碼并記錄各路電壓輸出, 。

基于最小二乘理論, 標定矩陣 C的最小二乘解為:

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

式中: F是標定力向量組成的標定力矩陣; U是傳感器的輸出矩陣.

根據多次加載實驗獲得了傳感器的標定矩陣 C.
 
為考察傳感器的靜態(tài)解耦效果和性能指標, 得到靜態(tài)標定矩陣后, 依次加載獨立的力分量, 并覆蓋該力分量的全量程, 然后利用 F= C·U計算每次加載的測量力. 并計算傳感器在滿量程下的線性度、 遲滯、 重復性等指標, 如表 1 . 從表 1中可以看出, F z 方向的量程明顯大于其它方向. 同時, 該方向的其它誤差指標也大于其它方向, 說明由于薄壁圓筒形結構的縱向剛度較大, 造成 F z 方向對負載不敏感, 引起該方向的測量精度波動, 其它方向的精度指標較好.
     

4 . 2  傳感器動態(tài)實驗建模與動態(tài)性能指標

本文采用各方向完全解耦的標定實驗臺和dSpace公司的 PowerPC處理器的 DS1103數據采集卡建立動態(tài)標定實驗系統(tǒng), 采用階躍響應法分析傳感器動態(tài)性能[ 7, 8] . 由于傳感器的體積質量很小, 實驗中為避免標定實驗臺各部分摩擦力產生的阻尼對傳感器輸出的影響, 采用充分潤滑的滑輪組和彈性很小的細銅絲懸掛砝碼.

將微型六維力傳感器簡單地等效為二階系統(tǒng),通過剪斷懸掛砝碼的銅絲來構造負階躍力 /力矩輸入信號, 測量傳感器的輸出. 采用系統(tǒng)辨識方法中的最小二乘法估計傳感器的模型參數 

由實驗可以得出以下結論: 由階躍信號構造輸入激勵信號建立微型六維力傳感器的動態(tài)模型, 效果很好; F z 方向響應頻率遠高于其他方向; 為提高傳感器的動態(tài)響應品質, 應對傳感器進行補償.

5  結論 (Conclusion)

本文設計并制作了一種集成式的微型六維力 /力矩傳感器. 提出了一種集成式應變計, 并且與特定的薄壁圓筒型彈性體組成六維力的敏感元件. 減少了粘貼工作量, 簡化了引線數量. 同時, 通過微型嵌入式的 DSP芯片實現了力傳感器的內部解耦、 數字溫度補償及全數字串行輸出, 實現了多維力傳感器的微型化、 集成化及智能化, 為機器人靈巧手提供了可靠的六維力信息.

參考文獻  (References)

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