多维力传感器研究的发展历史及国内外研究现状.doc

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1、多维力传感器研究的发展历史及国内外研究现状1 传感器的基本概念12 多维力传感器的发展历史及应用23 多维力传感器的国内外发展状况34 多维力传感器的分类31、电阻应变式多维力传感器32、电容式多维力传感器33、光学式多维力传感器44、压电式多维力传感器41 传感器的基本概念传感器是能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或设置。传感器是实现传感功能的基本部件。传感器技术的共性，就是利用物理定律和物质的物理、化学或生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）转换成电量（电压、电流、电容、电阻等）。由传感器的定义可知，传感器要完成两方面的功能：检测和转换。因此，传感器通常由敏感元件

2、和转换元件组成。敏感元件是传感器中能直接感受（或响应）被测信息（非电量）的元件（如传感器中的弹性元件）。转换元件则是指传感器中能将敏感元件的感受（或响应）信号转换为电信号的部分（如应变式传感器中的电阻应变片）。由以上分析可知，传感器一般由敏感元件和转换元件组成。但这种组成的传感器通常输出信号较弱，还需要信号调节与转换电路（或称信号调理电路）将输出信号进行放大并转换为容易传输、处理、记录和显示的形式。信号调理电路的作用主要可从两方面来解释：一是把来自传感器的信号进行转移和放大，使其更适合于作进一步处理和传输，多种情况下是将各种电信号转换成电压、电流等少数几种便于测量的电信号；二是进行信号处理，即

3、对经过调理的信号，进行滤波、调制和解调、衰减、运算、数字化处理等。常见的信号调节和转换电路有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等。另外，传感器元件和信号调节与转换电路还需要辅助电源。传感器的典型组成如图1所示弱信号基本部分输出被测量信号调节与转换电路转换元件敏感元件辅助电源 图1 传感器的组成2 多维力传感器的发展历史及应用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

4、、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矩信息的传感器。例如，六维力传感器最多可以同时感知三维坐标空间中的六维力和力矩信息：沿着坐标轴的三个力分量和绕坐标轴的三个力矩分量。自从20世纪70年代初开始研究具有智能的第二代机器人，人们就对多维力传感器进行了大量的研究，它是机器人高质量控制很重要的传感元件。理想的智能机器人是一个综合了人的特长和机器特长的一种拟人的综合系统，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，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

5、性、智能性、动作性、通用性、柔性、个体性以及在现实世界中的高度实时性。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。感知和行动的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件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

6、、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，军用机器人冲锋陷阵、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。多维力传感器在航空航天及机械加工、汽车等行业中有着广泛的应用，如风洞实验、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。3 多维力传感器的国内外发展状况早在七十年代初，瑞士联邦工学院就开始了多维力传感器方

7、面的研究，并设计了一种以电阻应变片为敏感元件的六维力传感器。随后，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2。美国的于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，但维间耦合严重，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腕力传感器，如图2。该传感器为横梁结构，作用于传感器的六维力与力矩主要通过梁的弯曲应变来获得，可同时兼顾纵向和横向的应变效果，结构对称、紧凑。平面横梁结构多

8、维力传感器的研究与应用意义重大，其结构设计在不断地完善和更新。图2 Scheinman 腕力传感器1981年林纯一等人在Scheinman六维腕力传感器的基础上采用整体轮辐式，并将十字交叉主梁和轮缘处设计成柔性环节，简化了弹性体受力计算。1982年英国人Robert设计了双轮辐式多维腕力传感器，其滞后小，精度高，但弹性体加工太复杂。1982年德国人Schott提出了双环形六维力传感器。该传感器具有各维力间耦合小的特点，但其刚度与灵敏度的矛盾较大，难以协调。1983年JR公司研制出了IR3多维腕力传感器，该传感器采用金属箔纸电阻应变片式的水平四梁结构。CCC(California Cyberne

9、tics Corporation)公司也生产敏感元件为光纤轮辐式的十字梁多维腕力传感器。Femandez研制出敏感元件为光栅的类似结构的多维腕力传感器。Hirose设计出利用光电原理测量应变的多维腕力传感器，该传感器的弹性体采用了六根水平横梁。1983年美国Stanford研究所设计了筒形的六维力传感器用于风洞测力实验。应变片分别贴在变形表面的两个对称表面上，每个变形元件上的应变片组成一个电路，传感器的八个变形元件分别对应于八组相应的电桥。该传感器具有线性度好、重复性高和较小的滞后性，并且对温度有补偿特性，但结构复杂不易制造，刚度低。由于并联结构具有对称性好和结构紧凑等优点，国内外有些学者提出

10、将并联结构作为六维力传感器的力敏元件结构。和于1983年首次提出基于Stewart平台的传感器。和研究了将Stewart传感器用于机器人装配手的力和力矩的测量，并给出基于Stewart平台的传感器的样机，如图3。Kerr也研制了Stewart平台的传感器样机。Dwarakanath设计了具有环形敏感元件的Stewart传感器。Charles C等和Chul-Goo Kang各自研究了Stewart平台的传感器并给出了样机。图3 Sorli 的六维力传感器1985年比利时的Brussel和以色列的Kroll同时研制出了一种四垂直筋结构的六维力传感器。该传感器结构简单，维间耦合小，理论分析方便，但

11、垂直方向灵敏度低。1986年DFVLR公司设计出了光电式六维力传感器和双十字交叉式六维力传感。1987年日本的Yoshikawaw和Uchiyama以及Bayo等人分析了Maltese十字结构六维力传感器，此结构的力传感器是目前应用较多的一种，该传感器设计方便，理论关系简单且易于分析，维间耦合小，具有较高的刚度，但由于结构过于复杂使得加工难度较大。1989年Hatamura研制了环形六维力传感器。90年代初Little研究了适合于手指用的小型圆柱形力传感器。1996年Kaneko提出了一种双头形六维力传感器。1999年台湾大学的Lu-Ping Chao和Ching-Yan Yin研究了一种新颖

12、的鞋状传感器。，提出了用于测量日常生活中人手受力的六维力传感器。台湾的、研究了新颖结构的六维力传感器。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。1990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，SAFMS的结构如图4所示，其性能达到九十年代初国际同类产品的先进水平。图4 SAFMS 型多维力传感器黄心汉等研制出了一种三梁非径向对称结构的六维腕力传感器，其结构如图5所示，该传感器在每根弹性梁的上下面和两个

13、侧面各贴有一对应变片，所以共有六对应变桥，弹性体受力后各路输出信号发生变化，对其解耦即可得到六维力和力矩。图5 三梁非径向对称结构的六维力传感器华中科技大学的熊有伦，北京大学的陈滨等都先后进行了Stewart平台的六维力传感器设计问题的研究。王洪瑞等研究了基于Stewart平台的六维力传感器各向同性的问题。参照国外的多维腕力传感器，燕山大学的金振林等研制出Stewart多维腕力传感器的弹性敏感元件，其特点是六个弹性体分为三组，每组两个分量分别沿三个相互垂直的方向布置，并且各级弹性体轴线构成的平面相互垂直。弹性体的相对两个侧面分别粘贴二个应变片组成六个应变电桥，当作用于平台上的被测外力使六个弹性

14、体产生微变时即可获得六路检测信号，从而实现六维力与力矩的测量。该六维并联结构的腕力/力矩传感器弹性敏感元件用弹性铰链替代球铰，一次加工成形，结构紧凑灵巧、工艺性好、精度高、灵敏度各向同性。燕山大学提出的采用弹性铰链取代实际球面副的设计思想使得Stewart并联结构的六维力传感器的微型化工作成为可能，为采用该结构设计制造适于机器人手腕和手指用的六维力传感器奠定了基础。崔维娜等研制了水下机器人中使用的六维腕力传感器，传感器的内部充满液压油，在水压补偿膜片的作用下利用液体的不可压缩性实现传感器内外的压力平衡，在传感器检测单元的圆筒壁上等间距地粘贴六组应变片作为六路全桥检测电路的半桥，当传感器在外力作

15、用下发生变形时，检测电桥将六组信号解耦后获得六维力和力矩，该传感器工作可靠，实时性好。2005年由长江学者刘宏教授领导的课题组研制成功“基于MEMS的微型六维力/力矩传感器”。该传感器采用全平面的微型弹性体结构，基于MEMS技术实现应变片的全自动粘贴和激光校正，采用表面贴装元件设计高性能的信号处理电路，基于微型化的数字信号处理器用于信号的采集、解耦和标准数字化输出，信号处理电路和微处理器电路全部放置在传感器的本体中。该传感器的直径为20mm，高度为，它可以检测作用在传感器上的三维力和三维力矩信息，具有微型化、集成化、智能化和数字化的特点。课题组成功地把微型六维力/力矩传感器用于HIT/DLR灵

16、巧手，并且进行了多种灵巧手操作实验。多维力传感器的研究有三十多年的历史，应用于机器人中作为一种重要的感知方式也有十余年的历史。但是作为一个仍在发展的研究对象，多维力传感器在机器人，特别是研制高性能多维力传感器和运用多维力传感器中还存在很多问题，也是研究新型多维力传感器的难点问题：第一、难以建立多维力传感器的解析模型。因为多维力传感器是一个比较复杂的结构，难以建立解析模型和取得理论解，对研制新结构和结构优化产生了很多困难。解出传感器的解析解，对彻底分析多维力传感器的各方面性能有重要的意义，并使得各种设计更有目的和方向性，而不再完全依赖设计人员的经验和灵感。第二、弹性体静动态性能研究。以前的研究大

17、多说都是集中在传感器的静态性能上，随着多维力传感器朝快速、轻量小型发展，对动态性能的研究显得越来越重要。在动态性能方面，近年来国内做了比较深入的研究，也取得了一些成果。要提高传感器的动态性能，就要提高多维力传感器的刚度，而提高刚度就意味着降低传感器的灵敏度，所以这是个矛盾。第三、当前的绝大多数多维力传感器都存在维间耦合问题。虽然有很多算法来对应力结果进行解耦和动态补偿，并且在低频信号时，得到了很好的效果，但这需要复杂的解耦及动态补偿技术，而且在信号频率较高时效果不好。多维力传感器不仅在各个维度上的静态特性不同，而且动态特性也有很大的差异，最明显的是在不同方向上的模态就不一样，所以附加的解耦输入

18、可能变成新的不同频率干扰。要彻底解决这个问题就要从根本结构上出发，研制新型的多维力传感器。第四、弹性体结构优化问题。为了提高多维力传感器的静态性能，就必须对弹性体进行结构优化。现在的弹性体结构设计都是根据设计人员的经验，所以针对结构体的优化问题还需要探讨。4 多维力传感器的分类多维力传感器按测力原理可分为电阻应变式、电容式、压电式、光学式和电感式等。1、电阻应变式多维力传感器这是目前应用最多最成熟的一种类型，它的基本原理是在外力作用下弹性体发生机械变形，粘贴在弹性体上的应变片产生相应应变引起其电阻值变化，再经过电桥将阻值的变化转换成电压或电流输出。电阻应变式传感器的主要特点是准确度高，非线性及

19、滞后误差小，蠕变小，并对传感器的零点平衡、零点温度影响、灵敏度温度影响以及输出灵敏度标准化都进行了全面的补偿。它的缺点是动态响应低，灵敏度与刚度往往相互制约。2、电容式多维力传感器电容式力敏传感器的核心部分是对压力敏感的电容器。力敏电容器的电容量是由电极面积和两个电极间的距离决定的，当硅膜片两边存在压力差时，硅膜片产生形变，极板间的间距发生变化，从而引起电容量的变化，电容变化量与压力差有关。它与电阻应变式传感器相比具有灵敏度高、温度稳定性好、测力量程大等特点。3、光学式多维力传感器通过光学传感器来测量微小变形，从而测出多维力和力矩。4、压电式多维力传感器压电式力敏传感器是另一种比较常用的测力装置，它的基本测力原理是在外部应力的作用下压电材料产生电荷，当外力变化时，压电材料表面的电荷随之变化带来输出电压信号的变化。压电传感器的主要特点是其有很高的固有频率(200kHz)，特别适合动态测量。与“位移型”测力仪不同，它的刚度和灵敏度相互不影响，因此能同时得到高灵敏度和高弹性系数(8000kgf/)的测力仪。但压电式传感器不适于测量长时间作用的静态力，传感器本身对环境湿度的要求也十分苛刻。压电式多维力传感器一般需要多组石英晶片分别检测多维力。石英晶片的合理布置是传感器设计的关键。克服传感器各向载荷间的相互干扰是提高压电传感器测量精度的有效途径。