力覺傳感器課件

力覺傳感器力覺傳感器力覺傳感器機(jī)器人（Robot）是由計算機(jī)控制的復(fù)雜機(jī)器，它具有類似人的肢體及感官功能；為了檢測作業(yè)對象及環(huán)境或機(jī)器人與它們的關(guān)系，在機(jī)器人上安裝了視覺傳感器、力覺傳感器、接近覺傳感器、超聲波傳感器、聽覺傳感器等，大大改善了機(jī)器人工作狀況，使其能夠更充分地完成復(fù)雜的工作。力覺是指對機(jī)器人的手臂、手腕、手指和底座等部件在運(yùn)動過程中所受力的感知。力傳感器是一種能將各種力與力矩信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出，用來檢測設(shè)備內(nèi)部力或與外界環(huán)境相互作用力的裝置。根據(jù)所測力的維數(shù)不同，又可分為單維和多維力傳感器。力覺傳感器機(jī)器人（Robot）是由計算機(jī)控制的復(fù)雜機(jī)器，它具力覺傳感器

電阻應(yīng)變片利用了金屬絲拉伸時電阻變大的現(xiàn)象，它被貼在加力的方向上。電阻應(yīng)變片用導(dǎo)線接到外部電路上可測定輸出電壓，得出電阻值的變化。

在不加力的狀態(tài)下，電橋上的四個電阻是同樣的電阻值R。假若應(yīng)變片被拉伸，電阻應(yīng)變片的電阻增加△R。電路上各部分的電流和電壓如圖27.5-18b所示，它們之間存在下面的關(guān)系:如果已知力和電阻值的變化關(guān)系，就可以測出力。檢測內(nèi)容：機(jī)器人有關(guān)部件（如手指）所受外力及轉(zhuǎn)矩應(yīng)用目的：控制手腕移動，伺服控制，正解完成作業(yè)傳感器件：應(yīng)變片、導(dǎo)電橡膠力覺傳感器

電阻應(yīng)變片利用了金屬絲拉伸時電單維力傳感器馭動軸B通過裝有應(yīng)變片A的腕部與手部c連接。當(dāng)驅(qū)動軸回轉(zhuǎn)并帶動手部擰緊螺釘D時，手部所受力矩的大小通過應(yīng)變片電壓的輸出測得。傳動軸的兩端安裝上磁分度圓盤A，分別用磁頭B檢測兩回盤之間的轉(zhuǎn)角差，用轉(zhuǎn)角差和負(fù)載M之間的比例，可測量出負(fù)載力矩的大小。有觸點(diǎn)力矩檢測無觸點(diǎn)力矩檢測單維力傳感器馭動軸B通過裝有應(yīng)變片A的腕部與手部c連接。當(dāng)驅(qū)三維力傳感器三維力傳感器能同時檢測三維空間的三個力/力矩信息，通過它控制系統(tǒng)不但能檢測和控制機(jī)器人手抓取物體的握力，而且還可以檢測抓物體的重量，以及在抓取操作過程中是否有滑動、振動等。三維力傳感器有側(cè)裝和頂裝式兩種，側(cè)裝式三維力指力傳感器一般用于二指的機(jī)器人夾持器，頂裝式三維指力傳感器一般用于機(jī)器人多指靈巧手。三維力傳感器三維力傳感器能同時檢測三維空間的三個力/力矩信息六維力傳感器六維力傳感器是力傳感器中一種新發(fā)展起來的傳感器，80年代初，美國斯坦福研究所設(shè)計了用于風(fēng)洞測試的筒形六維力傳感器（如圖）。該傳感器具有良好的線形、重復(fù)性和較好的滯后性，并且對溫度有補(bǔ)償性；但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易加工，而且剛度較低。該類力傳感器不僅在機(jī)器人智能化領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，而且在航空、航天及機(jī)械加工、汽車、軍事、電子、計算機(jī)工業(yè)等領(lǐng)域也有重要的應(yīng)用價值。六維力傳感器能同時檢測三維空間的全力信息，即三個力分量和三個力矩分量。并同時轉(zhuǎn)換多維力/力矩信號為電信號，可用于監(jiān)測方向和大小不斷變化的力與力矩和測量加速度或慣性力以及檢測接觸力的大小和作用點(diǎn)。六維力傳感器六維力傳感器是力傳感器中一種新發(fā)展起來的傳感器，六維力傳感器——用于微創(chuàng)手術(shù)的六維力和力矩傳感器

左圖所示的圓管狀結(jié)構(gòu)是一種實(shí)驗(yàn)中的常用結(jié)構(gòu)，甚至可以將器械軸直接用作傳感器的彈性體，然而該結(jié)構(gòu)在軸線和扭轉(zhuǎn)方向的靈敏度太低，不能滿足六維力傳感器的設(shè)計要求。

然而，Stewart平臺結(jié)構(gòu)卻擁有高剛度、可量測性、適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)狀外形等優(yōu)勢，而且只需要線性力變換器無需剪切力變換器。所有的力變換器貼在六邊形的橫斷面上，其縱向大致與傳感器的軸線方向相一致。微型力傳感器系統(tǒng)示意圖六維力傳感器——用于微創(chuàng)手術(shù)的六維力和力矩傳感器六維力傳感器——用于微創(chuàng)手術(shù)的六維力和力矩傳感器Stewart平臺結(jié)構(gòu)包括一組裝有六個單軸雙向力變換器的網(wǎng)狀連桿組件，每一根連桿都通過球鉸獨(dú)立連接上下兩個平臺，這種網(wǎng)狀組件保證了結(jié)構(gòu)具有較高的剛度，并為結(jié)構(gòu)在坐標(biāo)軸的三個方向提供了不同的承載能力。六個力變換器的布置如圖(a)所示，兩個圓周上的點(diǎn)1’2’3’4’5’6’和1”2”3”4”5”6”是球鉸的中心與六根連桿分別將位于平面Σ’和Σ”內(nèi)的上下兩個圓盤連接起來，軸線O’O”連接兩個圓周的中心。相鄰兩根連桿相交于一點(diǎn)即1≡2，3≡4，5≡6，平面Σ與平面Σ’平行而且三個交點(diǎn)都在平面Σ上，點(diǎn)O為軸線O’O”與平面Σ的交點(diǎn)。每根連桿與平面Σ”的夾角均為α，連桿3和連桿4在平面Σ”上投影之間的夾角為2β，角4”O(jiān)”3”表示為2σ，L為每根連桿的長度，R為圓O”的半徑，r為圓O’的半徑，a為圓O的半徑。坐標(biāo)Oxyz位于Stewart結(jié)構(gòu)的上平臺上，原點(diǎn)為O，平面Oxy與平面Σ重合，Z軸與軸線O’O”重合，如圖2(b)所示。六維力傳感器——用于微創(chuàng)手術(shù)的六維力和力矩傳感器六維力傳感器——用于微創(chuàng)手術(shù)的六維力和力矩傳感器

將12枚應(yīng)變片(KyowaKFG系列)分別粘貼在彈性體六根連桿的正面和背面來檢測傳感器受力時產(chǎn)生的應(yīng)變，兩片應(yīng)變片和兩個500Ω的精密電阻組成一個惠斯通半橋，供橋電壓為3.3V。采用半橋的工作方式，每對應(yīng)變片互為補(bǔ)償，不僅可以有效地抑制溫度漂移等噪聲信號，還可以使輸出電壓提高一倍，提高傳感器的靈敏度。半橋輸出的電壓信號很微弱，不能直接傳送至PC上位機(jī)進(jìn)行分析和處理，需要經(jīng)過放大、濾波、采樣等環(huán)節(jié)。電橋的輸出電壓接入一個差分放大電路，如圖a所示，包括三個低噪聲雙極性運(yùn)算放大器(OP07)以及相應(yīng)的反饋電阻和補(bǔ)償電容，然后輸出信號經(jīng)過一個截止頻率為1kHZ的低通濾波器。

隨后輸出電壓通過一個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD1674)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由RS-232串口以172800bit/s的傳輸速率采集到個人計算機(jī)中，由用戶自行編制的LabVIEW程序進(jìn)行力信號的處理和評估。所設(shè)計信號采集系統(tǒng)的采樣頻率約為1440HZ，遠(yuǎn)高于人手力感知的帶寬(人手力感知的瞬態(tài)精度為320HZ)，采樣之后的數(shù)字信號完整地保留了人手所能感知力信號中的所有信息。

a)原理樣機(jī)部分電路圖六維力傳感器——用于微創(chuàng)手術(shù)的六維力和力矩傳感器六維力傳感器——用于微創(chuàng)手術(shù)的六維力和力矩傳感器b)微型六維力傳感器裝配圖b圖給出了傳感器的組裝情況，包括六對應(yīng)變片，一個Stewart平臺結(jié)構(gòu)的彈性體，六對應(yīng)變片粘貼在彈性體六根連桿的前面和背面。彈性體的底端與手術(shù)器械軸由一個連接件通過緊配合連接起來，頂端也由一個同樣的連接件通過緊配合與圓柱軸套和末端滾子連接在一起。傳感器末端裝上一個球形滾子之后，就完成了微型力傳感器與手術(shù)器械的集成，可以在微創(chuàng)手術(shù)環(huán)境中有效地開展連續(xù)的觸診定位操作。六維力傳感器——用于微創(chuàng)手術(shù)的六維力和力矩傳感器b)力覺傳感器——市面產(chǎn)品美國ATI六維力傳感器