电力电缆局放电磁耦合高频传感器的研制
六维力传感器
于硅电容传感器的机器人Stewart机构六维力传感器 1.研究目标 机器人技术研究的一个主要目的就是使其能够代替人的劳动，能够自如地完成交给它的工作。要达到此目的机器人就必须具备判断周围环境的感知能力，一旦机器人具有了感知功能，它便可以与周围环境进行交互，完成复杂的工作，真正实现其智能化，可以根据不同的环境、不同的处理对象等周边条件，相应调整自己的动作。而力觉传感器便是机器人能够实现智能化的关键，其功能在于感知机器人手指、肢体、关节等在工作和运动中所承受的广义力(六维力与力矩)，借以决定自身的运动方式，或者用此广义力信息推测对象的重量等等。本项目旨在研究基于敏感廉价的硅电容传感器作为机器人力觉传感器得核心机构以替代传压片式力觉传感器，提高传感器的精度、降低成本、减小传感器尺寸进而达到便于广泛应用的目的。 1.1提高精度 传统压片式力觉传感器由于受到金属材质的限制，使得传感器灵敏度不好，很多情况下很难达到预期目标，而采用硅电容传感器的力觉传感器由于硅电容传感器本身较为敏感，可以显著改善力觉传感器的灵敏度，达到更为准确的测量精度。 1.2降低成本 传统的机器人力觉传感器因为材料限制加工难度较大，生产工序繁琐从而生产成本较高，这是机器人力觉传感器价格较高的一个重要因素，而本课题所采用的硅电容传感器因为应用方式比较灵活，从而可以达到降低成本的目的，为力觉传感器的广泛应用打下良好的基础。
1.3减小体积 传统的机器人力觉传感器因为受到材料限制和机构限制加工难度较大，从而体积大小受到限制相对较大，而本课题所研究的硅电容传感器本身体积较小，直径不到1cm，从而很大程度上可以减小力觉传感器整体的体积，从而使力觉传感器拥有较大的应用空间。 2.研究内容 2.1 硅电容传感器的研发 为得到与机器人工作所使用的力所良好配合的量程和较小的传感器体积，采用MEMS技术专门针对此课题研发了一款体积较小，量程合适的硅电容传感器。 2.2 六维Stewart机构力觉传感器的机械结构设计 因为与原有的Stewart机构力觉传感器材料的不同，为了达到预期的目标，较好的发挥硅电容传感器的优势，就需要改变现有的Stewart机构，专门为硅电容传感器设计能最大发挥其优势的专门Stewart机构。 2.3 研究压强与力的对应关系 因为硅电容传感器所测量的是间接地压强量而不是直接的力分量，所以需要通过一系列数学公式推导及转化将两者的一一对应关系建立起来。 2.4多传感器的数据融合 因为Stewart机构的结构要求需要在力觉传感器上装上多个硅电容传感器，而能否较好的处理各个传感器所检测到的变化成了重中之重，所以对多传感器的数据融合提出了较高的要求。 2.5数据采集系统 为了能够大批量的生产力觉传感器，提高生产效率，降低生产成
六维力传感器专利技术综述
摘要：六维力传感器在自动化工厂中是最重要的传感器之一，能够检查空间任意力系中的三维正交力及三维正交力矩，具有测力信息丰富、测量精度高等特点，主要应用在力及力-位控制场合。本文针对六维力传感器技术在国内的专利申请进行了针对性检索，基于检索获得的专利文献，对历年申请量变化趋势、申请人的国家/地区分布、主要申请人情况进行了分析，希望对国内相关高校企业的产品研发和专利布局提供帮助。 关键词：六维；六分量；力；力矩；传感器；专利 一、概述 传感与测量是控制系统的重要组成部分。多维力传感器中应用最广泛的为六维力传感器。广义六维力传感器能够检查空间任意力系中的三维正交力（fx、fy、fz）及三维正交力矩（mx、my、mz），由于其测力信息丰富、测量精度高等特点，主要应用在力及力-位控制场合，如机器人末端执行器，汽车行驶过程轮力检测，轮廓跟踪，精密装配，双手协调等，尤其在航空机器人，宇宙空间站对接仿真等场合发挥了极其重要的作用。目前，国内外关于六维力传感器研究最主要的应用是在机器人技术上，它是机器人高质量控制和智能化不可缺少的重要传感元件。 二、六维力传感器的国内外研究现状 国际上对六维力传感器获取的研究是从上世纪七十年代初期开始的，美国、日本等极少数国家率先研发出多维力传感器，价格十分昂贵。目前，六维力传感器生产厂家主要有美国的 amti、ati、jr3、lord 等，瑞士的 kriste，德国的 schunk、hbm 等公司。 各种测力机理的出现为广义六维力传感器的设计提供了理论基础。按采用的敏感原件可将六维力传感器分为：应变式（金属箔式和半导体式）、压电式（石英、压电复合材料等）、光纤应变式、厚膜陶瓷式、mems（压电和应变）式等。早在 1974 年，瑞士洛桑联邦工学院科学家g. piller 就对六维力传感器的可行性进行了验证和分析，并设计了以电阻应变片为敏感元件的六维力/力矩传感器。意大利的giovanni giovinazzo和piergiorgio varrone 于 1980 年提出一种电容式的六维力/力矩传感器。加拿大的a.bazergui教授设计了一种压电式六维力传感器；而东京工业大学机械系研制了一种光学六维力传感器。 我国对六维力传感器的研究是在上世纪八十年代初期开始的，中科院合肥智能机械研究所于1987 年研制出我国第一台六维腕力传感器，之后陆续有哈尔滨工业大学、华中理工大学、东南大学等单位研制出多种规格的多维力/力矩传感器，展现了我国多维力/力矩信息获取研究领域的蓬勃发展态势。目前在六维力传感器研究较多的院校有燕山大学、哈工大，大连理工等。 十字梁型结构是目前六维力传感器采用最多的一种形式，如美国斯坦福大学人工智能研究所研制的scheinman腕力传感器，中科院合肥智能机械研究所的safms型系列六维力/力矩腕力传感器 robot technology inc. load 等公司的相应六维力/力矩腕力传感器。这种结构的弹性体对称性好，易于加工，维间耦合小，但动态响应慢，需过载保护。 近年来，并联机构被广泛的研究，其相应成果被应用到机器人技术相关领域， 国际上除了对多维力/力矩传感器的研究热点除了在检测原理和方法创新、新型弹性体结构设计外，人们更关注的是多维力/力矩传感器的应用问题，如现代工业机器人怎么样能够充分利用多维力/力矩传感器以及其它感知系统来完成对各种环境下的更多更复杂的机器人作业，使工作更加精确、生产效率更高、成本更低。如将多维力/力矩传感器利用到工业机器人自动装配生产线，结合更实时更有效的算法，使智能工业机器人能够更好的进行精密柔性机械装配、轮廓跟踪等作业。 三、六维力传感器的测力原理及特点 3.1 电阻应变式六维力传感器
六维力传感器静态标定系统软件设计
?988? 计算机测量与控制.2003.11(12) Computer Measurement &Control 软件天地 收稿日期:2003-02-22。 基金项目:国家863高技术研究发展计划资助项目(863-512-9804-02) 作者简介:张晓辉(1973-)女,黑龙江省人,博士生,主要从事六 维力传感器、虚拟现实技术在机器人中的应用等方面的研究。 文章编号:1671-4598(2003)12-0988-02 中图分类号:T P 24 文献标识码:B 六维力传感器静态标定系统软件设计 张晓辉 (燕山大学电气工程学院,河北秦皇岛 066004) 摘要:介绍了新型Stewart 并联结构六维力传感器的静态标定系统组成及标定步骤,重点进行了静态标定软件的设计。以机器人手指用六维力传感器为例进行了实验,对实验结果的分析表明了该软件的正确性及实用性。 关键词:六维力传感器;静态标定系统;标定软件 Design of Static Calibration Softwarefor of Six -dimension Force Sensor ZHANG Xiao -hui (T he Co lleg e of A utoma tio n Eng ineering ,Y ansha n U niver sity ,Q inhuang dao 066004,China ) Abstract :T he sta tic calibr atio n system constitutio n and calibrat ion pr o cess of six -dimensio n fo rce senso r based on Stew -art para llel str uct ur e ar e inlr oduced.T he design of static calibrat ion softw ar e is pr esented.T he ex per imental resear ch on six -dimension fo rce senso r in r obot fing er is pro vided as an ex ample .T he r esult show s that the desig n o f so ftw ar e is accurate . Key words :six -dimension fo rce senso r ;stat ic ca libr atio n sy stem;calibr ation softw ar e 1 引言 力传感器的作用是测量机器人的终端执行器与外界环境接触时受力的大小,六维力传感器可以测量笛卡儿坐标系中 沿坐标轴的三个力分量和绕坐标轴的三个力矩分量。由于设计原理和制造加工误差,以及六维力传感器本身力敏元件结构的复杂性等因素的影响,使得传感器的实际静态特性和理论计算值之间存在一定的误差,因此为获得传感器真实的静态特性,通常采用实验的方法来进行标定,其标定精度将直接影响传感器使用时的测量精度[1,2]。此文是针对基于Stew ar t 并联结构的新型六维力传感器[3] 而进行的静态标定系统及标定软件的设计。 图1 六维力传感器静态标定系统 2 静态标定系统结构及标定过程规划 六维力传感器静态标定系统的整体结构如图1所示,主要包括静态标定台、六维力传感器、测量电路及信号放大装置、数据采集卡、计算机以及标定软件等几部分。在进行标定工作时,传感器的下平台与标定台的底座相连,传感器的上平台与加载帽固连,标定过程中采用拉力方式,对六维力传感器施加某个方向上的力或力矩。六维力传感器上6个连杆的应变值通过每个连杆上的测量电桥线性反应出来,这些微弱的电压信号经过放大电路变为可采样的大量 程电压值,经AD 采样后输入计算机,由标定软件滤波处理、保存,并求取标定矩阵。 该研究中的静态标定部分采用加载点大于6且各个力分量分别加载的方法,以获得最准确的标定矩阵,具体步骤如下: (1)将传感器各个力分量按其满量程分为等间隔的点;(2)每个力分量的加载过程按照由小到大顺序逐渐一点一点地实施,并由计算机记录下每个加载点的传感器输出电压和加载力数据; (3)当某个力分量加载到最大值后,再按由大到小的顺序逐渐减下来,同时由计算机记录数据; (4)按(2)、(3)两步的方法,取每个力分量的反方向再加载一遍; (5)按(2)、(3)、(4)三步的方法,将力传感器的6个分量加载过程全部完成; (6)检查记录数据是否有误,计算标定矩阵;(7)分析传感器系统的精度指标。 实现上述标定过程的工作流程如图2所示。由上面对标定过程的分析可知,在整个标定系统中,标定软件应该完成记录、计算、分析等功能,是标定系统中重要组成部分。 3 静态标定软件设计 为实现上述标定任务和步骤的要求,设计了六维力 传感器标定软件。软件包括三大部分,第一部分实现标定过程的数据曲线显示、滤波和自动记录,称为数据记录模块;第二部分利用标定过程中记录的数据进行标定矩阵的最小二乘计算和精度计算,称为标定计算模块;第三部分实现传感器的实时测量,主要功能是完成标定