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1、力觉传感器,力觉传感器,机器人（Robot）是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能；为了检测作业对象及环境或机器人与它们的关系，在机器人上安装了视觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、超声波传感器、听觉传感器等，大大改善了机器人工作状况，使其能够更充分地完成复杂的工作。力觉是指对机器人的手臂、手腕、手指和底座等部件在运动过程中所受力的感知。力传感器是一种能将各种力与力矩信息转换成电信号输出，用来检测设备内部力或与外界 环境相互作用力的装置。根据所测力的维数不同，又可分为单维和多维力传感器。,力觉传感器,电阻应变片利用了金属丝拉伸时电阻变大的现象，它被贴在加力的方向上。电阻应变片用
2、导线接到外部电路上可测定输出电压，得出电阻值的变化。,在不加力的状态下，电桥上的四个电阻是同样的电阻值R。假若应变片被拉伸，电阻应变片的电阻增加R。电路上各部分的电流和电压如图27. 5-18b所示，它们之间存在下面的关系:,如果已知力和电阻值的变化关系，就可以测出力。,检测内容：机器人有关部件（如手指）所受外力及转矩应用目的：控制手腕移动，伺服控制，正解完成作业传感器件：应变片、导电橡胶,单维力传感器,驭动轴B通过装有应变片A的腕部与手部c连接。当驱动轴回转并带动手部拧紧螺钉D时，手部所受力矩的大小通过应变片电压的输出测得。,传动轴的两端安装上磁分度圆盘A，分别用磁头B检测两回盘之间的转角差
3、，用转角差和负载M之间的比例，可测量出负载力矩的大小。,有触点力矩检测,无触点力矩检测,三维力传感器,三维力传感器能同时检测三维空间的三个力/力矩信息，通过它控制系统不但能检测和控制机器人手抓取物体的握力，而且还可以检测抓物体的重量，以及在抓取操作过程中是否有滑动、振动等。,三维力传感器有侧装和顶装式两种，侧装式三维力指力传感器一般用于二指的机器人夹持器，顶装式三维指力传感器一般用于机器人多指灵巧手。,六维力传感器,六维力传感器是力传感器中一种新发展起来的传感器，80年代初，美国斯坦福研究所设计了用于风洞测试的筒形六维力传感器（如图）。该传感器具有良好的线形、重复性和较好的滞后性，并且对温度有
4、补偿性；但其结构复杂不易加工，而且刚度较低。该类力传感器不仅在机器人智能化领域有广泛的应用，而且在航空、航天及机械加工、汽车、军事、电子、计算机工业等领域也有重要的应用价值。六维力传感器能同时检测三维空间的全力信息，即三个力分量和三个力矩分量。并同时转换多维力/力矩信号为电信号，可用于监测方向和大小不断变化的力与力矩和测量加速度或惯性力以及检测接触力的大小和作用点。,六维力传感器用于微创手术的六维力和 力矩传感器,左图所示的圆管状结构是一种实验中的常用结构，甚至可以将器械轴直接用作传感器的 弹性体，然而该结构在轴线和扭转方向的灵敏度太低，不能满足六维力传感器的设计要求。 然而，Stewart
5、平台结构却拥有高刚度、可量测性、适应性强、环状外形等优势，而且只需要线性 力变换器无需剪切力变换器。所有的力变换器贴在六边形的横断面上，其纵向大致与传感器的轴线方向相一致。,六维力传感器用于微创手术的六维力和 力矩传感器,Stewart 平台结构包括一组装有六个单轴双向力变换器的网状连杆组件，每一根连杆都 通过球铰独立连接上下两个平台，这种网状组件保证了结构具有较高的刚度，并为结构在坐 标轴的三个方向提供了不同的承载能力。六个力变换器的布置如图 (a)所示，两个圆周上的 点 123456和 1”2”3”4”5”6”是球铰的中心与六根连杆分别将位于平面 和 ”内的上下两 个圆盘连接起来，轴线 O
6、O”连接两个圆周的中心。相邻两根连杆相交于一点即 12，34， 56，平面 与平面 平行而且三个交点都在平面 上，点 O 为轴线 OO”与平面 的交点。 每根连杆与平面 ”的夹角均为 ，连杆 3 和连杆 4 在平面 ”上投影之间的夹角为 2， 角 4”O”3”表示为 2，L 为每根连杆的长度，R 为圆 O”的半径，r 为圆 O的半径，a 为圆 O 的半径。坐标 Oxyz 位于 Stewart 结构的上平台上，原点为 O，平面 Oxy 与平面 重合，Z 轴与轴线 OO”重合，如图 2(b)所示。,六维力传感器用于微创手术的六维力和 力矩传感器,将 12 枚应变片(Kyowa KFG 系列)分别粘
7、贴在弹性体六根连杆的正面和背面来检测传感 器受力时产生的应变，两片应变片和两个 500 的精密电阻组成一个惠斯通半桥，供桥电压 为 3.3 V。采用半桥的工作方式，每对应变片互为补偿，不仅可以有效地抑制温度漂移等噪 声信号，还可以使输出电压提高一倍，提高传感器的灵敏度。半桥输出的电压信号很微弱， 不能直接传送至 PC 上位机进行分析和处理，需要经过放大、滤波、采样等环节。电桥的输出电压接入一个差分放大电路，如图a所示，包括三个低噪声双极性运算放大器(OP07)以及 相应的反馈电阻和补偿电容，然后输出信号经过一个截止频率为 1 kHZ 的低通滤波器。 随后输出电压通过一个 12 位模数转换器(A
8、D 1674)转换为数字信号，由 RS-232 串口以 172800 bit/s 的传输速率采集到个人计算机中，由用户自行编制的 LabVIEW 程序进行力信号 的处理和评估。所设计信号采集系统的采样频率约为 1440 HZ，远高于人手力感知的带宽(人手力感知的瞬态精度为 320 HZ)，采样之后的数字信号完整地保留了人手所能感知力信号中 的所有信息。,a) 原理样机部分电路图,六维力传感器用于微创手术的六维力和 力矩传感器,b) 微型六维力传感器装配图,b图给出了传感器的组装情况，包括六对应变片，一个 Stewart 平台结构的弹性体，六 对应变片粘贴在弹性体六根连杆的前面和背面。弹性体的底端与手术器械轴由一个连接件通 过紧配合连接起来，顶端也由一个同样的连接件通过紧配合与圆柱轴套和末端滚子连接在一 起。传感器末端装上一个球形滚子之后，就完成了微型力传感器与手术器械的集成，可以在 微创手术环境中有效地开展连续的触诊定位操作。,力觉传感器市面产品,美国ATI六维力传感器 mini17,日本信号的“超小型6轴力觉传感器”,精工爱普生推出力觉传感器，可检测0.1N的力,Kistler六维力传感器,MC1A MCA成都昊普特科技有限公司 紧凑型防水六维力传感器,谢谢大家！,
