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
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