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宋爱国等:用于触觉交互的多维力传感器:综述
第
4
节中的耦合误差和静态解耦方法。最后指出了多维力传感器的发展趋势和面临的挑战。
2多维力传感器的机械结构
各种多维力传感器的关键机械部件是弹性体,通常称为弹性梁,它通过变形来响应外部作用的
F/T
根据弹性梁的机械结构,多维力传感器的机械结构通常分为集成结构和
Stewart
并联结构。 一种集
成结构多维力传感器,包括圆柱形弹性梁结构、十字形弹性梁结构、非对称径向弹性梁结构和复合
弹性梁结构。表
1
给出了具有各种机械结构的六维
F/ T
传感器的主要特性的比较。对于六维
F / T
传感
器,其主要原理是通过应变片测量弹性梁的相关应变来测量三个方向的力和三个方向的力矩。
表
1
不同机械结构
机械结构
圆柱梁
横梁
非对称径向
梁组合梁
Stewart
平台
优点
承载能力大,抗冲击能力
对称性高,结构紧凑,刚性大,易于加工,柔性连接简
化了机械模型刚性大,易于设置坐标系
可实现无耦合测量。
刚性大,超稳定,承载能力
缺点
垂直方向灵敏度低,维度间耦合
维间耦合和径向效应
难以加工,存在非线性三维耦合
结构复杂,元件组合
;
受加工精度和装配精度
力和力矩的各向同性
典型
设计
[25
,
26]
[27
,
28]
[29
日
]
[30
个
]
[
三十一
]
6
自由度(
DOF
)
F/T
传感器的典型圆柱弹性梁结构如图
2
所示,它被称为美国
Draper
实验室开发的
Watson
力传感器
[24]
。它由三个垂直的薄梁组成,这些薄梁从圆柱体上铣成,并沿
120°
的圆周方向分
布。传感器的测量电路放置在空心圆柱体中。
F/T
传感器结构简单、灵敏度高,但维间耦合误差
大,需要进行解耦计算才能获得精确的六维力和力矩。而且传感器的抗过载能力很低,这意味着它
很容易受到损坏。
斯坦福研究所(
SRI
)早期开发的六维
F/T
传感器如图
3
所示,它也是一种基于垂直弹性梁的圆柱
体结构
[25]
。它由直径为
75
毫米的铝圆柱体制成,有八根狭长的弹性梁。每根梁的颈部都有一个小凹
槽,使颈部只传递力,使扭矩效应很小。每个梁的另一端的两侧都装有应变片。
图
4
和图
5
分别描绘了六自由度
F/T
传感器的典型的双梁结构和非径向三梁结构。图
4
所示的平衡结
构是由日本大和天平公司提出的,
Ltd.
基于
JPL
实验室开发的腕力传感器
[26]
。它是一个整体式轮辐结
构,在轮辐和翼缘之间有一个柔性连接,从而将弹性体的力学模型简化为悬臂梁。应变片安装在四
个主梁上,组成
6
个惠斯通电桥,用于六维力
/
扭矩测量。合肥智能机械研究所与东南大学合作于
1987
年开发的
SAFMS
六自由度
F / T
传感器采用了这一技术。
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