微型六維力-力矩傳感器及其自動(dòng)標(biāo)定的研究.pdf

1、隨著機(jī)器人向仿人型、智能化、高度集成的方向發(fā)展，微型六維力/力矩傳感器作為提高機(jī)器人靈巧操作水平和智能化程度的重要部件之一，顯得越來越重要。因此，本文在兩項(xiàng)國(guó)家“863”項(xiàng)目（“基于MEMS的微型六維力/力矩傳感器的研究”課題編號(hào)：2002AA423220；和“基于薄膜技術(shù)的全平面微型傳感器的研究”課題編號(hào)：2003AA404220）的資助下，重點(diǎn)研究了微型六維力/力矩傳感器及其自動(dòng)標(biāo)定技術(shù)。
　　DLR/HIT仿人靈巧手由四個(gè)相

2、同結(jié)構(gòu)的手指組成，采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)思想，將機(jī)械本體與傳感、驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)以及電氣系統(tǒng)等一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高度集成。它要求各類傳感器信號(hào)本地?cái)?shù)字化，并具有微小型尺寸的特點(diǎn)。因此，作為靈巧手指尖應(yīng)用的六維力/力矩傳感器，對(duì)其微型化、數(shù)字化集成及自動(dòng)標(biāo)定功能提出了較高的要求。本文正是圍繞上述幾點(diǎn)要求開展研究的，并主要分為以下幾方面內(nèi)容：傳感器的研制、傳感器微型化關(guān)鍵技術(shù)及MEMS薄膜工藝的研究，多維力傳感器靜動(dòng)態(tài)性能研究、多維力傳感器自動(dòng)標(biāo)

3、定的研究。
　　首先，本文進(jìn)行了六維力/力矩傳感器彈性體的設(shè)計(jì)，針對(duì)傳感器微型化的需要，闡述了兩種微型化的傳感器彈性體（薄壁圓筒形彈性體和全平面型彈性體）的結(jié)構(gòu)形式和應(yīng)變測(cè)量原理。針對(duì)薄壁圓筒形彈性體本文提出了一種集成式的電阻應(yīng)變計(jì)，闡述了它與彈性體組成微型六維力/力矩傳感器敏感部件的方法，及其設(shè)計(jì)和制作過程。同時(shí)，本文設(shè)計(jì)了六維力傳感器的微型信號(hào)調(diào)理放大電路和基于數(shù)字信號(hào)處理器的微型數(shù)字化電路。并最終完成了具有微型化尺寸的（外徑

4、Φ16.5mm，高度H17.5mm）內(nèi)嵌數(shù)字信號(hào)處理器的六維力/力矩傳感器，從作者文獻(xiàn)檢索來看，尚未見到尺寸達(dá)到此等水平的六維力/力矩傳感器。
　　針對(duì)全平面彈性體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文提出了采用薄膜工藝在鋁合金為基底材料上制作薄膜電阻應(yīng)變計(jì)，設(shè)計(jì)并制作了微型六維力/力矩傳感器所用的薄膜電阻應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)。在各功能材料的分析與選擇中，本文針對(duì)鋁合金材料的特點(diǎn)，著重對(duì)四種絕緣層材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明選擇Al2O3做為絕緣層材料具有較好的

5、效果。采用了引線鍵合技術(shù)將應(yīng)變計(jì)組成的測(cè)量電橋信號(hào)引到信號(hào)調(diào)理電路板，提高了引線的可靠性，減少了引線工作量。本文對(duì)所制作的薄膜電阻應(yīng)變計(jì)各層厚度進(jìn)行了測(cè)量，并提出了采用原子力顯微鏡對(duì)薄膜厚度進(jìn)行直接測(cè)量的方法。實(shí)際效果表明上述各種工藝的實(shí)施為六維力/力矩傳感器的微型化的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)可靠性的提高提供了有力的保障。并最終研制出基于薄膜技術(shù)的微型六維力/力矩傳感器，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電集成和數(shù)字化。
　　本文對(duì)所研制的微型六維力/力矩傳感器進(jìn)行了靜

6、動(dòng)態(tài)性能的研究。通過靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn)得到了六維力/力矩傳感器的靜態(tài)輸出特性及耦合情況。并深入研究了六維力傳感器的靜態(tài)解耦方法，提出了采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行靜態(tài)解耦的方法，以解決六維力傳感器的表現(xiàn)出一定的非線性特性。通過對(duì)標(biāo)定矩陣的擾動(dòng)分析，確定了標(biāo)定矩陣C的擾動(dòng)引起的測(cè)量力F的誤差上限，并最終給出傳感器的各項(xiàng)靜態(tài)性能指標(biāo)。通過對(duì)傳感器動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)建模給出傳感器動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，并根據(jù)傳感器動(dòng)態(tài)特性采用極點(diǎn)配置法設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器，并給出動(dòng)態(tài)補(bǔ)償仿真結(jié)果。<

7、br>　　本文從兩個(gè)方面研究了六維力/力矩傳感器的自動(dòng)標(biāo)定問題：一是簡(jiǎn)化傳統(tǒng)標(biāo)定多維力傳感器多次加載的過程。本文提出了基于三軸加速度計(jì)的多維力/力矩傳感器自動(dòng)標(biāo)定的方法。將三軸加速度計(jì)靜態(tài)應(yīng)用，可以獲得重力加速度相對(duì)于傳感器坐標(biāo)的三個(gè)傾角。根據(jù)此三個(gè)傾角計(jì)算砝碼力，并自動(dòng)獲得砝碼作用在傳感器上的載荷。此過程無需多次施加砝碼，并根據(jù)傳感器的輸出自動(dòng)求解傳感器的標(biāo)定矩陣。二是采用“從運(yùn)動(dòng)復(fù)原形狀”方法，分別實(shí)現(xiàn)了從二維力、三維力、二維力一維