大量程柔性铰并联六维力传感器结构设计

《大量程柔性铰并联六维力传感器结构设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、燕山大学工学硕士学位论文参考文献………………………………………………………………………72 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果……………………………77 致谢…………………………………………………………………………78 作者简介………………………………………………………………………79VI万方数据第1章绪论第1章绪论1.1六维力传感器概述传感器是一种以一定精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置，通常由敏感元件和转换元件组成[1]。在机器人领域中，传感器得到了广泛的应用，其中力传感器是最基本的一种，是实现机器人“触觉”、“力觉”的重要基

2、础。力传感器按其所在位置的不同分为三种形式：支座力传感器——用于测量机械手与支座间的作用力，进而计算出机械手施加在工件上的力；腕力传感器——检测机器人终端环节(如小臂)与手爪之间的力，该力可视为机器人施加给物体的力；指力传感器——安装在机器人的手指尖处，检测抓持物体与手指之间的作用力[2]。六维力传感器是新发展起来的传感器，测力信息丰富，它可以同时提供三维坐标空间中的六维力信息.随着应用研究的不断深入，六维力传感器不仅在机器人智能化领域有广泛的应用，在汽车加工制造、航天等领域也有重要的应用价值，如将六维力传感器应用于风洞实验和火箭发射架测力装置[3]来检测方向和大小不断变化

3、的力、测量加速度或惯性力(如计算机绘图笔用的测加速度或惯性力装置[4]以及检测接触力的大小和作用点(如机械手抓持物体)等。因此，面向不同的应用场合研制能够满足各种需要的高性能六维力传感器具有重要的工程实践意义。1.2六维力传感器国内外发展状况自20世纪70年代以来，国内外学者研究发明了多种六维力传感器，并开发出产品[5-18]。到目前为止，人们提出的六维力传感器结构主要有以下几种形式：1975年，美国的Watson等设计了一种采用三根垂直筋作为变形元件的整体六维力传感器[19](如图1-1所示)，垂直筋内表面所贴应变片用以测拉压应变，1万方数据燕山大学工学硕士学位论文而外表

4、面所贴应变片用以测剪切应变。该传感器具有结构简单、承载能力强、可抵抗一定冲击等优点，但也存在灵敏度低、维间耦合严重等不足。1979年，美国Stanford大学的Shimano设计了一种盒式结构六维力传感器[20]。20世纪80年代初，美国Stanford研究所设计出一种用于风洞测试试验的筒形六维力传感器(如图1-2所示)，使用电阻应变片作为敏感元件，以四根相互平行的弹性立柱作为变形元件[21]。1982年，德国的Schott提出一种双环形六维力传感器(如图1-3所示)，由八对应变片组成八组相应的电桥，根据所受作用力的不同，有两根或更多的与下圆环连接的辐条或与上圆环连接的立柱

5、产生变形，从而引起相应电桥的输出[22]。该传感器具有各维力间相互干扰小的特点，但受其自身结构的限制，刚度与灵敏度的矛盾较大，且难于协调。1985年比利时的Brussel[23]等、以色列的Kroll[24]等所分别设计的四垂直筋结构的六维力传感器(如图1-4所示)，由上下两刚性圆环及连接两圆环的四根垂直筋组成，应变片贴在四根筋上。该传感器线性度较好、重复性较高、滞后较小，对温度有补偿作用，然而由于结构过于复杂不易加工，并且刚度较低。1986年DFVLR公司设计了光电式六维力传感器(如图1-5所示)。1987年，日本Yoshikawa[25]和Uchiyama[26]以及B

6、ayo[27]等人分析了Maltese十字结构六维力传感器，如图1-6所示，此结构力传感器是目前应用较多的一种。该传感器为整体式结构，主要变形部分由十字梁的四个臂端以及连接四个臂端与外圆环的四个浮动支承薄片组成，在测量各分力和各分力矩时有必要的灵敏度，各维力之间的相互干扰可控制在规定的范围内，但加工难度较大。1989年，Hatamura研制了一种环形六维力传感器[28]；哈尔滨工业大学的袁哲俊等人设计了一种八垂直筋结构六维力传感器[29](如图1-7所示)。1990年，Hirose等提出一种利用光敏元件构成的六维力传感器[30,31]。20世纪90年代初，Little研究了

7、适合于机器人手指用的小型圆柱形力传感器[32]；1992年，华中理工大学的黄心汉等人研制了一种非径向三梁结构六维力传感器[33](如图1-8所示)，并运用复合法对传感器弹性体进行了优化设计；1996年，日本广岛大学的Kaneko提出了一种双头形六维力传感器[34]。2万方数据第1章绪论图1-1三垂直筋结构六维力传感器图1-2筒形六维力传感器Fig.1-1Six-componentforcesensorFig.1-2Cylinder-shapewiththreeperpendicularribsSix-compone