一种小量程六维力传感器的设计与分析.pdf

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1、2O传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2012年第31卷第l期一种小量程六维力传感器的设计与分析何小辉，蔡萍(上海交通大学仪器科学与工程系，上海200240)摘要：针对外科手术力觉信息采集对多维力传感器提出的低量程和高分辨率的要求，对常规的十字梁六维力传感器进行结构改进，设计了一种具有滑移结构的低维间耦合的小量程六维力传感器。分析了传感器结构抑制维间耦合的机理，通过有限元方法分析了其受力变形情况。标定实验表明：该六维力传感器非线性误差与维间耦合误差

2、均小于2％，具有高灵敏度、高分辨率和低维间耦合的特点。关键词：六维力传感器；小量程；维间耦合；滑移结构中图分类号：R318．01文献标识码：A文章编号：1000-9787(2012)01-0020-03Designandanalysisofalow—range6-DforcesensorHEXiao—hui，CAIPing(DepartmentofInstrumentScienceandEngineering，ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240，China

3、)Abstract：Aimingatthedemandsoflow—rangeandhighresolutiononmulti—Dforcesensorinforceinlbrmationacquisitionduringforcesensingsurgery，thestructureofroutinecross6-Dforcesensorisimprovedandalowdimensioncouplingandsmallscale6-Dforcesensorwithglidestructureisde

4、signed．Themechanismwhichcurbthedimensioncouplingofsensorstructureisanalyzed，andstressdeformationisanalyzedbyfiniteelementmethod．Thecalibrationexperimentdemonstratesthenon—linearerroranddimensioncouplingerorofthenewsensorarelowerthan2％，whichshowitscharact

5、eristicofhighsensitivity，highresolutionandlow—dimensionalcoupling．Keywords：6-Dforcesensor；low—range；dimensioncoupling；glidestructure0引言则存在难以克服的维间串扰问题，直接测量精度不易提为了增强虚拟手术的真实感和沉浸感，虚拟手术力反高，多采取标定矩阵的方法来提高精度，但由于矩阵标定馈人机交互装置需要根据实际手术操作(如，夹钳、切割、只是从实验的角度，而不是从原理上消除维间干

6、扰，对精度穿刺和打结等)的力觉信息给出反馈力。现有的研究多偏的改善程度有限。此外，就目前实用的产品来看，量程一般重于接触力算法，但由于软组织的黏弹性、各向异性且非线在50N以上，不适用于虚拟手术中的微小力觉信息测量。性，生成的接触力多不真实。采用实验的方法，通过力采集而滑移结构应用于多维力传感器可以很好地消除维间串扰，装置采集医生做相关操作时的力觉信息是一种比较有效的但尚未见其在小量程六维力／力矩传感器中应用的报道。方法，其中低维间耦合、高分辨力的多维力传感器是获取手本文针对全胸腔镜心脏手术器械操作受力

7、较小、活动术过程中力觉信息的关键部件。空问狭窄、安装要方便的特点，对常规十字梁形式的六维力目前，六维力／力矩传感器弹性体结构主要有两类，一传感器的结构进行改进，设计了一种具有滑移结构的双层类是基于并联机构形式，燕山大学在这方面做了不少工作，双孔平行梁式的新型六维力传感器。该传感器具有量程取得了不少的成果；另一类是十字梁形式]，是一种小、高灵敏度、维间耦合小等特点。传统的结构，中国科学院合肥智能机械研究所、合肥工业大1六维力传感器设计学，东南大学等研究机构均有相关研究的论文。。并联现有的十字梁形式的多维力

8、传感器弹性体包括主梁和结构的多维力传感器主要由上下平台和连杆组成，其结构浮动梁，主梁为敏感应变的十字形弹性体，浮动梁则是隔离较复杂，计算繁冗。而传统的十字梁形式的六维力传感器应变的薄板式的结构。主梁作为测量用弹性体对浮动收稿日期：201l5—03基金项目：国家“863”计划资助项目(2o09AA01z3l3)第1期何小辉，等：一种小量程六维力传感器的设计与分析21梁的结构非常敏感，且容易产生维间耦合，降低灵敏度，不易得到解析解。A将传统的十