微型六維力-力矩傳感器及其自動標定的研究.pdf

1、隨著機器人向仿人型、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，本文在兩項國家“863”項目（“基于MEMS的微型六維力/力矩傳感器的研究”課題編號：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：2003AA404220）的資助下，重點研究了微型六維力/力矩傳感器及其自動標定技術(shù)。
　　DLR/HIT仿人靈巧手由四個相

2、同結(jié)構(gòu)的手指組成，采用機電一體化設(shè)計思想，將機械本體與傳感、驅(qū)動、傳動以及電氣系統(tǒng)等一體化設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)的高度集成。它要求各類傳感器信號本地數(shù)字化，并具有微小型尺寸的特點。因此，作為靈巧手指尖應(yīng)用的六維力/力矩傳感器，對其微型化、數(shù)字化集成及自動標定功能提出了較高的要求。本文正是圍繞上述幾點要求開展研究的，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，多維力傳感器靜動態(tài)性能研究、多維力傳感器自動標

3、定的研究。
　　首先，本文進行了六維力/力矩傳感器彈性體的設(shè)計，針對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)變測量原理。針對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，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)計和制作過程。同時，本文設(shè)計了六維力傳感器的微型信號調(diào)理放大電路和基于數(shù)字信號處理器的微型數(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)字信號處理器的六維力/力矩傳感器，從作者文獻檢索來看，尚未見到尺寸達到此等水平的六維力/力矩傳感器。
　　針對全平面彈性體的結(jié)構(gòu)特點，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，設(shè)計并制作了微型六維力/力矩傳感器所用的薄膜電阻應(yīng)變計結(jié)構(gòu)。在各功能材料的分析與選擇中，本文針對鋁合金材料的特點，著重對四種絕緣層材料進行了實驗，實驗結(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)變計組成的測量電橋信號引到信號調(diào)理電路板，提高了引線的可靠性，減少了引線工作量。本文對所制作的薄膜電阻應(yīng)變計各層厚度進行了測量，并提出了采用原子力顯微鏡對薄膜厚度進行直接測量的方法。實際效果表明上述各種工藝的實施為六維力/力矩傳感器的微型化的實現(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，實現(xiàn)了機電集成和數(shù)字化。
　　本文對所研制的微型六維力/力矩傳感器進行了靜

6、動態(tài)性能的研究。通過靜態(tài)加載實驗得到了六維力/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。通過對標定矩陣的擾動分析，確定了標定矩陣C的擾動引起的測量力F的誤差上限，并最終給出傳感器的各項靜態(tài)性能指標。通過對傳感器動態(tài)實驗建模給出傳感器動態(tài)性能指標，并根據(jù)傳感器動態(tài)特性采用極點配置法設(shè)計了動態(tài)補償器，并給出動態(tài)補償仿真結(jié)果。<

7、br>　　本文從兩個方面研究了六維力/力矩傳感器的自動標定問題：一是簡化傳統(tǒng)標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的多維力/力矩傳感器自動標定的方法。將三軸加速度計靜態(tài)應(yīng)用，可以獲得重力加速度相對于傳感器坐標的三個傾角。根據(jù)此三個傾角計算砝碼力，并自動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)傳感器的輸出自動求解傳感器的標定矩陣。二是采用“從運動復原形狀”方法，分別實現(xiàn)了從二維力、三維力、二維力一維