集成式五维微力/力矩传感器的研究

五维微力 /力矩传感器应用于微装配机器人操作末端的微力觉感知 ,能够同时测量三个方向的微力Fx、Fy、Fz 和两个方向的微力矩Mx 和My;测力量程± 1N ,测力矩量程± 0 .0 5N·m ;放大电路集成在传感器的本体中。应用力学理论对本体进行理论分析 ,推导出计算公式 ,求出本体的应变 ;并采用有限元分析软件进行仿真 ,分析应变 ,确定了一种适用的静态非线性标定方法     

集成式五维微力/力矩传感器的研究

五维微力/力矩传感器应用于微装配机器人操作末端的微力觉感知,能够同时测量三个方向的微力Fx 、Fy 、Fz和两个方向的微力矩Mx和My;测力量程±1N,测力矩量程±0.05N*m;放大电路集成在传感器的本体中.应用力学理论对本体进行理论分析,推导出计算公式,求出本体的应变;并采用有限元分析软件进行仿真,分析应变,确定了一种适用的静态非线性标定方法.     

面向毫克级仿昆扑翼微飞行器的力-力矩传感器

毫克尺度微型仿生飞行器基于柔性高频翅拍运动的升力机制,具有柔性大变形、振动非线性、多自由度力-力矩耦合等特征,其有效升力/力矩范围处于mN/(μN·m)量级,通用力传感器较难准确测定力学参数,进而给微型仿生飞行器的设计与控制带来一定的困难。文章提出了一种面向微型扑翼飞行器的新型力-力矩传感器,它可以在固定约束条件下实现微飞行器高频扑翼运动产生的升力和力矩的测量,为扑翼飞行器控制力和力矩解耦研究提供精度较高的数据。该传感器采用对称式多悬臂梁柔顺机构将升力/力矩转化为微小形变,结合高带宽、高精度电容位移测量装置,可以采集高频振动条件下的微小升力/力矩。基于梁理论进行了传感器力学建模,并结合有限元仿真验证了原理的可行性。对被测对象微型仿生扑翼飞行器的主要测量参数范围开展结构与工艺设计,实验结果显示,该传感器的升力测量范围为-10~10mN,力矩测量范围为-20~20μN·m,特征频率为1kHz,升力和力矩的灵敏度分别为0.01mN和0.01μN·m,经验证,对整机重量在80~250mg、工作频率在1~200Hz范围的微型扑翼飞行器具有较强的适用性。     

用于微装配的三维微力传感器的研究

采用硅基应变片设计了一种可用于精密微装配作业过程,检测x、y、z方向微接触力的三维微力传感器;经微小改动后,该传感器可成为五维微力传感器。分析了力传感器测量原理,建立其测量模型,并设计了传感器信号放大电路。测试了微力传感器的性能指标,在x、y、z3个方向的微力测量分辨率为0.001 N,测量精度可达0.005 N,测量范围为-0.5~ 0.5 N。最后设计了微装配作业控制系统,并利用该传感器实现力位移混合控制,顺利完成了180μm微型轴与200μm微型孔间的精密微装配实验研究。     

新型电子元件在机器人灵巧手微型五维力传感器中的应用

高性能的微型电子元件对于微型传感器的研制是十分重要的。本文介绍了应用新型电子元件设计的微型五维力传感器信号调理电路，并且描述了使用串行模数转换器实现传感器数字化输出的原理和可行性。     

集成式压电驱动微操作手的位置控制研究

微操作手是微操作机器人的核心部件 ,文章介绍了作者研制的压电陶瓷管驱动三自由度集成式微操作手 ,在此基础上 ,研究了微操作手的位置闭环控制 ,提出了模糊 -比例积分控制方法 ,并通过实验获得了较好的控制效果。通过对微操作手进行动静态测试得到微操作手的性能指标 :操作手末端 X、Y轴的最大输出位移为± 8.5μm,重复定位精度为 2 8nm ,位移分辨率为 10 nm ,动态阶跃响应时间为 5 m s;Z轴最大输出位移为 6 .2μm ,重复定位精度为 17nm,位移分辨率为 4 nm ,动态阶跃响应时间为 5 m s。该微操作手能够实现纳米级微动定位 ,满足微操作要求     

微操作中力的检测及控制

微操作过程中,操作对象的特征尺寸通常小于1 mm。由于尺度效应和表面效应,操作对象本身的重力和惯性力不再起主导作用,粘附力作用成为影响微操作成败的关键因素。这就导致了单靠宏观上的操作技术不能充分解决微观领域操作问题。该文在论述微操作过程中粘附力作用机理的基础上给出了一些微操作过程中有关力的检测、控制的可行方法。     

谐振式力传感器敏感结构的研究

利用材料力学及弹性力学法，对石英晶体谐振式力传感器的悬臂梁结构进行了研究，得出了双梁单岛及三梁单岛悬臂梁结构的力转移系数，在与实验结果进行了比较后证明，支承结构的理论推导与实验结果一致。     

用于微摩擦测试的微力传感器及其制作

微构件表面的摩擦状况和磨损机理与宏观构件有较大的区别，需一种能够测量微米尺度样品摩擦特性的专用仪器。给出了一种新型硅微力传感器的设计原理、结构、制作工艺及其弱信号采集方法。静态性能测试结果表明，传感器最大输出电压2000μV，重复性约为1．3％，灵敏度约为65V／N，分辨率为46μN，总精度为2．3％，基本上满足了微摩擦测试的需要。实验及计算表明，通过优化微力传感器的结构，改进芯片的封装，可以大大减少其体积，并提高其各项性能指标。     

基于探针形式的三维硅微力传感器

为满足三维微力测量的需求,以MEMS体硅压阻工艺技术为基础,研制了一种基于微探针形式,具有μN级三维微力测量和传感能力的半导体压阻式三维微力硅微集成传感器。传感器采用相互迟滞的4个单端固支硅悬臂梁,支撑中间的与微力学探针结合在一起的质量悬块的结构形式,在4mm×4mm的硅基半导体芯片上用MEMS体硅工艺集成而成。通过ANSYS数值仿真的方法分析了三维硅微力传感器结构的应力特点,解决了三维微力之间的相互干扰问题,并对传感器性能进行了测试。结果表明,其X、Z方向的线性灵敏度分别为0.1682、0.0106mV/μN,最大非线性度分别为0.19%FS和1.1%FS。该传感器具有高灵敏度、高可靠性、小体积、低成本等特点。     

电流传感器在巡线机器人夹紧力测量中的应用

针对高压巡线机器人夹紧力测量的特殊要求,提出了一种通过测量电机的驱动电流间接获取夹紧力的方法,并从理论上验证了该方法的正确性。通过对实验数据的分析,提出了软件处理算法流程。实验结果表明,采用电流传感器测量巡线机器人夹紧力,反应灵敏、抗干扰能力强、安全可靠,成本低廉。该方法可应用于过载保护、拉压力控制等场合。     

用于机器人手指的SOI基板微压阻式力传感器

压阻式力传感器常被用作工业机器人手指接触力传感器,为准确测量微小力与力矩,设计并测试了一种用于六自由度微力测量的微压阻式力传感器.该传感器由传力支柱、软半球盖、力-力矩传感结构和Wheatstone电桥四部分构成.采用有限元方法分析了各方向上施加力时应力的分布情况,由此确定了压敏电阻的位置分布.采用光刻、掺杂、深反应离...     

一种集成三维微力传感器的微夹持器研制

微操作中力的检测与控制是实现无损伤操作的关键。因此,该文提出了一种以压阻检测技术为基础,集成三维微力传感器的微夹持器。传感器标定实验结果表明,该传感器具有耦合小,测量分辨率高,线性度好的优点。传感器量程为-10~ 10 mN,在x、y向的分辨率均为2.4μN,z向的分辨率为4.2μN。微夹持器采用压电陶瓷驱动两级柔性放大机构,实现张合量300μm,完成了微夹持实验。     

排除力偏心影响的光纤力传感器

本文介绍了一种光纤测力传感器，利用两根多模光纤束传输光信号，采用一种特殊的结构形式，能够有效地消除力偏心对传感器输出的影响，另外，还介绍了温度补偿电路，包括光源驱动电路及光信号接收电路。     

基于光纤光栅的软体机器人末端力测量方法研究

手术机器人的末端操作力测量是实现机器人精准控制的关键,对保证手术操作的安全性至关重要。文中针对微创手术软体机器人末端三维力测量的实际需求,提出一种基于光纤光栅的微创软体机器人末端三维力的测量方法。基于光纤光栅传感原理,分析光纤传感器植入在软体机器人中的传感特性,建立基于最小二乘法线性标定和基于伯恩斯坦多项式非线性补偿的软体机器人末端力解耦模型,研究光纤光栅中心波长漂移量和软体机器人末端三维力之间的关系。并通过实验测试和对比分析验证了基于线性标定和非线性解耦算法的光纤传感软体机器人末端力测量性能研究结果表明:光纤光栅传感的可重复性平均为1.5 pm,末端力在XYZ三个方向上的测量精度误差均低于满量程的5%,且残差分布大部分集中在可靠区间,具有良好的重复性。所提出的基于光纤光栅的软体机器人末端力解耦算法为微创手术软体机器人的末端力精确测量提供了有效的方法,在生物医学等软体机器人的末端力测量中具有应用前景。     

基于电磁感应的力矩发生装置研究

为解决独轮机器人、导弹、卫星及航天器等欠驱动系统的欠驱动难题,本文提出一种基于电磁感应的力矩发生装置.该装置是在经典电磁学理论支持下的研究成果,文中详述了装置的原理和具体设计的技术方案,并通过实验进行验证.本文提出的力矩发生装置的显著优势是所提供的力矩大小正比于速度项,方便用伺服电机进行精确控制,而且具有节能、无噪声的优点.在独轮机器人侧向和偏航控制中良好表现,进一步表明本文提出的力矩发生装置是实用和有效的.