專(zhuān)利名稱：利用四相敏感元件測(cè)量三軸力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器人觸覺(jué)傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用四相敏感元件測(cè)量三軸力的方法。
背景技術(shù)：
觸覺(jué)是機(jī)器人獲取環(huán)境信息的一種重要知覺(jué)形式。從某種意義上說(shuō)，盡管觸覺(jué)的研究不如視覺(jué)那樣廣泛，但它對(duì)于智能機(jī)器人卻顯得尤為重要。而觸覺(jué)本身具有很強(qiáng)的敏感能力，能夠直接感知對(duì)象的多種性質(zhì)特征包括接觸力的大小、柔軟性、硬度、彈性、粗糙度、材質(zhì)等。觸覺(jué)需要傳遞和處理的信息較少而效率更高，一般不需要很復(fù)雜的設(shè)備而價(jià)格較低。從理論上講，觸覺(jué)傳感技術(shù)更引發(fā)了一系列有關(guān)“智能”的問(wèn)題，它在許多方面甚至比視覺(jué)更接近于機(jī)器人學(xué)的精髓，不僅包含了機(jī)器人最基本的感知能力，還更強(qiáng)調(diào)有關(guān)數(shù)據(jù)識(shí)別的問(wèn)題，尤其是各個(gè)動(dòng)作和行為之間所產(chǎn)生的作用力。
由此看來(lái)，觸覺(jué)傳感技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人技術(shù)的關(guān)鍵因素之一，觸覺(jué)傳感器的發(fā)展對(duì)智能機(jī)器人具有相當(dāng)重要的意義。觸覺(jué)不僅僅是視覺(jué)的一種補(bǔ)充，它與視覺(jué)一樣，都是模擬人的感覺(jué)，是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與環(huán)境直接作用的必需媒介。也正因?yàn)槿绱耍澜缟显S多國(guó)家均不同程度地花費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力從事觸覺(jué)傳感器的研究。
機(jī)器人觸覺(jué)技術(shù)的研究已有30余年的歷史，世界上科技發(fā)達(dá)的國(guó)家均投入較大的人力和財(cái)力開(kāi)展這項(xiàng)研究，觸覺(jué)傳感技術(shù)在應(yīng)用研究方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，尤以美、日、意、英等國(guó)為甚。然而縱觀各國(guó)機(jī)器人觸覺(jué)技術(shù)現(xiàn)狀，觸覺(jué)傳感器幾乎尚未走出實(shí)驗(yàn)室。
我國(guó)在這方面起步較晚，機(jī)器人觸覺(jué)傳感技術(shù)的研究開(kāi)始于80年代左右，受到客觀條件的限制，在1987年國(guó)家863計(jì)劃實(shí)施以后才加快步伐。在863計(jì)劃支持下，中科院合肥智能所、北京理工大學(xué)、東南大學(xué)等單位在90年代初相繼開(kāi)展各有特色的研究，取得了一定的成果。但是總的來(lái)說(shuō)，這些成果與國(guó)際先進(jìn)水平相比尚有很大的差距。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、反應(yīng)靈敏，能夠通過(guò)四相敏感元件所測(cè)得的信號(hào)反推出作用在系統(tǒng)上的三軸力的方法，為三軸力的計(jì)算找到了一個(gè)通用的計(jì)算公式，而其中的信號(hào)根據(jù)敏感元件的不同可以是力信號(hào)、電信號(hào)和光信號(hào)。傾斜和變形，導(dǎo)致電容值發(fā)生變化，從而可以反映出力的變化，參見(jiàn)圖5。
其中Fs、Fn分別為切向力和法向力，C1、C2、C3、C4為電容變化量，Ks、Kn為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)。
3.基于光信號(hào)的實(shí)施例參見(jiàn)圖6，基于光信號(hào)原理的三軸力觸覺(jué)傳感系統(tǒng)由硅橡膠類(lèi)彈性材料制成的傳感頭3-1和波導(dǎo)板3-2組成，形成光敏元件，硅橡膠體傳感頭3-1的兩面分別制成不同的觸頭，參見(jiàn)圖7，與波導(dǎo)板接觸的一面是四個(gè)半球形觸頭3-1-1，與施力物接觸的一面是圓柱觸頭3-1-2，圓柱觸頭的頭部也制成半球形。當(dāng)空間力F施加在圓柱觸頭3-1-2上時(shí)，下面的四個(gè)半球觸頭3-1-1在波導(dǎo)板3-1上產(chǎn)生不同程度的變形，破壞導(dǎo)波傳播條件，產(chǎn)生光的泄漏，形成四個(gè)不同面積大小的光斑，見(jiàn)圖8。
根據(jù)有限元分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，外力F的3個(gè)分量與4個(gè)光斑面積S1、S2、S3、S4的線性組合之間存在著如下關(guān)系 其中α、β和γ為力的換算系數(shù)，與傳感頭的材料屬性和圓柱、半圓球的幾何尺寸有關(guān)。
由上述的實(shí)施例可見(jiàn)，對(duì)于各種電信號(hào)、力信號(hào)和光信號(hào)，我們均可通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的四相敏感元件來(lái)測(cè)量作用在系統(tǒng)上的三軸力。而且綜合(1)、(2)和(3)式發(fā)現(xiàn)，不論采用哪種方案，三軸力與四相敏感信號(hào)之間均存在如下關(guān)系Fj=ξjΣi=14δiSi---(4)]]>其中Fj三軸力，Sj為四相敏感信號(hào)，ξj為力的換算系數(shù)，與傳感頭的材料屬性和幾何尺寸有關(guān)。
j取值x、y或z，δj取值1、0或-1。
本方法可結(jié)合硬件模塊和軟件模塊實(shí)現(xiàn)，參見(jiàn)圖9，由相關(guān)的硬件模塊進(jìn)行對(duì)四相敏感元件的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，最后將所測(cè)得的數(shù)據(jù)傳遞給軟件模塊完成結(jié)果處理和分析。
計(jì)算實(shí)例以實(shí)施例3為例，采用硅橡膠材料，當(dāng)圓柱觸頭的底面直徑為4mm，高為6mm，半圓本發(fā)明提出利用四相敏感元件測(cè)量三軸力的方法，現(xiàn)結(jié)合各附圖，分別以力敏元件、電敏元件和光敏元件為例，詳細(xì)說(shuō)明其實(shí)施方式1.基于力信號(hào)的實(shí)施例如圖1所示，該例中的傳感頭由四角錐體1-1、PVDF壓電膜1-2和基座1-3組成。四角錐體1-1由導(dǎo)電樹(shù)脂材料制作，上面覆蓋一層薄的硅橡膠1-4可直接接觸施力物體，四角錐體1-1的四個(gè)面各粘貼一層PVDF壓電膜1-2，并由銅線1-5引出導(dǎo)線1-6，基座1-3由環(huán)氧樹(shù)脂制成，基座底部有通孔1-7。施加于四角錐體1-1上方的x、y、z三向力，在A、B、C、D四塊PVDF壓電膜1-2上產(chǎn)生不同的壓力，通過(guò)檢測(cè)即可確定外力在x、y、z方向的分量，其受力檢測(cè)方案可參見(jiàn)圖2。
如圖3所示，四角錐體的4個(gè)三角表面分別為A、B、C、D，當(dāng)外力F與Z軸成θ角且F在xoy平面上的投影與x軸成角施加于四角錐體上表面時(shí)，將在A、B、C、D四個(gè)平面上分別產(chǎn)生四個(gè)分力FA、FB、FC、FD。將四角錐體底面設(shè)計(jì)為正方形，邊長(zhǎng)為a，錐體高為a/2，很容易證明當(dāng)從o點(diǎn)向表面A(即Δjkp)作垂線時(shí)，垂足必然為線段np的中點(diǎn)(圖中m、n分別為正方形一組對(duì)邊的中點(diǎn))，從而得知FA的方向必然如圖中所示。同理可以證明FB、FC、FD的方向也將落在B、C、D平面上的對(duì)應(yīng)位置。
根據(jù)合力與分力的關(guān)系，外力F在x、y、z三個(gè)方向上的分力與FA、FB、FC、FD的關(guān)系為 2.基于電信號(hào)的實(shí)施例圖4所示的觸覺(jué)傳感系統(tǒng)是一種基于微分電容原理的傳感系統(tǒng)，它采用了IC工藝和微機(jī)械技術(shù)。法向力和切向力是依靠力平臺(tái)下的電容陣列來(lái)檢測(cè)的，這種傳感器檢測(cè)法向力的靈敏度是0.13Pfg-1，在受力為0～1g時(shí)切向力的靈敏度是0.32Pfg-1。傳感器的空間分辨率是2.2mm，它的最大動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率是162Hz。通過(guò)改變膜的厚度可以調(diào)節(jié)該傳感系統(tǒng)的測(cè)力范圍和靈敏度。它以硅為材料的彈性體2-1和玻璃聚合體2-2組合，彈性體2-1與聚合體2-2之間有空腔，并相對(duì)貼有薄膜2-3，薄膜上貼有電極2-4，形成電容陣列。
由于該系統(tǒng)基于微分電容原理，每一個(gè)傳感單元包含一個(gè)電容陣列，它由四個(gè)電容C1、C2、C3、C4組成。當(dāng)傳感頭受到力的作用時(shí)，彈性體2-1受壓，其底部貼有電極的薄膜發(fā)生本發(fā)明提出的利用四相敏感元件測(cè)量三軸力的方法，包括以下步驟(1)首先采用力敏元件、電敏元件或光敏元件作為四相敏感元件，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的三軸力觸覺(jué)傳感頭；(2)在傳感系統(tǒng)上施加三軸力，根據(jù)在四個(gè)敏感元件上產(chǎn)生的四相信號(hào)，采用下述公式，計(jì)算作用在系統(tǒng)上的三軸力，計(jì)算公式為Fj=ξjΣi=14δiSi]]>其中Fj三軸力，Sj為四相敏感信號(hào)，ξj為力的換算系數(shù)，與傳感頭的材料屬性和幾何尺寸有關(guān)；j取值x、y或z，δi取值1、0或-1。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)●結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕當(dāng)四相敏感元件采用力敏元件時(shí)，傳感頭的四角錐體尺寸為4mm×4mm×2mm，當(dāng)四相敏感元件采用電敏元件時(shí)，傳感頭的薄膜直徑為0.9mm，當(dāng)四相敏感元件采用光敏元件時(shí)，傳感頭的四個(gè)半球形觸頭半徑為1mm，因此整個(gè)三軸力傳感頭的尺寸都相應(yīng)較小、重量較輕。
●應(yīng)用靈活對(duì)于不同的使用場(chǎng)合，三軸力傳感頭可以根據(jù)外力F的大小和作用范圍來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
●易于陣列化可由多個(gè)傳感頭組成力覺(jué)傳感陣列。
●耐沖擊由于傳感頭由硅橡膠類(lèi)彈性材料制成，因而耐沖擊。


圖1是基于力敏元件的觸覺(jué)傳感頭；圖2是基于力敏元件的觸覺(jué)傳感頭受力檢測(cè)方案；圖3是四角錐體的受力分析圖；圖4是基于電容原理的三軸力觸覺(jué)傳感頭的結(jié)構(gòu)；圖5是傳感系統(tǒng)對(duì)法向力和剪切力的響應(yīng)；圖6是基于光波導(dǎo)的觸覺(jué)傳感頭在外力作用下形成光斑的過(guò)程及其檢測(cè)方案；圖7是基于光敏元件的觸覺(jué)傳感頭；圖8是由四相光敏元件所產(chǎn)生的不同信號(hào)；圖9是利用四相敏感元件測(cè)量三軸力的主要步驟。
具體實(shí)施例方式
球觸頭底面直徑為2mm，高為1mm時(shí)，α、β、γ經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果為α＝0.82、β＝0.82、γ＝1.80(單位為N/mm2)?，F(xiàn)測(cè)得S1＝2.8、S2＝1.6、S3＝2.4、S4＝1.2(單位為mm2)，即可根據(jù)公式(3)計(jì)算出Fx＝1.968，F(xiàn)y＝0.656，F(xiàn)z＝14.4(單位為N)。由此可見(jiàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的材料和幾何尺寸，即可決定系數(shù)α、β、γ，只要測(cè)出S1、S2、S3、S4，即可求出作用于傳感系統(tǒng)的三軸力。
權(quán)利要求
1.利用四相敏感元件測(cè)量三軸力的方法，其特征在于測(cè)量步驟如下(1)首先選用力敏元件、電敏元件或光敏元件作為四相敏感元件，形成相應(yīng)的傳感頭；(2)當(dāng)在傳感頭上施加三軸力時(shí)，根據(jù)在四個(gè)敏感元件上產(chǎn)生的四相信號(hào)，采用如下的計(jì)算公式，計(jì)算作用在系統(tǒng)上的三軸力，計(jì)算公式為Fj=ξjΣi=14δiSi]]>其中Fj三軸力，Sj為四相敏感信號(hào)，ξj為力的換算系數(shù)，與傳感頭的材料屬性和幾何尺寸有關(guān)；j取值x、y或z，δi取值1、0或-1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用四相敏感元件測(cè)量三軸力的方法，其特征在于當(dāng)四相敏感元件采用力敏元件時(shí)，所述的傳感頭由四角錐體、力敏元件PVDF壓電膜和基座組成，四角錐體由導(dǎo)電樹(shù)脂材料制作，上面覆蓋一層薄的硅橡膠并粘貼一層PVDF壓電膜，基座由環(huán)氧樹(shù)脂制成，施加于四角錐體上方的三軸力，在四片PVDF壓電膜上產(chǎn)生不同的壓力，通過(guò)力敏元件即可檢測(cè)到，進(jìn)而通過(guò)步驟(2)的公式計(jì)算出外力在x、y、z三個(gè)方向的分量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用四相敏感元件測(cè)量三軸力的方法，其特征在于當(dāng)四相敏感元件采用電敏元件時(shí)，所述的傳感頭由彈性體、聚合體、貼有電極的薄膜，彈性體和聚合體之間設(shè)有空腔，并相對(duì)設(shè)貼有電極的薄膜，獲得一個(gè)由四個(gè)電容組成電容陣列，形成電敏元件，當(dāng)傳感頭受到力的作用時(shí)，貼有電極的薄膜發(fā)生傾斜和變形，導(dǎo)致電容值發(fā)生變化，由電容陣列檢測(cè)到壓力，進(jìn)而通過(guò)步驟(2)的公式計(jì)算出外力在x、y、z三個(gè)方向的分量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用四相敏感元件測(cè)量三軸力的方法，其特征在于當(dāng)四相敏感元件采用光敏元件時(shí)，所述的傳感頭由硅橡膠類(lèi)彈性材料制成的硅橡膠墊、波導(dǎo)板組成，形成光敏元件，硅橡膠體傳感頭的兩面分別制成不同形狀的觸頭，與波導(dǎo)板接觸的一面是四個(gè)半球形觸頭，與施力物接觸的一面是圓柱觸頭，圓柱的頭部制成半球形，當(dāng)空間力F施加在圓柱觸頭上時(shí)，下面的四個(gè)半球觸頭在波導(dǎo)板上產(chǎn)生不同程度的變形，破壞導(dǎo)波傳播條件，產(chǎn)生光的泄漏，形成四個(gè)不同面積大小的光斑，根據(jù)光斑面積即可計(jì)算出外力在x、y、z三個(gè)方向的分量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用四相敏感元件測(cè)量三軸力的方法，測(cè)量步驟如下(1)首先選用力敏元件、電敏元件或光敏元件作為四相敏感元件，形成相應(yīng)的傳感頭；(2)當(dāng)在傳感頭上施加三軸力時(shí)，根據(jù)在四個(gè)敏感元件上產(chǎn)生的四相信號(hào)，采用如下的計(jì)算公式，計(jì)算作用在系統(tǒng)上的三軸力，計(jì)算公式為
文檔編號(hào)G01L1/00GK1544899SQ20031011102
公開(kāi)日2004年11月10日 申請(qǐng)日期2003年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月24日
發(fā)明者潘英俊, 劉嘉敏 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)