多維力傳感器研究的發(fā)展歷史及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1、0多維力傳感器研究的發(fā)展歷史及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1 傳感器的基本概念 ......................................................................................................................................12 多維力傳感器的發(fā)展歷史及應用 ...................................

2、...........................................................................23 多維力傳感器的國內(nèi)外發(fā)展狀況 ..............................................................................................................34 多維力傳感器的分類 ....

3、..............................................................................................................................31、電阻應變式多維力傳感器 ...............................................................................

4、.................................32、電容式多維力傳感器 ........................................................................................................................33、光學式多維力傳感器 .........................................

5、...............................................................................44、壓電式多維力傳感器 ........................................................................................................................41 傳感器的基

6、本概念 傳感器的基本概念傳感器是能感受被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或設置。傳感器是實現(xiàn)傳感功能的基本部件。傳感器技術的共性，就是利用物理定律和物質(zhì)的物理、化學或生物特性，將非電量（如位移、速度、加速度、力等）轉(zhuǎn)換成電量（電壓、電流、電容、電阻等） 。由傳感器的定義可知，傳感器要完成兩方面的功能：檢測和轉(zhuǎn)換。因此，傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件是傳感器中能直接感受（或響應）被測信息（非電量）的元件（如傳感器中

7、的彈性元件） 。轉(zhuǎn)換元件則是指傳感器中能將敏感元件的感受（或響應）信號轉(zhuǎn)換為電信號的部分（如應變式傳感器中的電阻應變片） 。由以上分析可知，傳感器一般由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。但這種組成的傳感器通常輸出信號較弱，還需要信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路（或稱信號調(diào)理電路）將輸出信號進行放大并轉(zhuǎn)換為容易傳輸、處理、記錄和顯示的形式。信號調(diào)理電路的作用主要可從兩方面來解釋：一是把來自傳感器的信號進行轉(zhuǎn)移和放大，使其更適合于作進一步處理和傳輸，多種情況下是將

8、各種電信號轉(zhuǎn)換成電壓、電流等少數(shù)幾種便于測量的電信號；二是進行信號處理，即對經(jīng)過調(diào)理的信號，進行濾波、調(diào)制和解調(diào)、衰減、運算、數(shù)字化處理等。常見的信號調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換電路有放大器、電橋、振蕩器、電荷放大器等。另外，傳感器元件和信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路還需要輔助電源。傳感器的典型組成如圖 1 所示2的感知，二是感知后機器的實時行動。感知和行動的高度統(tǒng)一是智能機器人研究的必然要求，是對環(huán)境和對象的感知、適應和行動。例如裝在機器人腕部的六維腕力傳感器可以

9、用來檢測機器人操作手與外部環(huán)境接觸時或者抓取工件時所能承受的力和力矩。運用多維腕力傳感器使機器人具有力覺和力位置控制功能，從而能進行零力示教、輪廓跟蹤、雙手協(xié)調(diào)、柔性裝配、機器人力反饋控制、機器人去毛刺和磨削等。做可能對人體造成傷害的工作，如噴漆、重物搬運等；做工作質(zhì)量要求很高、人們難以長時間勝任的工作，如汽車焊接、精密裝配等；做一些工作人員無法身臨其境的工作，如水下機器人幫助打撈沉船、鋪設電纜，工程機器人上山入地、開洞筑路，農(nóng)業(yè)機器人

10、耕耘播種、施肥除蟲，軍用機器人沖鋒陷陣、排雷排彈。隨著科學技術的迅猛發(fā)展，多維力傳感器的應用已不再僅僅局限于機器人領域，許多科學技術領域都采用多維力傳感器作為其測量手段。多維力傳感器在航空航天及機械加工、汽車等行業(yè)中有著廣泛的應用，如風洞實驗、火箭發(fā)動機安裝測試、精密裝配、自動磨削、切削力測量、運動員輔助訓練、輔助醫(yī)療手術等。因此，隨著多維力傳感器應用領域的不斷拓寬，其研究價值也越發(fā)顯著。3 多維力傳感器的國內(nèi)外發(fā)展狀況 多維力傳感器的

11、國內(nèi)外發(fā)展狀況早在七十年代初，瑞士聯(lián)邦工學院就開始了多維力傳感器方面的研究，并設計了一種以電阻應變片為敏感元件的六維力傳感器。隨后，日本、美國、德國、法國、比利時和以色列等國也相繼進行了探索和研究，先后設計了適用于多種工作場合的六維力傳感器[2]。美國的 P.C.Waston 于 1975 年設計了一種三垂直筋結構的六維力傳感器。三個垂直筋的外表面均可以測剪切應變，而內(nèi)表面則用來測拉、壓應變。該結構的顯著特點是結構極其簡單，承載能力強，