六维力传感器

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1、六维力传感器1六维力传感器的分类12六维力传感器的研究现状11六维力传感器的分类六维力传感器有很多种名称，如六轴力传感器、六分量天平、六轴力/力矩传感器、六向力传感器等，实际上就是一种可以同时检测3个力分量和3个力矩分量的力传感器，根据X,Y,Z方向的力分量和力矩分量可以得到合力和合力矩。传感器的种类按敏感兀件可以分为:电阻应变式、压电式、光学式、电容式、电感式等几类。六维力传感器按测力原理可分为电阻式应变式，电容式，电感式，压电式和光电式等。就以上几种类型的传感器而言，电阻应变式六维力传感器的应用得最为广泛而

2、且目前技术最为成熟的一种。其基本工作原理是外力作用下，弹性体结构形变，贴在弹性体上的应变片发生应变引起电阻值的变化，再经电路将阻值的变化转化为电压或电流的变化表现。电容式则是将电容式力敏传感器的核心部分是对压力敏感的电容器。力敏电容器的电容量是由电极面积和两个电极间的距离决定的，当硅膜片两边存在压力差时，硅膜片产生形变，极板间的间距发生变化，从而引起电容量的变化，电容变化量与压力差有关。。光学式多维力传感器通过光学传感器来测量微小变形，从而测出多维力和力矩。压电式多维力传感器是另一种比较常用的测力装置，它的基本

3、测力原理是在外部应力的作用下压电材料产生电荷，当外力变化时，压电材料表面的电荷随之变化带来输出电压信号的变化。压电传感器的主要特点是其有很高的固有频率(200kHz)，特别适合动态测量。石英晶片的合理布置是传感器设计的关键。克服传感器各向载荷间的相互干扰是提高压电传感器测量精度的有效途径。2六维力传感器的研究现状六维力传感器的研究已有40多年的历史，科研工作者在这方面已作了大量的研究工作。在国内，对六维力传感器的研究始于上世纪80年代，许多院校都对六维力传感器的设计制作进行过深入的探讨。其设计是以力学分析为基础

4、，探索性地设计出无耦合作用的弹性体，最早代表是积木式结构由美国SIR公司设计，由一块块积木式弹性体组合成，其加工精度和装配精度对其测量结果的影响很大，滞后和累积误差也较大，这使得它的实用性几乎为零。同样运用积木式结构的原理，哈尔滨工业大学和东南大学运用贴片的方法联合研发了8竖梁整体结构六维力传感器。该弹性体采用8竖梁的整体结构，结合特定的贴片方式就能直接获得六维力信号，提高了弹性体的刚度并减小了滞后，使其实用性能获得很大提高。华中理工大学运用贴片的方法设计了三梁非径向对称型结构六维力传感器，它由硬质铝棒一次加工

5、成型。应变桥的输出信号几乎与每一个力分量和力矩分量相关，即力信号与应变桥的输出信号之间存在着耦合作用，属于耦合型结构。不能直接测力，而需要通过解耦才能得到所需力信号。北京航空航天大学机器人研究所针对水下特殊工作环境，运用贴片的方法设计了大负载、能密封、具各水压力补偿等特点的薄壁圆筒形弹性体为检测单元的六维腕力传感器。在传感器检测单元的圆筒壁上等间距地粘贴六组应变片即可获得完整的六维力信息。燕山大学赵永生教授提出了基于斯图尔特(Stewart)平台结构的整体预紧式六维力传感器。该传感器是在传统球面副的斯图尔特(S

6、tewart)平台结构的上、下平台之间，增设了一个由反向球面副和螺旋机构组成的预紧支路，并在每个支路上用单向约束的球面副代替传统的双向约束的球面副。反向球面副、构件、螺母组成一个预紧支路，同时带来一个约束。这样可以利用预紧支路来固定上、下平台及其它六个支路，达到整体预紧的效果，从而大大提高了传感器的整体刚度。如果加工精度高、润滑条件好，那么可以减小，甚至消除球面副摩擦，这样在上平台受力时，每个支路只承受沿两个球副中心连线方向的压力或拉力，从而消除了力的耦合。该结构的传感器不仅具有结构简单，刚度高，不存在力的耦合

7、，而且还有高精度、高灵敏度等优点，从而为实现六维力传感器的微型化精密化奠定了基础。在国外，美国的P.C.Watson于1975年设计了一种三垂直筋结构的六维力传感器。三垂直筋内表面所贴应变片测拉压应变，外表面所贴应变片测剪切应变。该传感器具有承载能力强，抗冲击，结构简单等优点，但也存在灵敏度低，各维力之间干扰大等缺点。1983年，美国Stanford研究所设计了筒形的六维力传感器，用于风洞测力实验。该传感器使用电阻应变片作为敏感元件，属电阻应变式传感器。该传感器具有线性好、重复性高和较小的滞后性，并且对温度有补

8、偿特性，但结构复杂不易制造，刚度低。类似于筒形传感器的贴片方案，1982年，德国SChOtt提出了双环形六维力传感器，属于电阻式传感器。当传感器受到外力作用，弹性体结构形变，贴在弹性体上的应变片发生应变引起电阻值的变化，再经电路将阻值的变化转化为电压或电流的变化表现。该传感器具有各维力间耦合小的特点，但其刚度与灵敏度的矛盾较大，难以协调。1985年，比利时的Brussels和以色列的K