一種新的協(xié)作機(jī)器人人機(jī)用電容式多維力傳感器設(shè)計(jì)

(1.甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,蘭州 730050;2.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院,蘭州 730050;3.甘肅省秦安縣興國鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村綜合服務(wù)站,甘肅 秦安 741600)

0 引言

精密操控、柔性裝配、高效精細(xì)加工、光纖對接、精細(xì)外科輔助手術(shù)等場合都需要高精度、低耦合、高分辨率、強(qiáng)剛度的力傳感器來保證操控的精確性和可靠性,而現(xiàn)有的機(jī)器人多維力傳感器很難滿足這種需求[1-3]。

多維力傳感器可同時(shí)感知兩維至六維的空間力和力矩信息，將多維力傳感器引入諸如醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人、外骨骼機(jī)器人、智能輪椅、柔性裝配機(jī)械臂等智能設(shè)備中使得設(shè)備可以感知與外界的作用力，基于作用力的信息通過合理的控制算法可實(shí)現(xiàn)設(shè)備與使用者或外界環(huán)境間作用力的控制，保證了人與機(jī)器之間協(xié)作作業(yè)的安全性[4-5]。

六維力傳感器是人機(jī)協(xié)作機(jī)器人的重要部件,目前使用較為普遍的是應(yīng)變式和壓阻式多維力傳感器,這種傳感器存在信號需要放大調(diào)理、制作工藝難度大、成本較高等不足之處[6-7]。

基于以上分析,結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用場景,本文設(shè)計(jì)出一種基于應(yīng)變片阻值測量的新型電容式多維力傳感器,該傳感器安裝固定和拆卸無需使用螺絲刀、扳手等專用工具,省時(shí)省力,而且所有的傳感原件都印刷在單個(gè)電路板上(縮寫為PCB),無需布線,制造過程顯著簡化。仿真研究證明本文設(shè)計(jì)的電容式多維力傳感器具有輸出信號幅值大、無需放大、抗干擾能力強(qiáng)、無需粘貼應(yīng)變片等元器件,易于實(shí)現(xiàn)小型化、成本較低等優(yōu)勢。

1 傳感原理

1.1 平面中的雙軸力傳感

平行板電極型電容器極板距離與電容之間的數(shù)學(xué)關(guān)系[8],如式(1)

(1)

其中,ε為兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù);S為兩極板間的相對有效面積;d為兩極板間距。當(dāng)極板間距d改變?yōu)棣時(shí),初始電容C的改變量為ΔC1,如式(2)

(2)

(3)

(4)

圖1說明了電容式雙軸力傳感器的實(shí)際設(shè)計(jì)。同一平面上兩個(gè)并聯(lián)電容器,底部電極用印刷電路板來實(shí)現(xiàn),頂部電極作為一個(gè)整體接地,在實(shí)體金屬中開槽可以起到上極板的作用,進(jìn)一步簡化了傳感器的結(jié)構(gòu),只需一塊印刷電路板(PCB)即可實(shí)現(xiàn)。

圖1 電容式雙軸力傳感器在平面上的結(jié)構(gòu)

這樣,可以使用平板電容器作為力傳感元件。如果給上電極板施加一個(gè)法向力,垂直電極距離d將縮短,電容量C就會增加,如圖1a所示,因此,通過電容量的變化可以計(jì)算出法向力的大小。到目前為止,大多數(shù)單軸或多軸力傳感器采用上述原理電容法[4]。平行板電容器的一個(gè)顯著屬性是剪切力引起的電極水平偏移導(dǎo)致電容量的變化,如圖1b所示。

1.2 平面中的六維力傳感器

圖2為傳感元件陣列的俯視圖,六個(gè)傳感元件在圓形盤中對齊,頂部電極為棕色,底部電極為綠色的,電極連接到彈性圓盤的頂部和底部,上部電極以棕色顯示,下部電極以綠色顯示,構(gòu)建了三個(gè)雙軸力傳感器。如果在圓盤的上表面施加一個(gè)外力,上下電極的相對位置隨之改變[5]。

圖2 六維力傳感網(wǎng)俯視圖

位移導(dǎo)致電容變化,例如,當(dāng)施加Fz時(shí),所有電容器的電容都會降低,施加Mz力矩時(shí),電容器1、3和5的電容增加,而2、4、6電容器的電容量由于頂部電極水平位移而減少[6],具體情況如表1所示。

表1 電容隨施加力的方向而變化

(5)

(6)

上式中,N是6×6的對角矩陣,矩陣元素代表感應(yīng)范圍的最大值該矩陣元素值由實(shí)驗(yàn)確定。

2 改進(jìn)的電容多維力傳感器設(shè)計(jì)模型

通過彈性結(jié)構(gòu)感應(yīng)外界載荷,載荷作用下使得彈性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生形變,該形變改變了電容陣列之間的間距和有效面積,從而使得電容陣列電容值產(chǎn)生變化,在一定的載荷范圍內(nèi),電容陣列的電容值變化與外載荷呈線性相關(guān)關(guān)系[9-11],因此可通過檢測電容值的變化從而獲得外載荷的大小,本文設(shè)計(jì)的電容式多維力傳感器結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 改進(jìn)的電容式多維力傳感器結(jié)構(gòu)形式

3 仿真環(huán)境及方法

由于電容式多維力傳感器的傳感過程中涉及彈性力場和靜電場兩個(gè)物理場,且兩者之間為雙向耦合關(guān)系,即彈性體在外載荷作用下的彈性變形使得靜電場產(chǎn)生變化,靜電場的靜電力變化又對結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生影響[12]。因此,本仿真采用COMSOL多物理場仿真軟件中機(jī)電耦合模塊進(jìn)行仿真分析,該分析工具分析在電容式多維力傳感器的電容陣列容值在力場、靜電場耦合效應(yīng)作用下與特征參數(shù)集、外載荷之間高保真度的映射關(guān)系,仿真參數(shù)設(shè)置如圖4和圖5所示。

圖4 結(jié)構(gòu)邊界載荷(XYZ各軸定義如圖)

圖5 靜電場仿真設(shè)置

4 仿真分析

通過對外加載荷進(jìn)行參數(shù)掃描分析,獲得在不同載荷下電容陣列的各個(gè)電容值的變化,本設(shè)計(jì)中為8個(gè)電容值,即C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8。該外界載荷沿各軸的投影分別定義為:Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz,如圖6所示。

根據(jù)圖6可知,通過各電容變化的趨勢可看出本文設(shè)計(jì)的電容式多維力傳感器在輸出信號幅值無需放大的情況下可以具有高度靈敏性、分辨率和運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)勢,進(jìn)而驗(yàn)證了該電容式多維傳感器易于實(shí)現(xiàn)小型化、成本較低和結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn),簡化結(jié)構(gòu)是通過平面內(nèi)配置實(shí)現(xiàn)的并聯(lián)板電容器。因此低成本的大規(guī)模生產(chǎn)是可實(shí)現(xiàn)的。

5 結(jié)論

本文通過設(shè)置仿真參數(shù)載荷施加面、無位移邊界、零電勢面和單位電勢面,采用COMSOL多物理場仿真軟件中機(jī)電耦合模塊,通過對外加載荷進(jìn)行參數(shù)掃描分析,獲得在不同載荷下電容陣列的各個(gè)電容值的變化來分析該設(shè)計(jì)的可行性及合理性,本文設(shè)計(jì)的傳感器克服了傳統(tǒng)傳感器體積大(因?yàn)檎迟N了應(yīng)變片等元器件),而該新型多維電容式多維傳感器無需粘貼電器元件,而是采用容值的變化來感知外部信息,所以簡單、易于制造,可實(shí)現(xiàn)小型化作業(yè)。期望該傳感器可廣泛應(yīng)用于各種機(jī)器人生產(chǎn)加工,這將有助于機(jī)器人在市場上的普及。