(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(guó)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(duì)接、精細(xì)外科輔助手術(shù)等場(chǎng)合都需要高精度、低耦合、高分辨率、強(qiáng)剛度的力傳感器來(lái)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(guò)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(hào)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(chǎng)景,本文設(shè)計(jì)出一種基于應(yīng)變片阻值測(cè)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(wú)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(wú)需布線,制造過(guò)程顯著簡(jiǎn)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(hào)幅值大、無(wú)需放大、抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)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(shì)。

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(duì)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(shuō)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(lái)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(jiǎn)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(huì)增加,如圖1a所示,因此,通過(guò)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(duì)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(duì)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(huì)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(duì)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(guò)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(guò)檢測(cè)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(guò)程中涉及彈性力場(chǎng)和靜電場(chǎng)兩個(gè)物理場(chǎng),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(chǎng)產(chǎn)生變化,靜電場(chǎng)的靜電力變化又對(duì)結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生影響[12]。因此,本仿真采用COMSOL多物理場(chǎng)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(chǎng)、靜電場(chǎng)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(chǎng)仿真設(shè)置

4 仿真分析

通過(guò)對(duì)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(guò)各電容變化的趨勢(shì)可看出本文設(shè)計(jì)的電容式多維力傳感器在輸出信號(hào)幅值無(wú)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(shì),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(jiǎn)單等特點(diǎn),簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)是通過(guò)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(guò)設(shè)置仿真參數(shù)載荷施加面、無(wú)位移邊界、零電勢(shì)面和單位電勢(shì)面,采用COMSOL多物理場(chǎng)仿真軟件中機(jī)電耦合模塊,通過(guò)對(duì)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(lái)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(wú)需粘貼電器元件,而是采用容值的變化來(lái)感知外部信息,所以簡(jiǎn)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(chǎng)上的普及。