一種新的協(xié)作機器人人機用電容式多維力傳感器設計

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

0 引言

精密操控、柔性裝配、高效精細加工、光纖對接、精細外科輔助手術等場合都需要高精度、低耦合、高分辨率、強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)療康復機器人、手術機器人、外骨骼機器人、智能輪椅、柔性裝配機械臂等智能設備中使得設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現(xiàn)設備與使用者或外界環(huán)境間作用力的控制，保證了人與機器之間協(xié)作作業(yè)的安全性[4-5]。

六維力傳感器是人機協(xié)作機器人的重要部件,目前使用較為普遍的是應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,結合實際的應用場景,本文設計出一種基于應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,省時省力,而且所有的傳感原件都印刷在單個電路板上(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計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、無需粘貼應變片等元器件,易于實現(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)學關系[8],如式(1)

(1)

其中,ε為兩極板間介質的介電常數(shù);S為兩極板間的相對有效面積;d為兩極板間距。當極板間距d改變?yōu)棣時,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際設計。同一平面上兩個并聯(lián)電容器,底部電極用印刷電路板來實現(xiàn),頂部電極作為一個整體接地,在實體金屬中開槽可以起到上極板的作用,進一步簡化了傳感器的結構,只需一塊印刷電路板(PCB)即可實現(xiàn)。

圖1 電容式雙軸力傳感器在平面上的結構

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顯著屬性是剪切力引起的電極水平偏移導致電容量的變化,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,構建了三個雙軸力傳感器。如果在圓盤的上表面施加一個外力,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

位移導致電容變化,例如,當施加Fz時,所有電容器的電容都會降低,施加Mz力矩時,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,矩陣元素代表感應范圍的最大值該矩陣元素值由實驗確定。

2 改進的電容多維力傳感器設計模型

通過彈性結構感應外界載荷,載荷作用下使得彈性結構產(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關系[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,本文設計的電容式多維力傳感器結構形式如圖3所示。

圖3 改進的電容式多維力傳感器結構形式

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物理場,且兩者之間為雙向耦合關系,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構變形產(chǎn)生影響[12]。因此,本仿真采用COMSOL多物理場仿真軟件中機電耦合模塊進行仿真分析,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、靜電場耦合效應作用下與特征參數(shù)集、外載荷之間高保真度的映射關系,仿真參數(shù)設置如圖4和圖5所示。

圖4 結構邊界載荷(XYZ各軸定義如圖)

圖5 靜電場仿真設置

4 仿真分析

通過對外加載荷進行參數(shù)掃描分析,獲得在不同載荷下電容陣列的各個電容值的變化,本設計中為8個電容值,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計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、分辨率和運行穩(wěn)定等優(yōu)勢,進而驗證了該電容式多維傳感器易于實現(xiàn)小型化、成本較低和結構簡單等特點,簡化結構是通過平面內(nèi)配置實現(xiàn)的并聯(lián)板電容器。因此低成本的大規(guī)模生產(chǎn)是可實現(xiàn)的。

5 結論

本文通過設置仿真參數(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電耦合模塊,通過對外加載荷進行參數(shù)掃描分析,獲得在不同載荷下電容陣列的各個電容值的變化來分析該設計的可行性及合理性,本文設計的傳感器克服了傳統(tǒng)傳感器體積大(因為粘貼了應變片等元器件),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,可實現(xiàn)小型化作業(yè)。期望該傳感器可廣泛應用于各種機器人生產(chǎn)加工,這將有助于機器人在市場上的普及。