专利名称：利用四相敏感元件测量三轴力的方法
技术领域：
本发明属于机器人触觉传感技术领域，具体涉及一种利用四相敏感元件测量三轴力的方法。
背景技术：
触觉是机器人获取环境信息的一种重要知觉形式。从某种意义上说，尽管触觉的研究不如视觉那样广泛，但它对于智能机器人却显得尤为重要。而触觉本身具有很强的敏感能力，能够直接感知对象的多种性质特征包括接触力的大小、柔软性、硬度、弹性、粗糙度、材质等。触觉需要传递和处理的信息较少而效率更高，一般不需要很复杂的设备而价格较低。从理论上讲，触觉传感技术更引发了一系列有关“智能”的问题，它在许多方面甚至比视觉更接近于机器人学的精髓，不仅包含了机器人最基本的感知能力，还更强调有关数据识别的问题，尤其是各个动作和行为之间所产生的作用力。
由此看来，触觉传感技术是实现智能机器人技术的关键因素之一，触觉传感器的发展对智能机器人具有相当重要的意义。触觉不仅仅是视觉的一种补充，它与视觉一样，都是模拟人的感觉，是机器人实现与环境直接作用的必需媒介。也正因为如此，世界上许多国家均不同程度地花费大量的人力、物力和财力从事触觉传感器的研究。
机器人触觉技术的研究已有30余年的历史，世界上科技发达的国家均投入较大的人力和财力开展这项研究，触觉传感技术在应用研究方面已经取得了很大的进步，尤以美、日、意、英等国为甚。然而纵观各国机器人触觉技术现状，触觉传感器几乎尚未走出实验室。
我国在这方面起步较晚，机器人触觉传感技术的研究开始于80年代左右，受到客观条件的限制，在1987年国家863计划实施以后才加快步伐。在863计划支持下，中科院合肥智能所、北京理工大学、东南大学等单位在90年代初相继开展各有特色的研究，取得了一定的成果。但是总的来说，这些成果与国际先进水平相比尚有很大的差距。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术中的不足，提供一种结构简单、反应灵敏，能够通过四相敏感元件所测得的信号反推出作用在系统上的三轴力的方法，为三轴力的计算找到了一个通用的计算公式，而其中的信号根据敏感元件的不同可以是力信号、电信号和光信号。倾斜和变形，导致电容值发生变化，从而可以反映出力的变化，参见图5。
其中Fs、Fn分别为切向力和法向力，C1、C2、C3、C4为电容变化量，Ks、Kn为对应的转换系数。
3.基于光信号的实施例参见图6，基于光信号原理的三轴力触觉传感系统由硅橡胶类弹性材料制成的传感头3-1和波导板3-2组成，形成光敏元件，硅橡胶体传感头3-1的两面分别制成不同的触头，参见图7，与波导板接触的一面是四个半球形触头3-1-1，与施力物接触的一面是圆柱触头3-1-2，圆柱触头的头部也制成半球形。当空间力F施加在圆柱触头3-1-2上时，下面的四个半球触头3-1-1在波导板3-1上产生不同程度的变形，破坏导波传播条件，产生光的泄漏，形成四个不同面积大小的光斑，见图8。
根据有限元分析和实验结果，外力F的3个分量与4个光斑面积S1、S2、S3、S4的线性组合之间存在着如下关系 其中α、β和γ为力的换算系数，与传感头的材料属性和圆柱、半圆球的几何尺寸有关。
由上述的实施例可见，对于各种电信号、力信号和光信号，我们均可通过设计对应的四相敏感元件来测量作用在系统上的三轴力。而且综合(1)、(2)和(3)式发现，不论采用哪种方案，三轴力与四相敏感信号之间均存在如下关系Fj=ξjΣi=14δiSi---(4)]]>其中Fj三轴力，Sj为四相敏感信号，ξj为力的换算系数，与传感头的材料属性和几何尺寸有关。
j取值x、y或z，δj取值1、0或-1。
本方法可结合硬件模块和软件模块实现，参见图9，由相关的硬件模块进行对四相敏感元件的信号进行测量，最后将所测得的数据传递给软件模块完成结果处理和分析。
计算实例以实施例3为例，采用硅橡胶材料，当圆柱触头的底面直径为4mm，高为6mm，半圆本发明提出利用四相敏感元件测量三轴力的方法，现结合各附图，分别以力敏元件、电敏元件和光敏元件为例，详细说明其实施方式1.基于力信号的实施例如图1所示，该例中的传感头由四角锥体1-1、PVDF压电膜1-2和基座1-3组成。四角锥体1-1由导电树脂材料制作，上面覆盖一层薄的硅橡胶1-4可直接接触施力物体，四角锥体1-1的四个面各粘贴一层PVDF压电膜1-2，并由铜线1-5引出导线1-6，基座1-3由环氧树脂制成，基座底部有通孔1-7。施加于四角锥体1-1上方的x、y、z三向力，在A、B、C、D四块PVDF压电膜1-2上产生不同的压力，通过检测即可确定外力在x、y、z方向的分量，其受力检测方案可参见图2。
如图3所示，四角锥体的4个三角表面分别为A、B、C、D，当外力F与Z轴成θ角且F在xoy平面上的投影与x轴成角施加于四角锥体上表面时，将在A、B、C、D四个平面上分别产生四个分力FA、FB、FC、FD。将四角锥体底面设计为正方形，边长为a，锥体高为a/2，很容易证明当从o点向表面A(即Δjkp)作垂线时，垂足必然为线段np的中点(图中m、n分别为正方形一组对边的中点)，从而得知FA的方向必然如图中所示。同理可以证明FB、FC、FD的方向也将落在B、C、D平面上的对应位置。
根据合力与分力的关系，外力F在x、y、z三个方向上的分力与FA、FB、FC、FD的关系为 2.基于电信号的实施例图4所示的触觉传感系统是一种基于微分电容原理的传感系统，它采用了IC工艺和微机械技术。法向力和切向力是依靠力平台下的电容阵列来检测的，这种传感器检测法向力的灵敏度是0.13Pfg-1，在受力为0～1g时切向力的灵敏度是0.32Pfg-1。传感器的空间分辨率是2.2mm，它的最大动态响应频率是162Hz。通过改变膜的厚度可以调节该传感系统的测力范围和灵敏度。它以硅为材料的弹性体2-1和玻璃聚合体2-2组合，弹性体2-1与聚合体2-2之间有空腔，并相对贴有薄膜2-3，薄膜上贴有电极2-4，形成电容阵列。
由于该系统基于微分电容原理，每一个传感单元包含一个电容阵列，它由四个电容C1、C2、C3、C4组成。当传感头受到力的作用时，弹性体2-1受压，其底部贴有电极的薄膜发生本发明提出的利用四相敏感元件测量三轴力的方法，包括以下步骤(1)首先采用力敏元件、电敏元件或光敏元件作为四相敏感元件，设计出相应的三轴力触觉传感头；(2)在传感系统上施加三轴力，根据在四个敏感元件上产生的四相信号，采用下述公式，计算作用在系统上的三轴力，计算公式为Fj=ξjΣi=14δiSi]]>其中Fj三轴力，Sj为四相敏感信号，ξj为力的换算系数，与传感头的材料属性和几何尺寸有关；j取值x、y或z，δi取值1、0或-1。
本发明与现有技术相比，具有如下优点●结构简单、体积小、重量轻当四相敏感元件采用力敏元件时，传感头的四角锥体尺寸为4mm×4mm×2mm，当四相敏感元件采用电敏元件时，传感头的薄膜直径为0.9mm，当四相敏感元件采用光敏元件时，传感头的四个半球形触头半径为1mm，因此整个三轴力传感头的尺寸都相应较小、重量较轻。
●应用灵活对于不同的使用场合，三轴力传感头可以根据外力F的大小和作用范围来进行设计。
●易于阵列化可由多个传感头组成力觉传感阵列。
●耐冲击由于传感头由硅橡胶类弹性材料制成，因而耐冲击。
图1是基于力敏元件的触觉传感头；图2是基于力敏元件的触觉传感头受力检测方案；图3是四角锥体的受力分析图；图4是基于电容原理的三轴力触觉传感头的结构；图5是传感系统对法向力和剪切力的响应；图6是基于光波导的触觉传感头在外力作用下形成光斑的过程及其检测方案；图7是基于光敏元件的触觉传感头；图8是由四相光敏元件所产生的不同信号；图9是利用四相敏感元件测量三轴力的主要步骤。
具体实施例方式
球触头底面直径为2mm，高为1mm时，α、β、γ经多次实验计算结果为α＝0.82、β＝0.82、γ＝1.80(单位为N/mm2)。现测得S1＝2.8、S2＝1.6、S3＝2.4、S4＝1.2(单位为mm2)，即可根据公式(3)计算出Fx＝1.968，Fy＝0.656，Fz＝14.4(单位为N)。由此可见，通过设计不同的材料和几何尺寸，即可决定系数α、β、γ，只要测出S1、S2、S3、S4，即可求出作用于传感系统的三轴力。
权利要求
1.利用四相敏感元件测量三轴力的方法，其特征在于测量步骤如下(1)首先选用力敏元件、电敏元件或光敏元件作为四相敏感元件，形成相应的传感头；(2)当在传感头上施加三轴力时，根据在四个敏感元件上产生的四相信号，采用如下的计算公式，计算作用在系统上的三轴力，计算公式为Fj=ξjΣi=14δiSi]]>其中Fj三轴力，Sj为四相敏感信号，ξj为力的换算系数，与传感头的材料属性和几何尺寸有关；j取值x、y或z，δi取值1、0或-1。
2.根据权利要求1所述的利用四相敏感元件测量三轴力的方法，其特征在于当四相敏感元件采用力敏元件时，所述的传感头由四角锥体、力敏元件PVDF压电膜和基座组成，四角锥体由导电树脂材料制作，上面覆盖一层薄的硅橡胶并粘贴一层PVDF压电膜，基座由环氧树脂制成，施加于四角锥体上方的三轴力，在四片PVDF压电膜上产生不同的压力，通过力敏元件即可检测到，进而通过步骤(2)的公式计算出外力在x、y、z三个方向的分量。
3.根据权利要求1所述的利用四相敏感元件测量三轴力的方法，其特征在于当四相敏感元件采用电敏元件时，所述的传感头由弹性体、聚合体、贴有电极的薄膜，弹性体和聚合体之间设有空腔，并相对设贴有电极的薄膜，获得一个由四个电容组成电容阵列，形成电敏元件，当传感头受到力的作用时，贴有电极的薄膜发生倾斜和变形，导致电容值发生变化，由电容阵列检测到压力，进而通过步骤(2)的公式计算出外力在x、y、z三个方向的分量。
4.根据权利要求1所述的利用四相敏感元件测量三轴力的方法，其特征在于当四相敏感元件采用光敏元件时，所述的传感头由硅橡胶类弹性材料制成的硅橡胶垫、波导板组成，形成光敏元件，硅橡胶体传感头的两面分别制成不同形状的触头，与波导板接触的一面是四个半球形触头，与施力物接触的一面是圆柱触头，圆柱的头部制成半球形，当空间力F施加在圆柱触头上时，下面的四个半球触头在波导板上产生不同程度的变形，破坏导波传播条件，产生光的泄漏，形成四个不同面积大小的光斑，根据光斑面积即可计算出外力在x、y、z三个方向的分量。
全文摘要
本发明涉及一种利用四相敏感元件测量三轴力的方法，测量步骤如下(1)首先选用力敏元件、电敏元件或光敏元件作为四相敏感元件，形成相应的传感头；(2)当在传感头上施加三轴力时，根据在四个敏感元件上产生的四相信号，采用如下的计算公式，计算作用在系统上的三轴力，计算公式为
文档编号G01L1/00GK1544899SQ20031011102
公开日2004年11月10日 申请日期2003年11月24日 优先权日2003年11月24日
发明者潘英俊, 刘嘉敏 申请人:重庆大学