力感测装置的制作方法

本发明涉及力感测领域。更具体地，本发明涉及一种能够以3个或更多个自由度分辨接触力的接触力探针组件。

背景技术：

近年来，已经基于气压转换器开发了力感测装置。在题为“tactilesensor(触觉传感器)”、公开号为us2014/0260678的美国专利中描述了一个最近的示例。该专利申请描述了一种由包封在弹性材料中的压力转换器形成的触觉传感器。弹性材料限定触觉传感器的接触表面并用于将施加到接触表面的接触力传递到转换器。该专利申请中描述的触觉传感器紧凑且重量轻(约10克)。该专利申请提出了触觉传感器的许多应用，包括对机械手的控制、工业自动化中的产品刚度测试、平衡和调平应用、触觉等。

us2014/0260678中描述的每个传感器包括围绕安装在印刷电路板上的压力转换器的腔室。腔室填充有弹性材料，该弹性材料从腔室中的开口扩展以提供接触表面。压力转换器例如是可从美国德克萨斯州奥斯汀的飞思卡尔半导体公司(freescalesemiconductorinc)获得的mems(微机电系统)mpl115a2绝对压力传感器。

reeks等人最近描述了一种力感测装置(“angledsensorconfigurationcapableofmeasuringtri-axialforcesforphri(能够为phri测量三轴力的成角传感器配置)”；christianreeks、marcgcarmichael、dikialiu、kennethjwaldron；2016ieee机器人与自动化国际会议；瑞典斯德哥尔摩，2016年5月16日至21日)，其使用成角度的传感器阵列来测量沿每个笛卡尔轴(x、y和z)施加的外力。力感测装置使用以马耳他(maltese)十字形格式布置的四个气压感测装置，每个气压感测装置相对于相互作用表面成角度，优选地成45度。四个气压感测装置布置在印刷电路板上并用聚氨酯橡胶封装。与上述装置一样，气压感测装置形成有具有开口的腔室，腔室填充有聚氨酯橡胶，以将接触力传递到感测装置。

已知的装置在其应用中受到限制，因为每个装置仅测量有限范围的力。

技术实现要素：

在一种形式中，尽管它不必是唯一的或实际上最宽的形式，但本发明在于一种紧凑型测力单元，其同时测量从传感器平面偏移距离h的承载平面中的法向力和剪切力，该紧凑型测力单元包括：

至少三个力感测元件，其围绕点布置在传感器平面中并与该点间隔距离d，每个力感测元件包括被包在力传递介质中的压力传感器；

承载板，其与力传递介质接触；

承载杆，其在一端处在传感器平面的点上方连接到承载板并延伸到承载平面；

其中，作用在承载平面中的力通过承载杆和承载板传递到传感器平面。

传感器平面适当地包括印刷电路板，并且力感测元件与印刷电路板结合并电连接。印刷电路板适当地包括信号处理电子器件。

力感测元件可以围绕点均匀布置，例如在以该点为中心的等边三角形的拐角处，或者每个感测元件非均匀地距该点不同距离d。

力传递介质优选为聚氨酯橡胶，并且承载板适当地由聚甲基丙烯酸甲酯制成。通过任何适当的方法将承载板结合到力传递介质上，但最合适的是通过胶合。

承载杆可以是固定到承载板中心的柔性杆，最方便地是通过胶合。适当的柔性杆是碳棒。替代地，承载杆可以是固定到整个承载板的更大结构，或者是承载板的主要部分。在一种形式中，承载杆是驱动uav的转子的电动机。转子的轴线与承载板的中心对齐，使得作用在转子上的力传递到传感器平面。

紧凑型测力单元适当地固定在参考平面上。参考平面可以是移动平面，诸如工具的工作表面、机器人的抓握表面、uav的机身或类似情况。

在另一种形式中，本发明在于一种紧凑型测力单元阵列，其附接到对象和处理器上，每个紧凑型测力单元是上述类型的测力单元，处理器接收来自每个紧凑型测力单元的读数并计算对象的推力和速度。适当地，存在至少两个紧凑型测力单元，并且每个紧凑型测力单元具有至少三个力感测元件。优选地，存在四个紧凑型测力单元，每个紧凑型测力单元具有四个传感器元件。

适当地，对象是四旋翼飞行器uav，并且存在四个紧凑型测力单元，每个紧凑型测力单元都偏离四旋翼飞行器uav的质心。处理器适当地根据紧凑型测力单元的测量结果确定以下中的一个或多个：俯仰；偏航；滚转；x轴运动；y轴运动；和z轴运动。

在又一种形式中，本发明在于一种测量从传感器平面偏移距离h的承载平面中的法向力和剪切力的方法，包括以下步骤：

将法向力和剪切力传递到紧凑型测力单元的承载板，该紧凑型测力单元包括围绕点布置在传感器平面中并且与该点间隔距离d的至少三个力感测元件，每个力感测元件包括被包在力传递介质中的压力传感器，其中，承载板与力传递介质接触；

测量每个力感测元件上的力；以及

根据每个压力感测元件上的力来计算承载平面中的法向力和剪切力，d和h。

在又一种形式中，本发明在于一种通过以下步骤确定四旋翼飞行器的推力和速度的方法：

在机身和每个转子之间布置上述类型的紧凑型测力单元；

确定每个转子的法向力和剪切力；

根据法向力和剪切力来计算uav的推力和速度。

从以下详细描述中，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

为了帮助理解本发明并使本领域技术人员能够将本发明付诸实践，将仅通过示例的方式参考附图来描述本发明的优选实施例，其中：

图1示出根据本发明的测力单元的第一实施例；

图2示出图1的测力单元的另一视图；

图3是图1的测力单元的一个传感器的示意图；

图4示出采用图1的测力单元的接触探针；

图5示出图4的接触探针被负载移位；

图6示出来自图4和图5的接触探针的输出信号；

图7示出采用测力单元来测量推力和速度的四旋翼飞行器；

图8示出图7的四旋翼飞行器上的力；

图9示出用于图7的应用的控制系统；

图10示出在图7的应用中采用的测力单元；

图11示出图10的测力单元的反向视图；

图12是替代性测力单元配置的示意图；

图13是另一替代性测力单元配置。

具体实施方式

本发明的实施例主要在于紧凑型测力单元和制造紧凑型测力单元的方法。因此，紧凑型测力单元的元件已在附图中以简明的示意图形式示出，附图仅示出理解本发明的实施例所需的那些具体细节，而以免通过对于受益于本说明书的本领域普通技术人员而言很明显的过多细节使本公开内容模糊不清。

在本说明书中，诸如第一和第二、左和右等词可以仅用于将一个要素或动作与另一要素或动作区分开，而不必要求或暗示任何实际的这种关系或顺序。诸如“包括”或“包含”的词旨在定义非排他性包含，使得包括所列要素的过程、方法、物品或装置不仅包括那些要素，而且还可以包括没有明确列出的其他要素，包括这种过程、方法、物品或装置固有的要素。

参考图1，示出根据第一实施例的紧凑型测力单元10。紧凑型测力单元10由以交叉配置安装在印刷电路板(pcb)12上的四个mems压力传感器11组成。每个压力传感器11封装在力传递介质13(诸如聚氨酯橡胶(pur))中。在图2中最清楚地看到聚氨酯橡胶。pcb12包括微控制器和接口连接，其方便地是usb连接。在下面更详细地描述pcb。承载板14被固定、适当地胶合到pur13的顶部。在图2中已经移除了承载板14，以使pur13更加可见。

发明人已经发现聚氨酯橡胶是特别合适的力传递介质，但也可以使用其他材料。例如，也可以使用硅橡胶材料。要求是力传递介质将从接触表面施加到接触表面的力传递到压力传感器11。任何玻璃质材料和电绝缘体都应当是合适的。

此外，可以针对特定应用选择力传递介质的物理特性。软力传递介质可以提供在某些应用中期望的阻尼程度。硬力传递介质可以传递在其他应用中期望的更强信号。

mems压力传感器11适当地是可从measswitzerlandsari获得的ms5611气压传感器。如图1所示，压力传感器设置在不锈钢容器中，但是发明人发现，如果如下所述移除容器，则实现更高的灵敏度。另一种传感器是可从美国德克萨斯州奥斯汀的飞思卡尔半导体公司获得的mpl115a2，但发明人发现ms5611是优选的。另一种合适的传感器是boschgmbh的bmp280。其他气压传感器也是合适的。

在图3中示意性地示出每个单独传感器11的布置。每个传感器11通过将引脚头15焊接到pcb12上而附接到pcb。引脚头还用于在pcb和传感器芯片11之间传输数据和电力。传感器11的有源元件11a朝向传感器11的一端定位，并通过移除制造商提供的不锈钢容器而露出。力传递介质13模制在有源元件11a上。每个传感器元件输出的数据是12比特压力传感器读数。

测力单元10的应用如图4所示。柔性碳纤维杆40附接在一对测力单元42、43之间的承载板41的中心。测力单元42、43具有与上述测力单元10相同的结构。在没有负载施加到纤维杆40的情况下，来自八个传感器的压力读数是相同的，如图6(a)所示。当负载46施加到纤维40的端部时，如图5所示，压力读数以图6(b)所示的方式变化。显然，前四个读数(对应于测力单元42上的传感器)仅仅是后四个读数(对应于测力单元43上的传感器)的镜像。因此，在一些应用中不需要第二测力单元，但在其他应用中，它允许更宽范围的推/拉测量。

测力单元的另一应用是直接感测无人机(uav)的推力和速度，尤其是四旋翼飞行器。微型uav飞行需要准确估计飞机位置、速度和所施加的推力，以便精确地跟踪轨迹。然而，由四旋翼飞行器的转子产生的推力是可变的并且可以包括不期望的或未知的非轴向力分量。局部风、高于地面的高度和飞机的动作可能会影响产生的推力。当代高性能控制通常采用高分辨率、精确运动捕捉和机载惯性测量单元(imu)来在空间中定位飞机并正确地将飞机的输出力对准期望方向并校正跟踪误差。

在测量空间之外，由于诸如gps的传统系统、动态空速传感器和光流的限制，可获得的跟踪精度降低。这些传感器在低速、小移动范围下或在光流的情况下远离地面时无效。同样，诸如mems加速度计的固有传感器由于其噪声和高漂移而不能胜任。更好的方法是直接测量从转子传递到微型uav的机身的力。这提供了对进入飞机的刚性动力学的力的立即测量，使得可以应用快速控制回路来调节体积力，以及还提供了关于在每个转子处观察到的速度的影响的信息。通过采用转子摆动和诱导阻力动力学模型，可以使用对转子推力的横向分量的测量结果来推断转子处的局部空气动力学流场。

传感器阵列安装在微型四旋翼飞行器的每个转子上，以提供飞机推力和速度的总体估计。从四旋翼飞行器的质心偏移一些距离安装的转子的运动允许由于俯仰、滚转和偏航速度引起的交叉耦合力加到平移速度的那些上。对于两个或更多个转子，可以进行足够的测量(原则上)以提取完整的6-dof速度矢量的估计。

四个压力传感器的方形布置允许通过取两个相对传感器读数的差异来沿每个对角线独立地测量扭矩。电动机产生的推力可以通过取所有四个标定传感器读数的总和来计算。

近似为简单的弹簧的每个传感器元件上的力fn由下式给出：

其中，k是传感器系数，并且是由标准负载(gaugeload)下的皮重传感器读数，给出为

由模(die)传感器阵列测量的总垂直力fz由下式给出：

fz＝∑fn(2)

由电动机力传感器测量的扭矩τx和τy由下式给出：

其中，d是感测元件与电动机力传感器中心的水平距离。

传感器系数通过对传感器加载一系列已知质量来确定，并且在图7的具体实施例中确定为k＝3058units(单位)/n。

用于测量法向力fz以及扭矩τx和τy的布置在图7中与x、y、z参考轴一起示出。测力单元70安装在作为参考平面的机身71上，并且转子72安装在测力单元上。测力单元具有usb连接73，用于如下所述与板载微控制器进行数据通信。如图8所示，承载点从测力单元垂直偏移距离h，并且作用于测力单元的中心，使其水平偏移距离d。应当理解，这里将“水平”和“垂直”用作为相对术语，并且本发明决不限于这些特定方向。

当转子通过电动机向机身施加力时，承载板上的压力场变化产生跨越传感器元件的整体和差分测量，从中可以导出轴向力和横向力。转子中心和承载板表面之间的偏移允许将纯扭矩耦合成力矩并进行测量。

包括两个感测元件的简化平面模型的自由体图被认为如图8所示。力传感器是可压缩的并且允许负载下的小偏转。

推力的垂直和水平分量是：

tz＝f1+f2+f3+f4(8)

其中，fi是由第i个传感器元件测量的力。

机载测量的四旋翼飞行器的力和速度自然会在体坐标框架a＝{e1，e2，e3}中表达，其中，与飞行器的前部对齐。相对于惯性框架，矢量v是用a表示的框架a的平移速度，ω是框架a的角速度。

a.单转子力和扭矩

当转子垂直于其旋转轴平移时，由于叶片摆动和诱导阻力引起的不平衡的空气动力产生与运动方向相反的水平推力分量。当四旋翼飞行器俯仰或滚转时，其转子的瞬时陀螺稳定性使它们滞后于机身的运动。这产生有效的叶片摆动，其导致体坐标框架中的局部横向推力分量。

结合这些效应可为多转子产生6-dof单转子力模型：

t＝-kω²(i-(q1vxe3)x-(q2ω)x)e3(9)

其中，t是转子力，k是转子推力常数，ω是转子速度，i是3×3单位矩阵，v和ω分别是飞机体坐标平移和旋转速度。针对分别是转子的恒定平移和旋转横向力参数的q1和q2，矩阵q1和q2是：

q1＝q1(e1e20)(10)

这里x是斜对称矩阵算子。

相反，当转子轴向平移时，流经转子叶片的空气的局部迎角改变导致与运动方向相反的推力的增大或减小(称为转子入流阻尼)：

t·e3＝-kω²(i-czv·e3)(12)

其中，cz是阻尼常数，由下式给出：

其中，α是几何转子迎角，并且r是转子半径。

因此，3-dof平移速度以及滚转和俯仰旋转速度产生在转子头处可测量的力。对于单个转子，俯仰和滚转引起的力与平移引起的力无法区分。

本领域技术人员将理解，以上描述涉及用于估计力-扭矩映射的线性化模型。其他模型(诸如二次估计)在其他应用中可能更合适。本发明不限于根据测量的力计算转子参数的任何特定方法。

b.整体转子运动

四旋翼飞行器的多个转子提供可以用于速度估计的附加机构。四旋翼飞行器的转子与其质心之间的位移导致由于滚转、俯仰和偏航速度引起的转子的耦合平移。可以扩展等式(9)以给出由于运动而引起的测量推力的变化：

δti＝-kw²[-k1v-k2iω](14)

其中，ti是第i个转子的推力，k1和k2i是第i个转子的增强耦合矩阵：

k1＝q1+(00cze3)(15)

k2i＝(k1dix-q2)(16)

其中，di是转子相对于质心的偏移。

因此可以为整架飞机编写运动和推力输出之间的映射：

其中，组合的12×6耦合映射矩阵表示为p。通过利用该耦合，可以恢复飞机的完整6-dof速度矢量。对于传统的“+”四旋翼飞行器，其四个转子的转子速度大致相等，距质心的距离d与高度h相等，则p为：

对于d和ω的非零值，p的秩为6，并且可以容易地计算它的左逆，使得：

注意，横向速度分量实际上是平均横向力，按i/q1缩放，因为其他贡献分量非常小。因此，预计垂直速度和旋转速度灵敏度也很小，这导致较不灵敏的跟踪。然而，由于飞机的imu陀螺仪也提供有用的速度估计，因此这些可以附加地与力导出的估计量融合以增强测量。

参考图9，示出用于收集上述等式的数据的布置。测力单元90a至90d与每个转子相关联并通过usb连接到微控制器91。用于引导uav飞行的控制信号通过无线电接收器92提供给微控制器91。来自传感器的处理数据与飞行指令组合，以将飞行控制信号输出到飞行控制器93，并因此输出到转子的电动机的电子速度控制器(esc)。

图7的测力单元与图1的测力单元的不同之处在于，包括用于将测力单元附接到机身的四个带螺纹支座110和用于将转子附接到测力单元的四个螺钉100。这些在图10和图11中清楚地示出。图10还清楚地示出移除不锈钢帽的mems传感器。带有usb连接器115时，测力单元重约3g。

上述两个实施例说明了本发明在接触探针上的应用以及uav的推力和速度的测量。在每种情况下，紧凑型测力单元由四个mems传感器构成。如图12所示，三角形的至少三个传感器需要测量横向力和垂直力两者。另外，如图13所示的改变距离d的传感器的重新配置可以提供其他优点。

还可以使用上述配置来测量多种效果。例如，描述的用于控制uav飞行的配置还可以用于障碍物检测。如果uav接近障碍物，则转子周围的气流以可测量的方式受到影响。气流的变化在来自传感器阵列的读数中表现出来，因此可以用于障碍物检测。

具体参考图12，示出具有三个感测元件121的测力单元120。每个感测元件121由芯片122制成，该芯片是开放式的(如前所述，所提供的不锈钢容器被移除)。如前所述，感测元件封装在pur中，并且附接承载板(未示出)。承载杆123从中心点沿轴线延伸。

具体参考图13，示出具有四个感测元件131的测力单元130。每个感测元件131具有与前述相同的结构，封装在pur中，附接承载板。承载杆从中心点133沿轴线延伸。与感测元件131b和131d相比，感测元件131a和131c设置在距中心点133不同的距离d处。

紧凑型测力单元可以用于其他应用。例如，测力单元可以体现在鞋的后跟中，其中，接触探针朝向地面延伸。在步行期间，测量的扭矩可以用于分析足跟站稳(heelplant)和足部撞击。紧凑型测力单元可以附接到关节的一侧，其中承载杆延伸到关节的另一侧。在该应用中，测力单元将测量关节臂之间的相对法向力和剪切力。另一个应用是在机床工作面附近固定紧凑型测力单元，并使用反馈回路来控制工具施加给工件的法向力和剪切力。在该配置中，可以在>1khz下获得反馈，从而允许实现快速变化和高精度。这对于自动化手术工具可能特别有用，因为这些装置可以容易消毒。

尽管已经根据布置pcb的mems压力传感器描述了紧凑型测力单元，但是应当理解，本发明不需要以这种特定方式构造。发明人设想紧凑型测力单元可以体现为单模mems力-扭矩传感器，用于通过机械结构测量宏观力，该机械结构包括在硅层上制造的杆、连杆和联网机械部件。在该实施例中，该装置采用一个或多个电容式、电感式或电阻式mems力测量元件结合一个或多个传递元件，该传递元件缩放和重定向指向承载点的力，使得传递的力在一个位置处并且在适合由mems传感器测量的动态范围内产生运动。若干这样的传递元件的组合，共同地或作为重复网络中的子系统，一起工作以将施加的扭矩转换成可测量的力，在两个或更多个传感器之间均匀地或不均匀地划分所施加的力，或者通过动态范围划分施加在传感器上的力。通过这种方式，可以通过将大部分力施加到具有宽动态范围的大型、不敏感传感器，并且将少量的力施加到具有高精度的小型传感器来精确测量非常大的力，然后组合这些测量结果以产生准确的结果。

单模mems力-扭矩传感器具有多个隔室，这些隔室彼此机械地和压力地彼此隔离以独立测量力，并且存在将外力分配到这些隔室中的传递元件。这些传感器之间的连接网络可以形成超材料结构的一部分。

提供本发明的各种实施例的以上描述是为了向相关领域的普通技术人员进行说明。其并非旨在穷举或将本发明限制于单个公开的实施例。如上所述，本发明的许多替代和变化对于上述教导领域的技术人员来说是显而易见的。因此，虽然已经具体讨论了一些替代性实施例，但是本领域普通技术人员将清楚或相对容易地开发其他实施例。因此，本发明旨在包括本文已经讨论的本发明的所有替代、修改和变化，以及落入上述发明的精神和范围内的其他实施例。