力反馈传感器:多维力传感器

2021/11/10 00:15 · 传感器知识资讯 ·  · 力反馈传感器:多维力传感器已关闭评论
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多维力传感器
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多维力传感器指的是一种能够同时测量两个方向以上力及力矩分量的力传感器,在笛卡尔坐标系中力和力矩可以各自分解为三个分量,因此,多维力最完整的形式是六维力/力矩传感器,即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器,广泛使用的多维力传感器就是这种传感器。
中文名
多维力传感器
简 介
解决测力分量敏感的单调性问题
结构类别
三维 六维
造成的影响
电磁场对传感器输出紊乱信号
目录
1
优点
2
应用
3
结构类别
4
传感器选型
多维力传感器优点
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多维力传感器与单轴力传感器比较,除了要解决对所测力分量敏感的单调性和一致性问题外,还要解决因结构加工和工艺误差引起的维间(轴间)干扰问题、动静态标定问题以及矢量运算中的解耦算法和电路实现等。目前已经彻底解决了多维力传感器研究中的科学问题,如弹性体的结构设计、力学性能评估、矢量解耦算法等,也掌握了核心制造技术,具有从宏观机械到微机械的设计加工能力。产品覆盖了二维到六维的全系列多维传感器,量程范围从几百克力到几十吨,并获得弹性体结构和矢量解耦电路等方面多项专利技术。
多维力传感器应用
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多维力传感器广泛应用于机器人手指、手爪研究;机器人外科手术研究;指力研究;牙齿研究;力反馈;刹车检测;精密装配、切削;复原研究;整形外科研究;产品测试;触觉反馈;示教学习。行业覆盖了机器人、汽车制造、自动化流水线装配、生物力学、航空航天、轻纺工业等领域。
多维力传感器结构类别
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三维力传感器能同时检测三维空间的三个力信息(Fx、Fy、Fz),通过它控制系统不但能检测和控制机器人手爪取物体的握力,而且还可以检测抓物体的重量,以及在抓取操作过程中是否有滑动、振动等。三维指力传感器有侧装和顶装式两种,侧装式三维力指力传感器一般用于二指的机器人夹持器,顶装式三维指力传感器一般用于机器人多指灵巧手。六维力传感器是智能机器人重要的传感器,它能同时检测三维空间(笛卡尔坐标系)的全力信息,即三个力分量和三个力矩分量。本产品广泛应用于精密装配,自动磨削、轮廓跟踪、双手协调、零力示教等作业中,在航空、航天及机械加工,汽车等行业中有广泛的应用。传感器弹性体采用专利结构,灵敏度高、刚性好、维间耦合小、有机械过载保护功能。综合解耦桥路信号综合为三维空间的六个分量,可直接用于力控制。采用标准串口和并口输入输出。产品既可与控制计算机组成两级计算机系统,也可联接终端,构成独立的测试装置。
多维力传感器传感器选型
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传感器被喻为电子衡器的心脏,它的性能在很大程度上决定了电子衡器的准确度和稳定性。在设计电子衡器时,经常要遇到如何选用传感器的问题。称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器应先要考虑传感器所处的实际工作环境,这点对正确选用传感器至关重要,它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命,乃至整个衡器的可靠性和安全性。环境给传感器造成的影响主要有以下几个方面:(1)高温环境对传感器造成涂覆材料熔化、焊点开化、弹性体内应力发生结构变化等问题。对于高温环境下工作的传感器常采用耐高温传感器;另外,必须加有隔热、水冷或气冷等装置。(2)粉尘、潮湿对传感器造成短路的影响。在此环境条件下应选用密闭性很高的传感器。不同的传感器其密封的方式是不同的,其密闭性存在着很大差异。常见的密封有密封胶充填或涂覆;橡胶垫机械紧固密封;焊接(氩弧焊、等离子束焊)和抽真空充氮密封。从密封效果来看,焊接密封为最佳,充填涂覆密封胶为量差。对于室内干净、干燥环境下工作的传感器,可选择涂胶密封的传感器,而对于一些在潮湿、粉尘性较高的环境下工作的传感器,应选择膜片热套密封或膜片焊接密封、抽真空充氮的传感器。(3)在腐蚀性较高的环境下,如潮湿、酸性对传感器造成弹性体受损或产生短路等影响,应选择外表面进行过喷塑或不锈钢外罩,抗腐蚀性能好且密闭性好的传感器。(4)电磁场对传感器输出紊乱信号的影响。在此情况下,应对传感器的屏蔽性进行严格检查,看其是否具有良好的抗电磁能力。(5)易燃、易爆不仅对传感器造成彻底性的损害,而且还给其它设备和人身安全造成很大的威胁。因此,在易燃、易爆环境下工作的传感器对防爆性能提出了更高的要求:在易燃、易爆环境下必须选用防爆传感器,这种传感器的密封外罩不仅要考虑其密闭性,还要考虑到防爆强度,以及电缆线引出头的防水、防潮、防爆性等。?
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力反馈传感器:多维力传感器  第1张

力反馈传感器:振动力反馈数据手套

Cyberglove CyberTouch II 力反馈手套
CyberTouch II系统为一款触觉反馈选件,是指尖内侧的小震动触觉传感器,相比**代产品可提供*真实的感官体验。
概述
CyberTouch产品线的这一新型号将振动触觉传感器应用到指尖的内侧。这些小型传感器重量很轻,消除了原先型号产品所存在的笨重感,同时也提供了*为逼真的感官体验。
成组震颤器可产生简单的感觉如脉动或类似的震动,也可以复合产生复杂的触觉反馈。程序**可设计自己的刺激方式以获得期望的触觉。CyberTouch触觉反馈选件对于想在虚拟世界中同物体交互的任何人来说都至关重要。

力反馈传感器:多维力传感器  第2张

力反馈传感器:用于压力传感器的力反馈环路的制作方法

用于压力传感器的力反馈环路的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开在压力传感器(pressure sensor)、例如基于MEMS的压力传感器和与之相关联的力反馈环路电路的领域中。
【背景技术】
[0002]电容式压力传感器使用可移动隔膜(diaphragm)和压力腔来创建可变电容器。可变电容器显示出与由测量压力引入的力相对应地改变的电容。
【附图说明】
[0003]图1是图示出用于压力传感器的信号处理系统的框图。
[0004]图2是图示出根据某些实施例的压力传感器系统的详细框图。
[0005]图3是图示出根据某些其它实施例的压力传感器系统的详细框图。
[0006]图4是图示出根据某些其它实施例的压力传感器系统的框图。
[0007]图5是图示出根据某些其它实施例的压力传感器系统的框图。
[0008]图6是图示出根据某些实施例的压力传感器系统的积分器级的图。
[0009]图7是图示出操作压力传感器系统的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0010]现在将参考所附的绘制图形来描述本公开,其中自始至终使用相似的参考数字来指代相似的元件,并且其中,所示结构和器件不一定按比例描绘。
[0011]在各种MEMS惯性传感器系统中利用力反馈环路且其操作以消除移动质量的位移。基于反馈信号而生成与外力相反的静电力。该静电力补偿外力并将质量保持在平衡位置上。以这种方式,使系统线性化。此外,力反馈环路使得能够实现用于系统的自测试。
[0012]公开了将力反馈环路结合到压力传感器系统中的系统和方法。力反馈环路基于测量压力而提供控制信号以控制施加于压力传感器的静电力。该静电力被连同测量压力一起施加于压力传感器,使得压力传感器的隔膜的总偏转对于不同的压力测量而言一般地是稳定的。通过将静电力与测量压力相加,改善了压力传感器系统的灵敏度,尤其是对于低压力测量而言。也简化了压力传感器系统的自测试和自校准。除控制施加于压力传感器的静电力之外,还将控制信号作为压力传感器系统的输出信号来处理。输出信号指示测量压力,并且可以馈送到后续级中的处理器和/或显示器。在某些实施例中,隔膜的总偏转等于或大于由单独的最大压力引起的偏转。
[0013]图1是图示出信号处理系统100的框图。系统100测量源力132并基于测量源力而生成输出信号124。
[0014]系统100包括输入级102、力反馈环路122和力函数142。输入级102测量源力132并响应于测量的源力132而生成电容信号104。力反馈环路122接收电容信号104并基于电容信号104而生成输出信号124和反馈信号120。力函数142基于反馈信号120而生成静电力130。将静电力130与源力132组合以生成整体力134。在某些实施例中,针对不同的源力测量由反馈信号120将整体力134控制为恒定的。其生成的整体电容也是如此。该整体电容具有稳定值,其可以由包括在力反馈环路122中的可编程目标电容器决定。
[0015]特别地,对于实施例中公开的闭环系统100而言,整体电容与测量的源力无关。当将要测量新的不同源力时,整体电容基于该时刻的新源力而改变并生成电容信号104。基于电容信号104而连续地生成输出信号124和反馈信号120。然后,反馈信号120控制静电力130,使得整体力及其所得到的整体电容变回到稳定值。
[0016]在某些实施例中,系统100可以是压力传感器系统。输入级102可以是压力传感器,并且测量源力132可以是压力。整体电容由压力传感器的隔膜的总偏转生成。该总偏转基于整体力134。反馈信号120可以是提供用于电容压力测量结果的偏置的反馈驱动电压。
[0017]图2示出了图示出根据某些实施例的压力传感器系统200的更详细框图。应认识到的是可以通过使用编程和/或工程技术而产生软件、固件、硬件或其任何组合来实施下面公开的系统200的部件。
[0018]压力传感器系统200包括压力传感器102和力反馈环路122。压力传感器102测量压力并基于测量压力而生成传感器信号。力反馈环路122接收传感器信号并基于该传感器信号而生成输出信号204和反馈信号120。基于反馈信号120而生成静电力130并将其与测量压力132组合以生成整体力134。压力传感器102可以包括电容器,其包括对面板(counter plate)和作为力收集器的可移动隔膜。隔膜的偏转136由施加于隔膜的整体力134生成,并且通过测量电容器的整体电容来测量。由力反馈环路122响应于传感器信号来调整反馈信号120,使得隔膜的偏转与测量压力无关。由整体力134 (即,源力和静电力)引起的整体电容等于或大于最大测量压力(最大源力)可以在压力传感器上引起的电容。在某些实施例中,可以将压力传感器系统集成在微机电系统(MEMS)中。可以在单个管芯或者某些分开的管芯上制造系统200。
[0019]仍参考图2,在某些实施例中,压力传感器102包括拉普拉斯传递函数部件144、静电力生成函数部件142和描述压力传感器102的动态行为的测量函数部件146。静电力130取决于反馈信号120和偏转136。测量函数部件146基于偏转136而生成整体电容。反馈信号120可以是施加于输入级102的反馈驱动电压,其包括静电力生成函数部件142和测量函数部件146。可以由电容和驱动反馈电压120的乘积来生成测量电荷138。然后,在求和节点处将测量电荷138与目标电荷152相比较。在某些实施例中,由电容性数模转换器(CDAC) 148对目标电荷152进行编程。在某些实施例中,通过对电容器网络进行编程来设置目标电容。在该实施例中,可以由反馈驱动电压120来提供CDAC的偏压。然后,将测量电荷138与目标电荷152之间的电荷差154转换成数字信号202并反馈到控制器214中。控制器214可以是比例积分导数(proport1nal-1ntegral-derivate) (PID)控制器或状态空间控制器,其处理电荷差信号并生成控制输出信号204。在处理之后采用控制输出信号204来生成新的静电力,使得在将新的静电力130馈送到压力传感器102之后电荷差154变成零。还将数字控制输出信号204作为压力传感器系统200的数字输出信号输出。为了提供足够的偏压以生成适当的静电力,在一个实施例中,由数模转换器(DAC) 216将控制输出信号204转换成电压信号208且然后由放大器218放大成新驱动反馈电压120。在某些实施例中,驱动反馈电压120大于系统200的供应电压。可以应用电荷泵作为放大器218。
[0020]在图2中所示的实施例中,例如,在CMOS技术中,将电荷差154转换成数字信号202。在某些其它实施例中,也可以将电荷差转换成模拟信号。图3示出了图示出压力传感器系统300的框图,其中,将电荷差154转换成模拟信号302且然后由模拟控制器314处理。将电压信号304作为输出信号输出并由放大器318放大以生成反馈驱动电压120。
[0021]图4示出了图示出根据某些其它实施例的压力传感器系统的另一框图。在图4中,在通过缓冲器412之后由电压信号208来提供CDAC 148的偏压402而不是如图2中所示由反馈驱动电压120提供。当测量的传感器电容相对小时可以利用这些实施例。用来完成比较的目标电容可由电容器网络提供,并且目标电容不能太小。通过施加用于CDAC 148的较小偏压402,扩展了测量传感器电容的范围。当反馈驱动电压120大于在CDAC 148中使用的电容器的电压柔量(voltage compliance)时,也可以利用这些实施例。此外,其可以在其中用于反馈的时钟比用于传感器桥的开关偏置的时钟更快的机构(setup)中使用。在这种情况下,可以以其比放大器更快地对反馈网络充电的方式来实施驱动器。
[0022]图5示出了图示出根据某些其它实施例的压力传感器系统500的框图,其中,在系统的控制环路中利用模拟和数字部分。
[0023]将静电力130与测量压力132组合以生成整体力134。整体力134通过传递函数部件144而引起隔膜的偏转136。偏转136通过测量函数部件146来影响测量电容并通过静电力生成函数部件142来影响静电力130。可以用平行板电容器的简化物理模型来描述此过程。然后将测量电容乘以反馈驱动电压120来生成测量电荷138。将测量电荷138与由电容性数模转换器(CDAC) 148编程的目标电荷152相比较。CDAC 148的偏置526可以由反馈驱动电压120或被放大之前的电压信号提供。然后,由模拟控制器512来处理测量电荷138与目标电荷152之间的电荷差154。在一个实施例中,模拟控制器512可以是积分器。模拟控制器512还可以包括第一积分器级和具有内插字符的第二模拟级。在一个实施例中,第一积分器级具有比控制环路的

力反馈传感器:用于微创手术机器人力觉反馈的六维力和力矩传感器设计

摘要:

机器人辅助微创手术(RMIS)克服了管理信息系统(MIS)技术的许多局限性,为外科医生提供了很大的帮助,但也由于力缺乏带来了很大的局限性和困难.本文设计了一种可以应用在RMIS力反馈中的微型六维力/力矩传感器.传感器的设计是基于电阻检测原理,考虑到传感器的各向同性,采用新型直接优化方法决定最适合给定外载的几何参数,设计了弯曲铰链斯图尔特平台.该传感器样机的工作范围为30 N和300 N?mm,分辨率为径向0.08 N,轴向 0.25 N,旋转方向2.4 N?mm,兼容于手术器械,可用于力反馈中.

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