a) 原理样机部分电路图
六维力传感器——用于微创手术的六维力和 力矩传感器
b图给出了传感器的组装情况， 包括六对应变片，一个 Stewart 平台 结构的弹性体，六 对应变片粘贴在弹 性体六根连杆的前面和背面。弹性体 的底端与手术器械轴由一个连接件通 过紧配合连接起来，顶端也由一个同 样的连接件通过紧配合与圆柱轴套和 末端滚子连接在一 起。传感器末端装 上一个球形滚子之后，就完成了微型 力传感器与手术器械的集成，可以在 微创手术环境中有效地开展连续的触 诊定位操作。
伸，电阻应变片的电阻增加△R。电路
上各部分的电流和电压如图27. 5-18b 所示，它们之间存在下面的关系:
电阻应变片利用了金属丝拉伸时电阻变大的现象，它
被贴在加力的方向上。电阻应变片用导线接到外部电路上 可测定输出电压，得出电阻值的变化。 如果已知力和电阻值的变化关系，就可以测出力。
单维力传感器
六维力传感器
▪ 六维力传感器是力传感器中一种新发展起来的 传感器，80年代初，美国斯坦福研究所设计了 用于风洞测试的筒形六维力传感器（如图）。 该传感器具有良好的线形、重复性和较好的滞 后性，并且对温度有补偿性；但其结构复杂不 易加工，而且刚度较低。该类力传感器不仅在 机器人智能化领域有广泛的应用，而且在航空、 航天及机械加工、汽车、军事、电子、计算机 工业等领域也有重要的应用价值。
▪ 三维力传感器能同时检测三维空间的三个力/ 力矩信息，通过它控制系统不但能检测和控 制机器人手抓取物体的握力，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——用于微创手术的六维力和 力矩传感器
Stewart 平台结构包括一组装有六个单轴双向 力变换器的网状连杆组件，每一根连杆都 通过球铰 独立连接上下两个平台，这种网状组件保证了结构 具有较高的刚度，并为结构在坐 标轴的三个方向提 供了不同的承载能力。六个力变换器的布臵如图 (a)所示，两个圆周上的 点 1’2’3’4’5’6’ 和 1”2”3”4”5”6”是球铰的中心与六根连杆 分别将位于平面 Σ’和 Σ”内的上下两 个圆盘连接 起来，轴线 O’O”连接两个圆周的中心。相邻两 根连杆相交于一点即 1≡2，3≡4， 5≡6，平面 Σ 与平面 Σ’平行而且三个交点都在平面 Σ 上，点 O 为轴线 O’O”与平面 Σ 的交点。 每根连杆与平面 Σ”的夹角均为 α，连杆 3 和连杆 4 在平面 Σ”上投影之间的夹角为 2β， 角 4”O”3”表示为 2σ，L 为每根连杆的长度，R 为圆 O”的半径，r 为圆 O’的半径，a 为圆 O 的 半径。坐标 Oxyz 位于 Stewart 结构的上平台上 ，原点为 O，平面 Oxy 与平面 Σ 重合，Z 轴与轴 线 O’O”重合，如图 2(b)所示。
▪ 力传感器是一种能将各种力与力矩信息转换成电信号输出，用 来检测设备内部力或与外界 环境相互作用力的装臵。
▪ 根据所测力的维数不同，又可分为单维和多维力传感器。
检测内容：机器人有关部件（如手指）所受外力及转矩
力觉传感器
应用目的：控制手腕移动，伺服控制，正解完成作业 传感器件：应变片、导电橡胶 在不加力的状态下，电桥上的四个电 阻是同样的电阻值R。假若应变片被拉
力觉传感器
力觉传感器
▪ 机器人（Robot）是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人 的肢体及感官功能；为了检测作业对象及环境或机器人与它们 的关系，在机器人上安装了视觉传感器、力觉传感器、接近觉 传感器、超声波传感器、听觉传感器等，大大改善了机器人工 作状况，使其能够更充分地完成复杂的工作。
▪ 力觉是指对机器人的手臂、手腕、手指和底座等部件在运动过 程中所受力的感知。
▪ 六维力传感器能同时检测三维空间的全力信息， 即三个力分量和三个力矩分量。并同时转换多 维力/力矩信号为电信号，可用于监测方向和 大小不断变化的力与力矩和测量加速度或惯性 力以及检测接触力的大小和作用点。
六维力传感器——用于微创手术的六维力和 力矩传感器
微型力传感器系统示意图
左图所示的圆管状结构是一种实验中的常用结构，甚至可以将器械 轴直接用作传感器的 弹性体，然而该结构在轴线和扭转方向的灵敏度太 低，不能满足六维力传感器的设计要求。 然而，Stewart 平台结构却拥有高刚度、可量测性、适应性强、环状 外形等优势，而且只需要线性 力变换器无需剪切力变换器。所有的力变 换器贴在六边形的横断面上，其纵向大致与传感器的轴线方向相一致。
六维力传感器——用于微创手术的六维力和 力矩传感器
将 12 枚应变片(Kyowa KFG 系列)分别粘贴在弹性体六 根连杆的正面和背面来检测传感 器受力时产生的应变，两片 应变片和两个 500 Ω 的精密电阻组成一个惠斯通半桥，供桥 电压 为 3.3 V。采用半桥的工作方式，每对应变片互为补偿 ，不仅可以有效地抑制温度漂移等噪 声信号，还可以使输出 电压提高一倍，提高传感器的灵敏度。半桥输出的电压信号 很微弱， 不能直接传送至 PC 上位机进行分析和处理，需要 经过放大、滤波、采样等环节。电桥的输出电压接入一个差 分放大电路，如图a所示，包括三个低噪声双极性运算放大器 (OP07)以及 相应的反馈电阻和补偿电容，然后输出信号经过 一个截止频率为 1 kHZ 的低通滤波器。 随后输出电压通过一个 12 位模数转换器(AD 1674)转换 为数字信号，由 RS-232 串口以 172800 bit/s 的传输速率 采集到个人计算机中，由用户自行编制的 LabVIEW 程序进 行力信号 的处理和评估。所设计信号采集系统的采样频率约 为 1440 HZ，远高于人手力感知的带宽(人手力感知的瞬态 精度为 320 HZ)，采样之后的数字信号完整地保留了人手所 能感知力信号中 的所有信息。
有触点力矩检测 无触点力矩检测
驭动轴B通过装有应变片A的腕 部与手部c连接。当驱动轴回转 并带动手部拧紧螺钉D时，手部 所Leabharlann 力矩的大小通过应变片电 压的输出测得。
传动轴的两端安装上磁分度圆 盘A，分别用磁头B检测两回 盘之间的转角差，用转角差和 负载M之间的比例，可测量出 负载力矩的大小。
三维力传感器