机器人用多维力传感器的设计与实现.pdfVIP

摘要

工业机器人机械臂是自动化生产线上的执行机构。随着工业化的需求，机械臂需要更加

精确地控制施加在末端执行器的力/力矩大小。将多维力传感器装配于机械臂的腕部，协助机

器人在工作过程中感知力觉信息。多维力传感器是机器人智能化进程中的关键器件。目前，

市场上大多数多维力传感器来源于进口，且价格昂贵。高性价比的多维力传感器的设计与实

现，将有利于力控系统在机器人中的普及，提高生产效率。

本文根据机器人实际工况提出传感器的设计指标。并按照研发步骤，介绍了设计与实现

传感器的整个过程，主要包括弹性体仿真、机械结构设计、硬件电路、软件驱动、传感器标

定装置与解耦算法。多维力传感器的研制包含多个技术难点。本文在传感器的敏感头设计中，

设计了一种针对小型十字梁弹性体的应变片加压装置。提高应变片贴片的成品率。同时，在

应变片组桥中，设计了一种PCB组桥板，降低了在小面积下应变片贴片的难度。在硬件电路

上，本文使用高度集成的ADCs芯片，替代了传统上由多级运放的变送器设计与独立的ADC

芯片。由于电路板面积的减小，本文在传感器内部嵌入了姿态传感器芯片，实现了机器人末

端执行器姿态的感知，由此为执行器工件在角度变化时，补偿重力对多维力传感器的力觉信

息影响提供新的解决思路。

在实际应用中，本文将MCU与CAN通讯也集成在传感器主体内部，实现传感器线上解

耦并数字化传输。其与外界主机的连线只有电源线和CAN通讯总线。符合现代传感器数字

化、模块化、集成化的发展趋势。最后，本文设计与实现的多维力传感器经过检测，符合预

先提出的技术指标要求。

关键词：多维力传感器，应变片加压装置，PCB电路组桥板，ADCs芯片，姿态传感器

ABSTRACT

Theindustrialrobotmanipulatoristheactuatorontheautomatedproductionline.Withthe

demandsofindustrialization,manipulatorsneedtomoreaccuratelycontroltheforce/torqueapplied

totheendeffector.Themulti-dimensionalforcesensorisassembledonthewristoftheroboticarm

toassisttherobotinsensingforceinformationduringtheworkprocess.Multi-dimensionalforce

sensorisakeycomponentintheprocessofrobotintelligence.

Accordingtotheactualworkingconditionsoftherobot,thispaperproposesthedesignindexof

thesensor.Andaccordingtotheresearchanddevelopmentsteps,thewholeprocessofdesigningand

realizingthesensorisintroduced,includingelastomersimulation,mechanicalstructuredesign,

hardwarecircuit,softwaredriver,sensorcalibrationdevice,anddecouplingalgorithm.Inthispaper,

inthedesignofthesensorssensitivehead,astraingaugepressuredeviceforthesmallcrossbeam

elasticbodyisdesigned.Improvetheyieldofthestraingaugepatch.Atthesametime,int