CN1544900B

CN1544900B - 三维微载荷测力阵列系统

Info

Publication number: CN1544900B
Application number: CN 200310106299
Authority: CN
Inventors: 戴振东; 吉爱红; 颜化冰; 张明; 靳广虎; 于敏
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2003-11-17
Filing date: 2003-11-17
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2023-11-17
Also published as: CN1544900A

Abstract

一种三维微载荷测力阵列系统属测力技术。包括三维微载荷测力阵列装置连于信号放大电路，信号放大电路的输出连于数据采集电路。装有摄像机(1)的显微镜(2)通过固定于底座上的旋转支架(3)安装于三维微载荷测力阵列装置的正下方。其中三维微载荷测力阵列装置由固定于安装底板(4)上的壳体(10)和置于壳体(10)内安装于安装底板(4)内腔上的三维传感器构成。每个传感器的弹性体贴有上下(15)、左右(16)、前后(17)三对应变片。弹性体的水平部分前端与固定有测力片的悬臂梁相连。通过不同数量的三维传感器的组合，可以形成不同的传感器测力阵列。本发明的测力阵列为m×n(即m行n列)的测力阵列(其中8≥m≥2，8≥n≥2)。本测力阵列可用于测量壁虎、蜜蜂等爬壁生物脚掌与接触表面接触的三维微接触力。

Description

三维微载荷测力阵列系统

技术领域

本发明的三维微载荷测力阵列系统属测力技术，用于多点载荷及面分布载荷的测定。

背景技术

工业的发展，科技的进步，拓宽了人们的活动范围。人的价值的提高，机器人应用领域的不断拓宽，要求有更多的机器人能够替代人完成各种复杂、危险或有害环境下的作业。具备在复杂环境下的无障碍运动能力是这类机器人的重要性能要求之一。例如，可在各种空间壁面环境作业的爬壁机器人、航天微重力真空环境下作业用机器人、管道内机器人、战场机器人、倒塌建筑物内的搜索机器人等等。这样的机器人被称为特种机器人。特种机器人要求在各种复杂情况下作业，关键是其脚掌能够在各种不同条件的表面上实现稳定地驱动。

对爬壁机器人，国内外多采用真空吸盘解决其吸附问题。英国朴次茅斯系统工程系设计了多种爬壁机器人，其中Robug II为蜘蛛型关节式便是利用真空脚吸附的。上海大学钱晋武的八足吸盘式爬壁机器人，上海交通大学黄维纲、王显正设计的七个自由度的两足爬壁机器人，均采用真空吸盘使机器人吸附在墙壁上。基于真空吸盘原理的机器人脚，在比较粗糙表面上接触时，因密封效果较差，吸附能力会大幅度下降。此外，由于这种吸盘在真空下不能在吸盘内外形成压差，故不能用于航天机器人。再如法国Nordmed造船厂为了维护船舶而开发了磁吸附机器人RM3，但磁吸附对于非铁磁性材料及磁场敏感的仪器仪表等都会有一定的使用限制。因此，科学家一直在探索一种更好的吸附方式，可以使得爬壁机器人可以在各种不同环境的表面下实现稳定的驱动。

2001年，美国科学家Kellar Autumn等经过对壁虎脚掌的研究，认为壁虎等爬壁生物能够在各种表面无障碍地运动，其脚掌与接触面之间的接触力是分子间作用力。并且通过实验证明，该接触力的大小的确在分子间作用力作用范围内(相关论文发表在2001年《Nature》上)。生物爬行过程中基于分子间作用力的吸附机制，给人类很大启示。如果能够利用仿生设计的手段，研制出象壁虎、蜜蜂那样，能够在各种表面无障碍运动的爬壁机器人，这将带来巨大的经济效益和社会效益。特别是基于分子间作用力的吸附机制，与真空吸附和磁吸附相比在航天领域有着明显的优势。例如，在人造卫星表面工作的小型机器人，与卫星表面的吸附连接不能依靠负压吸附(没有大气压)，也不能依靠磁力吸附(卫星上有大量电磁敏感设备)，而如果能够研制出像壁虎那样基于分子间作用力吸附的机器人脚掌，那么这种机器人的实现就简单多了。

目前，类似壁虎、蜜蜂这类爬壁生物在各种表面上的粘着机制已经有了相当的研究，如德国马普学会的Gorb小组的研究。但是壁虎四个腿之间的力是如何调节的，以及每只脚掌上五个脚趾是如何配合的问题，目前还不清楚。同样蜜蜂等昆虫的脚之间力的协调问题也未见研究。为了解壁虎、蜜蜂等生物的脚掌接触力及其相互配合协调关系，进一步揭示生物成功运动的奥秘，有必要通过实验的方法测得爬壁生物在不同位置表面爬行过程中，其脚掌与表面各个接触点之间微小的三维接触力。如果能够同时配合摄像和图象处理等方法，将为仿生壁虎脚掌的设计和爬壁机器人姿态控制等提供帮助。

在机器人触觉、汽车轮胎质构的设计、人体脚掌和动物的运动力学等领域国内外已经利用传感器阵列开展了相当广泛的研究。

1999年，中国科学院合肥智能机械研究所以MEMS技术制成可以定量获取三维接触力信息的4×8阵列触觉传感器，该阵列用于机器人触觉感知。阵列尺寸为20mm×50mm，切向力测力范围为±10N，法向力为50N。测力分辨率达到100mN。通过一定的信号处理技术，实现了对三维接触总力信息的定量测定。通过对该信息的进一步处理获取有关滑动状态的判别，从而使该传感器阵列能提供接触、定量式分布压触觉图象、三维接触总力、滑动、未滑及滑动临界状态等多种与机器人作业有关的信息。

2001年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，采用微机械加工方法，制成了专门用于微机械样品间摩擦系数测定的单件三维传感器。分辨率达到46μN。该传感器中的外观尺寸为134mm×26mm。该项目填补了宏观摩擦力测量仪器和基于纳米量级测量范围的摩擦显微镜FFM、横向力显微镜LFM之间的空白。

1998年美国Goodyear橡胶轮胎公司研制成的一个三维的力销传感阵列可用来测量轮胎的质构所产生的实际的力。它允许对阵列中损坏的传感器做快速更换，并在充分防止灰尘和污染影响力的测量的同时，可以减小电磁干涉和所采集的数字信号的无线电频率的干扰。力销传感器阵列还可以显示在正常范围内的均匀响应。Fz的方向与传感器阵列中的单个三维力销的定位方向无关。这个三维的力销传感器阵列还设计了过载保护装置。

2002年美国的Bertec公司研制出可以同时测量六个自由度的力和力矩(Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz)的传感器。这种测量方法消除了每一个测量单元对其他测量单元的依赖性。因此降低了假设简化、计算和维间耦合的错误。

以上已有的传感器测力阵列无论从测力方法还是从测力范围上都不适合用于测量生物爬行时脚掌与接触表面之间的三维微接触力。

发明内容

本发明基于上述技术背景，提出一种三维微载荷传感器阵列，目的是(但不仅限于)测量壁虎、蜜蜂、蝗虫等生物能够在各种各样表面(含墙壁和天花板)上自如运动时脚掌与接触面之间的接触力学规律，为特种机器人研制提供科学支持。

本发明的三维微载荷测力阵列系统包括三维微载荷测力阵列装置连于信号放大电路，信号放大电路输出再与数据采集电路相连，以供计算机处理。装有摄像机的显微镜通过固定于底座上的旋转支架安装于三维微载荷测力阵列装置的正下方，构成图像记录装置。其中三维微载荷测力阵列装置由固定于安装底板上的壳体和置于壳体内安装于安装底板上的测力阵列所构成。测力阵列由相互独立的三维传感器组成。信号放大电路板紧邻测力阵列安装，可以降低由于传感器和放大电路之间的连接线而引起的噪声。测力阵列和放大电路板置于电磁屏蔽箱内。

单个的三维传感器的结构是：悬臂梁的一端与呈直角的弹性体前端相连，另一端与测力片相连。悬臂梁、测力片由透明或不透明的材料制成。弹性体末端固定在安装底板上。上下应变片和左右应变片贴于弹性体靠近直角处的水平前端位置上。前后应变片贴于弹性体的竖直的靠近末端的位置上，三组应变片都是成对的贴于相应的位置的相对侧面。三组应变片和外置电阻组成全桥电路。通过弹性体贴片部位抗弯截面尺寸的减小和应力集中等设计制造工艺手段，使每个传感器的分辨率达到10μN。

通过不同数量的三维传感器的组合，可以形成不同的传感器测力阵列。本发明的测力阵列系统可以为m×n(即m行n列)的测力阵列(其中8≥m≥2，8≥n≥2)。以4×4测力阵列为例，共由16个相互独立的三维传感器组成。每个传感器有一个测力片即共16个测力片构成测力平面。安装时，外围的12个测力片中的8个测力片以水平位置分别通过以悬臂梁为依托的单件三维传感器安装于安装底板内的两个水平对称位置上；另4个测力片以垂直位置分别通过以悬臂梁为依托的单件三维传感器安装于安装底板内的两个垂直对称位置上；内部的4个测力片以45°角的位置分别通过以悬臂梁为依托的单件三维传感器安装于安装底板内的45°的四个对称位置上，从而构成了4×4的测力阵列。

三维微载荷测力阵列装置上的每个三维传感器分别连接到信号放大电路上。传感器中的应变片的电阻变化变成电压变化的输出采用桥式电路，即每个传感器上的各个位置上的一对应变片组成半桥，与信号放大电路板上的一对外置电阻组成全桥电路。

为了弄清信号放大和数据采集系统采集到的传感器的信号是生物的哪条腿与测力片的作用或者是某条腿的哪个爪子与测力片的作用，从而了解生物脚掌间的相互配合协调关系，本发明的阵列系统还包括图像记录装置。该装置包括一架显微镜和摄像用CCD系统。显微镜安装在传感器阵列的正下方，摄像用CCD安装在显微镜上。CCD记录到的动态图像可以由计算机实时显示和存贮下来。

附图说明

图1.三维微载荷测力阵列系统示意图。

图2.三维微载荷测力阵列装置结构示意图。其中(a)图为主视图，(b)图为俯视图。

图3.单件三维传感器结构示意图。

图4.应变片桥式电路原理图。

图5.信号放大电路原理图。

图6.程序流程图。

图1与图2的标号名称：1.摄像机，2.显微镜，3.旋转支架，4.安装底板，5.与7.传感器，6.8与9.限位件，10.壳体，11.弹性体，12.悬臂梁，13.销，14.测力片，15.上下应变片，16.左右应变片，17.前后应变片，18.安装件。

图3与图4的符号名称：R_x——应变片电阻，R——固定电阻，r——限流电阻，VR——电位器，J₁～J₄——传感器，U₂～U₁₃信号放大器，J₅——接线板，DE——电源。

具体实施方式

图1是三维微载荷测力阵列系统示意图。三维微载荷测力阵列装置安装在固定于底座上的旋转支架3的悬臂上，在三维微载荷测力阵列装置正下方装有显微镜2，摄像机1装在显微镜2上，构成图像记录装置。利用显微镜观察了解生物脚掌之间的相互配合协调关系，弄清生物哪条腿与测力片的作用或者某条腿的哪个爪子与测力片的作用，利用摄像机将上述动态图像记录下来送计算机实时显示、处理并存贮。摄像机采用CCD系统。

图2是4×4三维微载荷测力阵列装置结构示意图。它是由置于壳体10内且安装于安装底板4上的测力阵列所组成。置于壳体10内的测力阵列是4×4的测力阵列，由16个测力片组成，即有16个三维测力点。每个测力片为正方形，其面积满足测量蜜蜂、苍蝇等昆虫六足爬行、粘着时的接触力和单只壁虎脚掌在爬行过程中与接触表面的多点接触力。16个测力片作为模拟接触表面，位于一个平面内。测力阵列的具体构成是：16个测力片分别安装在16根悬臂梁的一端，其中8个外围测力片以水平位置分别通过以悬臂梁为依托的单件三维传感器安装于安装底板4内的两个水平对称的位置上，另4个外围测力片以垂直位置分别通过以悬臂梁为依托的单件三维传感器安装于安装底板4内的两个垂直对称位置上，内部的四个测力片以45°角的位置分别通过以悬臂梁为依托的单件三维传感器安装于安装底板4内的45°角的四个对称位置上。由于悬臂梁12是以不同方位相互交叉地通过弹性体11安装在其内腔为八边形的安装底板4上，而且还必须保证在最大载荷作用下，各悬臂梁之间不发生碰撞干涉现象，因此悬臂梁之间存在高度差。如图2(b)所示的16个测力片，即12个外围测力片和4个处于中间的内部测力片。

每个测力片通过各自的单件三维传感器进行测量。图3是单件三维传感器结构示意图。其具体构成是：弹性体11由水平和竖直两部分构成直角形状的

结构，悬臂梁12一端插入弹性体水平部分的夹持部分内，另一端连于与具有中心孔的正方形测力片14相连的销13的下端，弹性体11竖直部分下端固定在安装底板4上，上下应变片15和左、右应变片16分别粘贴在弹性体11水平部分靠近直角处狭窄截面上，应变片17粘贴在弹性体11竖直部分下端靠近安装片18的狭窄截面上。

与测力阵列测力片所处平面垂直的法向力F_Z；和与测力阵列测力片所处平面平行的水平力F_X都会在前后应变片处产生弯矩；与测力阵列测力片所处平面平行的水平力F_Y会在左右应变片处产生弯矩；与测力阵列测力片所处平面垂直的法向力F_Z还会在上下应变片处产生弯矩。因此，前后应变片和上下应变片产生弯矩时存在维间数据耦合的情况。每组应变片的承受拉力的应变片处于正应力区(受拉应力)：承受压力的应变片处于负应力区(受压应力)。由于应变片的压阻效应，两应变片的阻值发生变化(R_Z1＝R₀+ΔR，R_Z2＝R₀-ΔR)，使得电桥中的输出电压发生变化。通过测量电压值变化量，就可以得到相应的力值，从而实现电压信号与力的转化。由于维间的耦合作用，在用软件实现电压信号与力的转化的计算时还同时有维间解耦的计算。

三维传感器上的应变片的阻值变化变成电压变化的输出，采用图4所示的应变片桥式电路。电路中的Rx为应变片电阻，R为补偿电阻，r为限流电阻，VR为电位器，供调零使用。补偿电阻R(10KΩ)和电位器VR都设置在信号放大电路中，应变片Rx的供电电压由直流开关电源提供。

上述桥式电路将应变片微小电阻变化转换为电压变化的直流输出，因电桥电压输出值非常微小，采用图5所示的信号放大电路进行放大。图中DE为直流电源，给应变片及放大电路提供直流电源；J1～J4分别连接单件三维传感器，J5与数据采集卡相连。U2～U13为集成块AD624。每一个传感器上有三对应变片，12通道信号放大电路板可以同时接四个传感器的电压信号。16个传感器(共48通道)的信号放大采用了4张12通道信号放大电路板。信号放大采用的是AD624集成块，AD624有16个引脚，通过把集成块不同引脚短接可以获得从1至1000之间多个不同信号放大增益，最常用的有100，200以及500等。放大器在对有效信号放大的同时也会对噪声信号同样放大，所以针对不同传感器要选择适当的增益，使得有效输出信号值在一定范围内。我们根据模拟施加载荷后传感器的输出信号大小，选择了放大500倍的增益。

放大电路的输出信号只是模拟信号，只有把模拟信号转换成数字信号，计算机才能对其处理。数据采集就是将模拟信号转换为数字信号传递到计算机中的过程。本系统的数据采集及控制硬件采用了ADVANTECH公司的两块PCI-1713数据采集卡。每张采集卡分别具有32个独立的输入通道，均为12位精度，可分别设置成32个单端输入和16个差分输入，测量范围为-10V～+10V；该卡采用自动通道/增益扫描电路，用于在多通道采样时对各个通道及其增益进行配置，满足多通道同步采样的要求。

外部测量设备与数据采集卡连接的接口模块采用ADVANTECH公司的PCLD-881D接线面板。每个接线面板对应数据采集卡的32个输入通道，因此有32个接线柱。测力阵列上每个传感器产生的某一个方向的信号经过电路的放大和滤波后，通过PCLD-881D接线面板分别接入数据采集卡的一个独立通道，再由程序对其进行采集。并且通过数据采集卡的自动通道/增益扫描电路，保证对各个通道进行同步采样。

图6是程序流程图，即程序整体设计框图。由于本系统要实现数据采集、实时处理、图像显示、文件存贮等功能，因此本程序包括初始化模块，数据扫描模块，信号解耦合模块，有效数据判断模块，图形显示模块，数据存储模块。程序通过While循环设置，不断地对各个通道进行数据采集；当采集到足够的数据后，可通过前面板的按钮控件退出While循环，结束采集程序。下面就部分模块进行说明。

初始化模块：测力阵列在进行工作时，由于周围环境，如温度、湿度的影响，将会产生零点漂移问题，从而会严重影响所采集数据的精度，破坏所要进行的实验测量分析。因此，在测力阵列工作之前，要先进行初始化操作。得出各测力片信号的初始值后，再进行数据采集的操作。

数据扫描模块：对多个通道进行同步采样，得到实测值。

信号解耦合模块：本系统的三维传感器在实际测量时会出现维间数据的耦合问题。通过对采集到的信号进行解耦合，得出实际的测量值。

有效数据判断模块：程序只对受生物脚掌作用的测力片上的传来的信号，即有效信号，进行实时的图形显示和数据存储。因此在实测时，程序将辨别该测力片上的信号是否为有效信号。如果是有效信号，才在相应的显示面板上进行显示，并将其存储为合乎规范的数据文件。

Claims

1.一种三维微载荷测力阵列系统，其特征在于包括三维微载荷测力阵列装置，该阵列装置连于信号放大电路，信号放大电路的输出再与数据采集电路相连供计算机处理，装有摄像机(1)的显微镜(2)通过固定于底座上的旋转支架(3)安装于三维微载荷测力阵列装置的正下方，所述的三维微载荷测力阵列装置的构成是，固定于安装底板(4)上的壳体(10)和置于壳体(10)内的m×n个三维传感器(5)相互独立的各自通过安装件(18)固定在安装底板(4)八边形内腔的八边内测壁上组成一个的测力阵列，其中8≥m≥2，8≥n≥2，所述的三维传感器(5)的构成是，弹性体(11)由水平和竖直两部分构成直角形状，悬臂梁(12)一端插入弹性体(11)水平部分的夹持部分内，悬臂梁另一端连与具有中心孔的正方形测力片(14)相连的销(13)的下端，弹性体(11)竖直部分下端固定在安装底板(4)上，上下应变片(15)和左、右应变片(16)分别粘贴在弹性体(11)水平部分靠近直角处狭窄截面上，应变片(17)粘贴在弹性体(11)竖直部分下端靠近安装片(18)的狭窄截面上。

2.依据权利要求1所述的三维微载荷测力阵列系统，其特征在于，单件三维传感器中的应变片的电阻变化转换成电压变化的输出采用桥式电路，即每个传感器上的各个位置上的一对应变片组成半桥，再与信号放大电路板上的一对电阻组成全桥电路。

3.依据权利要求1或2所述的三维微载荷测力阵列系统，其特征在于，测力阵列为m×n的测力阵列，其中8≥m≥2，8≥n≥2，组成阵列的每个三维传感器(5)有一个测力片(14)。