文摘
我们调查的艺术在不同的机械手的力传感器的设计和应用。大部分的力传感器研究了基于触觉传感。十年来,许多论文已经广泛地讨论各种传感器技术和传感器的方法,是基于微机电系统(MEMS)和硅用于改善的准确性和性能度量触觉传感能力尤其是对机械手的应用程序。我们发现,传感器和压敏电阻和聚合物等材料,分别以提高传感灵敏度用于抓机制在未来。这个预测的增长这样的应用程序将爆炸为高风险任务需要非常精确的目的。它显示了相当大的潜力,大量的研究关注。
1。介绍
机械手是机械电子机器,使得完成任务,不管它是必需的,尤其是对于重复的和危险的任务,并在特定的应用,如军事机器人,家庭自动化(1),汽车工业,核工业机器人。事实上,许多机械手应用程序已经开发为(2,3];例如,灵巧操作(4- - - - - -6],触觉感知形象[7,8],假肢[9],指纹识别[10),把握对象(11- - - - - -13应用[],选择和地点14,15)也可以被广泛认为在不同的行业。尽管如此,这些机器人应用程序需要大量的劳动力,尤其是在流水线和材料处理。
从今以后,有一个重要的需要有一个专门的机器,这是适合健壮的机器人应用程序。例如,机械手制造业挑选和地方机制程序完成任务需要一个产品从一个地方到另一个位置。这种技术的优点是减少风险的过程与人类操作员在生产过程中。除此之外,它还节省了劳动力所需的时间和精力。因此,在机器人触觉传感的手被定义为一个传感器装置,很好的测量对象的各种属性和提供信息通过一个传感器和一个对象之间的身体接触16]。最近,机械手的增强传感器得到了大量关注,成为我们日常生活的关键。研究人员认识到,一个机器人配备不同的传感器是一种非结构化的环境中执行任务,使机器人能够应对重大不确定性。由于需求确保安全机器人和对象之间的机械接触,智能触觉传感机械手具有高能力是至关重要的。
摘要不同的技术用于测量力或接口的压力。这些技术包括负载细胞、压力指示电影,和触觉系统的压力。同样,回顾工业压力传感,包括应用程序和算法的选择和地点控制也是突出的。本文还讨论了MEMS传感器技术和不同类型的传感器在这一部分的最后部分讨论了压敏电阻flexiForce传感器。FlexiForce传感器具有良好的基质材料,这是一种聚合物,提高力传感和性能的提高,线性,磁滞、漂移和温度灵敏度相比其他薄膜。此外,它足够灵活和超薄的研究人员和设计师可以使用它在不同的集成应用程序以及应用程序面向操纵任务触手机器人的手。简而言之,新的申请触觉压力传感显示高增加出版物和研究注意在表2。因此,传感器的设计变得更精确的高可靠性来克服这些问题。
2。压力:方法的意义
单位面积上的压力迫使应用于一个方向垂直于表面的一个对象。公式通常写如下: 在哪里的压力,法向力,的面积是接触的表面。当两个物体接触时,他们互相施加的力。因此,平均界面压力总力除以界面区域。相比之下,压力测量需要得到一个峰值压力时压力不均匀分布的接口。在这种情况下,有三个技术和方法被认为是测量力或接口压力,负载细胞,表明电影,和触觉压力传感器的压力。
2.1。负载细胞
负载细胞是一种压力传感器,常用在工业称重产品测量力等货物和车辆。机械手的夹持,拿起一个对象可以配备负载细胞为了提供压缩力反馈控制系统防止损害对象或过早释放。同时,负载细胞可以用来测量压缩部队在一个机器人走到equilibrium-controlling系统提供数据。在工业机械、棒、横梁、车轮,和酒吧是检测为了控制的力。由于各种可能的应用程序负载细胞是非常重要的23]。有许多类型的技术用于测量加载应变仪等压电元素,和可变电容。
此外,根据作用力和力学的应用,多种形式因素的负载细胞利用。通常,multiaxis MEMS force-torque传感器是用来测量负载。在文献中,少量的multiaxis MEMS传感器已报告。在[24),提出了一种电容式MEMS力传感器,评估力沿着两个轴。在[25,26),压敏电阻三轴力传感器的设计。压阻扭矩传感器已经在(27]。此外,三轴电容式MEMS force-torque传感器已经被报道在28),这个传感器能够测量部队沿着两个轴和转矩垂直于这些力量。正如我们所知,部队可以感觉到在一个平面,而扭矩可以测量垂直于这个平面。在一定的条件下,研究人员可以使用多个负载细胞测量部队在多个地区的接触界面(29日]。在图1,一个接口或接触面积分为四个象限独家负载细胞测量每个区域。这样的安排提供了更多的细节在表面力分布;平均压力在每个区会发生。然而,这种方法的缺点是不一致的,因为负载细胞可以显示总力但不能识别局部的压力峰值。有许多不同类型的负载细胞以不同的方式运作,但目前最常用的负载细胞应变计(或应变计)负载细胞。
2.1.1。应变仪负载细胞
应变式小补丁的硅树脂或金属测量机械应变和负载作用转换为电信号。这个负载细胞被认为是一种模拟工具,利用测量体重。当负载应用到一个静止的物体,应力应变结果。压力被定义为对象的内部抵抗力量,和应变的位移和缺陷发生31日),加载导致材料变形或对象,可以使用应变仪测量。两个电容式压力计已被广泛用于研究液态和固态氦(描述32]。图2演示了一个应变仪的结构。在这里,更多的电阻应变仪将增加稳定性如图2。事实上,它还提供了各种不同的模式意味着各种应用程序将发生。
2.2。压力指示电影
压力指示电影被广泛用于测量界面两个表面之间的压力。两张聚酯是用来衡量整个传感区域施加的力的大小。图3显示了一个压力指示的电影。颜色材料,下一层聚酯,利用分层旁边小微胶囊,打破不同压力下。压力是应用到电影时,微胶囊被打破和分布式墨水压力变形,产生的图像和颜色强度揭示施加压力的相对量。因此,压力越大,越黑暗力的色彩和图像应用将由整个传感区域。各种特性引起的压力指示电影中使用广泛的应用程序包括灵活性,易于使用,瘦,扮演着重要的角色在捕获的图像应用的压力。此外,没有附加电子产品,也就是说,一个好的材料或电影获得破碎的压力分布,而不必担心电线或昂贵的电子产品在电影通过辊喂。压力指示电影中使用的应用程序需要静压测量,峰值压力的视觉模式,一次性使用(30.]。
2.3。触压力传感器
触觉压力传感器测量各种参数之间的一个对象通过身体接触传感器和一个对象(16]。测量参数,即压力、温度、正常和剪切力,振动,滑动和扭矩。在这种情况下,压力和扭矩的例子是一个重要的参数,它通常是通过身体接触测量。检测和测量一个点接触力也可以被视为一种触觉传感器压力和扭矩的一部分,但话又说回来,触觉传感也可以放松的过程解释相应的信息参数。
根据定义,触觉传感意味着数组的一群协调的触摸传感器(33]。常见的一种触觉压力传感器由一组传感器。例如,图4显示一个独特的压敏电阻材料夹在两块灵活聚酯;每一半的印刷银导体。结果是一个非常薄的0.004′′(0.1毫米)传感器,可用于各种应用程序,尤其是对工业和医疗机器人。导电轨道,这是由银导体,将扫描电子通过压敏电阻油墨和传递一个信号。触觉传感器阵列信号处理提供了大量的参数对接触运动学和精确的机器人的触觉信息,触觉反馈,和其他联系应用程序。参数中可以提取接触位置,物体形状和压力分布的有效宽度。
压力分布可以通过识别所有应用力的位置。要做到这一点,一个阵列传感器垂直和水平的压敏电阻的痕迹是必要的。在这里,每行和每列在一个点被称为sensel相交。更多的交集意味着sensels这意味着空间分辨率的传感器。由于许多人机接口(例如,轮椅座位系统,驾驶员的座椅,床床垫,病床)(34,35),因为人类的联合是不一致的,传感器应在广泛的决议。然而,触觉压力传感器阵列具有良好的空间分辨率的压力分布。图5说明了传感系统和电子电子扫描每个sensel的示意图。当力量应用于sensel, sensel代表一个可变电阻器将改变,通过的电流就可能的设备,然后电子将收集的模拟数据,可以通过适当的补偿校正。
从已获得的评论,有几个因素需要考虑,特别是在两个表面之间的界面力和压力测量技术用于机械手的应用程序。Comparisonwise、负载细胞提供最可靠的数据压力测量,但负载细胞的大小和数量限制的密度测量的点。总负载可以很容易地报道;然而,测压元件的大小可以是一个限制因素当它达到细粒度由于其压力分布。
压力指示电影可以用于各种各样的应用程序,比如机器人的手,但这部电影的本质将只提供接口之间的峰值压力测量。这有明显的局限性,当试图测量动态应用程序以及结果数据压力测量精度低,而触觉压力传感器可以提供详细的动态测量界面压力对系统动力学的影响微乎其微。传感元素需要正确校准提供准确数据,但由此产生的测量将提供最深入的分析界面系统动力学。根据所需的信息和被测系统的物理约束,负载细胞、压力指示电影,和触觉压力传感器各有优势和约束压力测量提供准确和有意义的数据。了解这些长处和局限性影响应用程序是至关重要的。
3所示。压力传感器:设计和技术
传感器是一种装置,测量物理量转换成一个信号,可以读一个观察者或乐器。有各种类型的传感器:热传感器、电磁传感器,机械传感器、压力传感器等。压力感觉机械元素如盘子、贝壳、和管道设计和建造来转移压力时。偏转的元素必须被转导获得电子或其他输出。压力传感器可以不同的技术、设计、性能、应用程序适用性和成本。它可分为基于各种转导原则如电阻、压敏电阻、隧道效应,电容,光学、超声波、磁和压电。不同的转换方法的相对优缺点给出了表1。在世界范围内,有数百种不同的技术用于压力传感器的设计,如传感元件的方法,材料、微机电系统、纳米技术等。此外,在压力传感器的类型有显著差异的结果从不同的材料以及其功能属性。
最近,压力传感器利用MEMS技术获得了巨大的关注由于各种传统机电传感技术优势。MEMS提供小尺寸、低重量、低成本、高性能、大规模集成,低功耗,更广泛的操作温度和更高的输出信号(36]。本节讨论详细的三个主要类型的机械手应用压力传感器方法:压敏电阻,压电式和电容式压力传感器。同时,各种压力传感器的设计和技术在这一节中解释。
3.1。压敏电阻FlexiForce传感器
随着传感器技术的这些天,有很多类型的传感器,用于选择和应用,特别是电阻法由于其稳定性和灵敏度高。压阻传感器用电阻的变化在材料机械变形。压敏电阻器的电阻给出如下: 在哪里,,,压敏电阻器的表示电阻率、长度、厚度、和接触的宽度。图6显示了一个示例的压敏电阻触觉压力传感器。由于各种特性的压敏电阻,包括低成本、灵敏度好,相对简单的建设,长期稳定,噪音低,准确性,可靠性,它展示了成熟的技术。此外,传感器被认为是容易制造和集成电子电路根据压敏电阻材料的特点。但是,它只能测量一个接触位置和它仍然需要外部力量。虽然这个限制已经提高了(37),允许使用并行模拟电阻传感测量许多接触点。
力感应电阻器(FSR)是基于压阻传感技术。它可以在各种各样的形状和大小,可以利用在许多应用程序中为了测量力和变化率的比例变化以及检测接触或对象之间的联系。FlexiForce Tekscan制造的压阻传感器广泛应用于机器人的手。图7显示了一个触觉力传感器或FlexiForce传感器。这个传感器被认为是最好的设计师的理想力传感器,研究人员,或那些需要测量部队。以其轻薄、灵活性和力测量能力,FlexiForce传感器可以测量任何两个表面之间的力和适应大多数环境。FlexiForce具有更好的力传感特性,线性,低磁滞、漂移和温度灵敏度比其他薄膜力传感器根据良好的聚合物基材。这种材料被认为是适合应用于机械手足够有效地把握对象。
力传感器的结构是一个替代传感矩阵的痕迹;墨水均匀占地面积测量的总力应用于空间。该传感器由两层衬底如图7。这种基质形成的聚酯薄膜导电材料,适用于每一层银。然后使用油墨层的压力敏感,其次是粘合剂结合底物共同组成的两层传感器。此外,FlexiForce传感器传感元件的电阻降低,当施加的力的大小增加。在这种背景下,各种应用程序使用FlexiForce传感器是由许多研究人员实现39]。为例,测量两个软对象之间的接口压力或力量提出了(40]。遥控机器人系统使用触觉力传感器的设计和开发低成本控制平台直观地操纵一个拟人化机器人手臂与夹持力传感报告(41]。低界面压力的测量之间的皮肤表面和压力服装的支持也讨论了(42]。于是,一个很好的例子使用FlexiForce传感器是应用程序选择和地点提供实现高灵敏度和减少滑动运动和重量测量与一个安全的把握。
3.2。压电式压力传感器
压电传感器应用压力或力转换成电压(43]。压电材料被认为是一个聪明的材料由于其属性,可以作为传感器和致动器。此外,压电材料也有高灵敏度与高电压输出时应用力。压电式力传感器的灵敏度是衡量的C / N,敏感性报道130 pc / N (39]。压电被认为是一个无源传感器提供了一个有用的高可靠性应用在不同的应用程序。然而,它只适用于检测的动态力量因为电压的输出随时间(44),因为它无法测量静态力是由于他们的内部阻力大45]。压电陶瓷锆钛酸铅等材料(压电),聚合物聚偏二氟乙烯(PVDF)等等适合动态触觉传感。尽管石英和陶瓷压电陶瓷压电性能更好,聚合物PVDF更喜欢触摸传感器因其优异的功能,包括机械的灵活性,压电系数高、尺寸稳定性、低体重、和易性、化学稳定性和化学惰性46- - - - - -48]。PVDF首次实现了触觉传感技术报告(49),最近,它是用于讨论的环境感知50]。从今以后,压电传感器的电路设计,超薄需要输入阻抗对应对设备作为一个相当大的影响。图8说明了压电磁盘变形时产生一个电压。
3.3。电容式压力传感器
电容式传感器由一个平板电容器,板块之间的距离或电极面积改变压缩时,它有一个悬浮结构,可以测量这两个电极之间的电容的变化。平行板电容器,电容可以表示如下: 在哪里是电容,是自由空间的相对介电常数不变,材料的介电常数的差距,板的面积,板之间的距离。电容式触觉传感压力被认为是一个最敏感的技术检测结构的小变形量(51]。已经由研究人员多年来由于其特性在空间分辨率高,频率响应好,低功耗,和一个大动态范围45]。介绍了电容传感器阵列(52)和直接装配式灵活的聚酰胺薄膜厚度25μm。应用压力传感器显示线性响应。同时,电容触摸传感器的几个实例介绍了(53]。随后,一个电容式触觉传感阵列的空间分辨率至少10倍比人类的极限1毫米的报道[54]。两个电极与气隙,,如图9。
作为总结,没有理想的压力传感器技术,可用于所有应用程序,因为每个人都有特定的优势和限制。事实上,压力传感器的设计主要取决于应用程序的需求。不仅仅是压力传感器技术是至关重要的,而且它的实用性实现压力传感器的设计必须考虑。此外,各种各样的材料和技术已经用于压力传感器,从而导致性能与成本的权衡。电气输出信号也为各种应用程序提供了各种选择。
4所示。机械手:应用程序
我们知道,人类的手是身体中最重要的一个部分,因为它可以到达狭窄的地方,可以执行复杂的操作。因此,对我们来说是很重要的有一个机械手,可以实现相同的过程作为一个人的手。回到天,人形机器人的能力集中在散步。只是,一些机械手已经开发和有越来越多的兴趣,为他们提供程序操作能力(55- - - - - -58]。机械手有很多技术来执行取决于所需的应用程序,在某些情况下,选择和排序饼干(59),军事机器人(60),焊接机器人(61年[],核工业机器人62年]。同样,机械手也可以发现在制造业等各领域,军事、太空探索、国内运输、和医疗应用程序。
在这种背景下,操纵能力的一个机械手机器人核心系统的应用程序。图10显示了一个示例使用商业产品,机器手的触觉传感器压力剖面系统,Inc . (PPS)。这种触觉传感技术给出了机械手操作的对象,而不破坏它们的能力。此外,他们还可以在优化低权力运行能效利用最小化把握力。机器人平台使用电容传感器也由压力剖面系统,Inc .,它被描述在63年]。
接下来,光学三轴触觉传感器如图11。它是用来改善机械手系统的敏感质量(64年]。手臂驱动器使用触觉信息反馈执行和请求订单。
4.1。触觉传导技术和应用程序
触觉压力传感器一直在思考的一个合适的压力传感器,允许人类灵巧的操作和执行提供机器人机械手(手/手指)抓住对象的准确信息,保存和处理。灵巧机械手已经开发为目的的把握不同的对象,是非常具有挑战性的许多研究人员65年,66年]。多年来,从结构化与非结构化环境的变化使得不同的传感器的发展优先使机器人能够应对相当大的不确定性。因此,传感器,可以回到触觉信息已经发展为了准备机器人与这样一个意义(67年]。
有许多触觉压力传感器是基于各种各样的原则,如电阻、电容、光学、超声波、磁、压敏电阻、压电传感器。到目前为止,很多触觉压力传感器被开发出来。其中的一些作品,分类敏感性的基础上,各种压力,类型的力,和分辨率,给出了表2。从1992年到2013年在表2方法各种各样的技术,各种类型的材料被用于广泛应用的压力,尤其是在机械手。期间,传感器的尺寸设计成小而精致。相比之下,64×64的数组元素是用于触觉感知成像和2000年与压阻传感器如表所示2。另一方面,经过十年的时间,技术将有可能支持更智能产品的开发,以改善人类的生活质量为2012年。在今年,许多研究人员涉及他们的产品来实现人类生活需要;一个很好的例子是一个4×4使用相同的传感器阵列规模较小和整合方法比较与先前的例子,但在不同类型的材料是导电橡胶。此外,触觉压力传感器可以测量正常和剪切力通过灵巧操作(68年,69年]。然而,大多数现有的触觉传感器只能检测到正常的接触力在处理对象在机械手操作。因此,剪切力的测量是一样重要的法向力来模拟人类的手,这可以同时合理方向和作用力的强度在复杂的操作。同样,衡量的机械接触力允许控制把握力,这对机械位移和滑移运动是至关重要的。指尖和对象之间的滑动检测仍然是主要的问题之一,研究人员专门时间最优的解决方案。事实上,这个问题需要分析和测量剪切和正常的力量。出于这个原因,剪切信息被认为是重视完整的把握力和扭矩的决心,尤其是当压力不超过0.1 N [4]。这些参数将用于预测和确定对象的下滑。
4.2。挑选和地方应用
机械手广泛应用于制造业。通常,用于选择和地点(如)包装和码垛机器人。选择和地点的过程需要使用机械手来操作对象。在这个领域,机器人的手必须被编程在熟悉的环境中,以避免可能的工具和对象之间的冲突。农业机器人的手也被认为是一个很好的例子来缓解农民的工作在割草70年]。这个机器人,它包含一个机械手,视觉传感器,一个移动设备,和末端执行器,能够做一个任务通过改变末端执行器的数量。绘画机器人提供一扇门处理器arm的打开和关闭车辆门之前和之后的绘画(71年]。此外,该系统提供了一个机器人自动绘画工具的身体,减少了设备的成本执行的操作的绘画工具的身体本身。同样,一个机器人激光焊接机器人系统是一个系统,由一个伺服控制,multiaxis机械手,激光切割头安装在面板上的机械手。为激光切割头集中光学和积分高度控制机制。大多数系统使用一个激光发生器,传达了激光切割机器人通过光纤电缆头。激光焊接的好处是,它将产生更高的生产率,提高灵活性和焊缝质量(72年,73年]。所有现有的应用程序使用一个机器人的手,由不同种类的传感器装备执行任务的需要。因此,这些任务无法完成没有算法的要求,因为它将为机械手的机制框架。同样,高性能和安全操作会发生在这个算法。
4.3。控制算法
从最近的开发,跟踪,操纵机器人的控制是很重要的。操纵控制需要某种形式的反馈可以提供夹具之间的交互信息和把握对象。反馈信息可以用来实现一个算法控制来实现机械手的函数操作符应用程序的要求。也被报道,多点机械手执行特定任务的把握对象,需要控制所需的测量部队成功操作和灵巧的爪。此外,它可以掌握各种对象通过改变它的形状。尽管如此,在许多情况下,他们缺乏线性或敏感性,特别是,用娴熟的钳子74年]。机器人的手爪可以增加灵敏度和线性通过使用智能反馈控制将做有效夹持对象的机制。结束一切,各种使用不同的算法控制机械手应用程序已经讨论了基于触觉传感功能,以提高准确性、灵活性和接受能力。此外,在未来机器人的手应用,机械手将更轻,更快,更高的精度和独立工作。例如,复杂的任务的自动化在工业应用高度增强如果机器人可以运行在高速和高精度。然而,当前机器人的设计是由巨大的大小以增加刚度;于是,这些目标不能被执行。实现高速机械手操作操作和更快的响应,我们应该减少传动力矩要求。为此,建了许多单臂灵活的机器人手臂在实验室(75年,76年]。影子灵巧机械手,在图12,是一种先进的仿人机械手系统,用于购买和被认为是当前世界上最先进的机器人的手。
总而言之,各种因素扮演着重要的角色在实现适当的应用程序需要包括材料类型,转换方法,调节电路。这些因素将限制每个应用程序设置为在表2。例如,触觉的聚合物(聚酰亚胺)利用压力传感器制造用于灵巧机器人操作应用,如把握对象,由于它的优势是灵活和强大到足以承受力量在把握。不同,所用的硅MEMS技术在机器人触觉图像和识别应用程序需要更少的灵活性但需要高空间分辨率和灵敏度。因此,聚合物的主要应用程序可以应用在大面积触觉传感器,如人造皮肤和非平面的表面被认为是降低制造成本比硅。此外,硅MEMS也减少了电子信号导线的数量,这使得它非常适合于指尖和需要高分辨率和图像识别应用程序也适用于平坦的表面。
旁边,转导方法的最佳选择和调节电路是非常重要的,因为他们设置功耗的限制,时间响应,和数量的传感器,可以用于一个数组。然而,虽然压阻传感器通常敏感和经济,但他们仍要消耗大量的能量,而不是别人。此外,他们适合检测动力,但有一个限制在机械手应用程序由于电压输出随时间和大内部阻力使他们无法衡量一个静态力量。
5。结论
本文回顾了不同的技术压力传感器类型包括测压元件、压力指示电影,和触觉映射系统的压力。同样的,各种交易方法,包括压敏电阻,电容,压电式进行了讨论。触觉机械手应用压力传感器基于压阻材料。不同的材料用于感觉压力在许多应用程序中包括导电橡胶,弹性悬臂梁,肿胀的硅、弹性橡胶、多晶硅、铁电和聚合物。最近,压敏电阻的方法被用于机器人设计尤其是在把握对象。是定义的优点是由于利用聚合物更灵活,线性和可伸缩的。因此,发现风险过程工人减少和增加安全机器人的手和对象之间的交互过程中。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究受到了科学基金资助金马来西亚的科学,技术和创新,从马来西亚Putra大学授予Putra。