六维力传感器专利技术综述

摘要：六维力传感器在自动化工厂中是最重要的传感器之一，能够检查空间任意力系中的三维正交力及三维正交力矩，具有测力信息丰富、测量精度高等特点，主要应用在力及力-位控制场合。本文针对六维力传感器技术在国内的专利申请进行了针对性检索，基于检索获得的专利文献，对历年申请量变化趋势、申请人的国家/地区分布、主要申请人情况进行了分析，希望对国内相关高校企业的产品研发和专利布局提供帮助。关键词：六维；六分量；力；力矩；传感器；专利一、 概述传感与测量是控制系统的重要组成部分。多维力传感器中应用最广泛的为六维力传感器。广义六维力传感器能够检查空间任意力系中的三维正交力（fx、fy、fz）及三维正交力矩（mx、my、mz），由于其测力信息丰富、测量精度高等特点，主要应用在力及力-位控制场合，如机器人末端执行器，汽车行驶过程轮力检测，轮廓跟踪，精密装配，双手协调等，尤其在航空机器人，宇宙空间站对接仿真等场合发挥了极其重要的作用。目前，国内外关于六维力传感器研究最主要的应用是在机器人技术上，它是机器人高质量控制和智能化不可缺少的重要传感元件。二、 六维力传感器的国内外研究现状国际上对六维力传感器获取的研究是从上世纪七十年代初期开始的，美国、日本等极少数国家率先研发出多维力传感器，价格十分昂贵。目前，六维力传感器生产厂家主要有美国的amti、ati、jr3、lord等，瑞士的kriste，德国的schunk、hbm等公司。各种测力机理的出现为广义六维力传感器的设计提供了理论基础。按采用的敏感原件可将六维力传感器分为：应变式（金属箔式和半导体式）、压电式（石英、压电复合材料等）、光纤应变式、厚膜陶瓷式、mems（压电和应变）式等。早在1974年，瑞士洛桑联邦工学院科学家g.piller就对六维力传感器的可行性进行了验证和分析，并设计了以电阻应变片为敏感元件的六维力/力矩传感器。意大利的giovannigiovinazzo和piergiorgiovarrone于1980年提出一种电容式的六维力/力矩传感器。加拿大的a.bazergui教授设计了一种压电式六维力传感器；而东京工业大学机械系研制了一种光学六维力传感器。我国对六维力传感器的研究是在上世纪八十年代初期开始的，中科院合肥智能机械研究所于1987年研制出我国第一台六维腕力传感器，之后陆续有哈尔滨工业大学、华中理工大学、东南大学等单位研制出多种规格的多维力/力矩传感器，展现了我国多维力/力矩信息获取研究领域的蓬勃发展态势。目前在六维力传感器研究较多的院校有燕山大学、哈工大，大连理工等。十字梁型结构是目前六维力传感器采用最多的一种形式，如美国斯坦福大学人工智能研究所研制的scheinman腕力传感器，中科院合肥智能机械研究所的safms型系列六维力/力矩腕力传感器robottechnologyinc.load等公司的相应六维力/力矩腕力传感器。这种结构的弹性体对称性好，易于加工，维间耦合小，但动态响应慢，需过载保护。近年来，并联机构被广泛的研究，其相应成果被应用到机器人技术相关领域，国际上除了对多维力/力矩传感器的研究热点除了在检测原理和方法创新、新型弹性体结构设计外，人们更关注的是多维力/力矩传感器的应用问题，如现代工业机器人怎么样能够充分利用多维力/力矩传感器以及其它感知系统来完成对各种环境下的更多更复杂的机器人作业，使工作更加精确、生产效率更高、成本更低。如将多维力/力矩传感器利用到工业机器人自动装配生产线，结合更实时更有效的算法，使智能工业机器人能够更好的进行精密柔性机械装配、轮廓跟踪等作业。三、 六维力传感器的测力原理及特点3.1电阻应变式六维力传感器电阻应变式测力原理是目前广义六维力传感器中应用最多的一种。被测物理量作用在弹性元件上，安装在弹性元件上的电阻应变敏感元件将物理量转化为电阻变化，又通过变换电路将电阻变化转换为电压变化。电阻应变式传感器主要特性是准确度高，非线性及滞后误差小，蠕变小，并对传感器的零点平衡、零点温度影响、灵敏度温度影响以及输出灵敏度标准化都进行了全面的补偿。它的缺点是动态响应低，灵敏度与刚度往往相互制约。电阻应变式六维力传感器设计的关键是如何设计出合理的弹性体结构形式。3.2压电式六维力传感器压电式力敏传感器是另一种比较常用的测力形式，它的基本测力原理是在外部应力的作用下，压电材料产生一个电荷，当外力变化时，压电材料表面的电荷随之变化，带来输出电压信号的变化。压电传感器的主要特点是其有很高的固有频率（200khz），特别适合动态测量；与位移型测力仪器不同，它的刚度和灵敏度相互不影响，因此能同时得到高灵敏度和高弹性系数（8000kgf/mm）的测力仪。如何克服传感器各向载荷间的相互干扰是提高压电传感器测量精度的有效途径。3.3电容式六维力传感器电容式力敏传感器的核心部分是对压力敏感的电容器。力敏电容器的电容量是由电极面积和两个电极间的距离决定，当硅膜片两边存在压力差时，硅膜片产生形变，极板间的间距发生变化，从而引起电容量的变化，电容变化量与压差有关。它与压阻式力敏传感器相比，具有灵敏度高、温度稳定性好、压力量程大等特点。3.4基于光学检测的六维力/力矩传感器 东京工业大学机械工程与科学系设计了一种基于光学检测的六维力/力矩传感器，装备的六横梁上的三个横梁上装有四分型光学传感器，在梁中心位置有三个相应光源，通过光学传感器测量加载力/力矩引起的微小变形，从而检测相应的六维力/力矩信息。由于光学检测对电磁干扰不敏感，所以能被应用到比较恶劣的环境中，但成本高，适用温度范围较窄。3.5六维力传感器的结构形式广义六维力传感器有着许多种结构形式，大体上可分为直接输出型（无耦合型）和间接输出型（耦合型）。直接输出型简言之就是六维空间力由测力元件直接检测或经简单计算求得，如压电式六维力传感器就是直接由六组石英晶组分别检测fx、fy、fz及mx、my、mz。这种无耦合六维力传感器以美国sir公司1973年设计的积木式结构较为著名。直接输出型传感器代表了今后传感器的一个发展方向。另外，多维力/力矩传感器还有其它多种弹性体结构形式如三垂直筋结构、双环形结构、盒式结构、圆柱形结构、双头形结构、三梁结构、八垂直筋结构等。四、专利技术现状分析本文用于检索的数据库采用了中国专利文摘数据库cnabs及ven数据库，检索式选择表示本领域的ipc国际专利分类号g01l5/16、g01l5/24、g01l1与本领域通用的关键词六维、六分量、力、力矩、传感器，统计日期截止到公开日2016年5月31号，获得专利文献300篇，本文以上述数据作为研究对象，从六维力传感器专利申请年度申请情况、国家/地区分布、主要申请人特点等几个角度展开分析。4.1专利申请量趋势分析图2为六维力传感器领域在中国申请的专利申请量年度分布图，从图2可看出在近十年有关六维力传感器在中国范围内的专利申请量整体上呈增长趋势，自2007年开始，申请量有大幅增长，2009年有所下降，至2013年迎来了申请高峰，专利申请量呈现逐年下降的态势，由于2014-2015年部分申请未公开，所以申请量相比2013年有所下降。4.2在中国申请专利的主要申请人分析表1给出了六维力传感器在中国申请专利的主要申请人申请量排名情况，可以看出，国内申请人主要集中在以哈尔滨工业大学、燕山大学为代表的高校。由于六维力传感器结构较为复杂，测量信息量大，在弹性体的设计以及数据采集与处理等方面面临着一定难度，因此大部分研究成果仍处于实验室阶段，能够应用于实际生产中产品化的六维力传感器还比较少。4.3六维力传感器专利申请量的国别分别情况在s系统中的ven数据库中，截止到2016年5月底，对六维力传感器领域所有专利国家/地区专利申请进行统计，如图3所示，世界范围内可见六维力传感器在中国为研究热点，其次为日本、美国。