采用 HBM 應(yīng)變片開發(fā)三分量力傳感器

發(fā)布時(shí)間：2023-08-04 點(diǎn)擊次數(shù)：1060

采用 HBM 應(yīng)變片開發(fā)三分量力傳感器

如何為負(fù)重行走機(jī)器人開發(fā)更具成本效益的感應(yīng)足？本課題是達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)仿真機(jī)器人項(xiàng)目的一部分。

其采用了 HBM 應(yīng)變片開發(fā)了一款三分量力傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。

挑戰(zhàn)

為承重行走機(jī)器人開發(fā)更具成本效益的感應(yīng)足

解決方案:

采用基于 HBM 應(yīng)變片的三分量力傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。由于應(yīng)變片帶有背膠，因此更易安裝，并可采用熱固化方式，更牢固。

結(jié)果:

12個(gè)HBM應(yīng)變片以全橋方式連接到全橋上，以測(cè)量最小的電阻變化。首次試運(yùn)行非常成功，并將在后續(xù)項(xiàng)目中進(jìn)一步優(yōu)化。

三分量力傳感器結(jié)構(gòu)

Figure 1: Strain Gauges attached on a three-dimensional feather-spring component (above), Arrangement of the attached strain gauges on the unrolled feather-spring component — 圖1：三維彈性體上的應(yīng)變計(jì)（上圖），下圖應(yīng)變片在展開彈性體上的排布

這種三軸力傳感器采用鋁制圓柱形梁式結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)簡(jiǎn)單，成本低廉。

為了測(cè)量 x、y 和 z 軸方向的力，共安裝了三個(gè)應(yīng)變?nèi)珮颍?/p>

z 方向力測(cè)量: 4個(gè)應(yīng)變花 K-TA11K3/350 采用雙組份冷固化膠安裝在薄片式彈性體內(nèi)部。
x 和 y 方向力測(cè)量: 8個(gè)應(yīng)變片 K-LU13K1.6/350 被黏貼在彈性體外部。這種帶背膠的應(yīng)變片可以采用熱固化方式，并且安裝更方便。

應(yīng)變計(jì)的排布如圖1所示。1-4號(hào)應(yīng)變片測(cè)量z方向，5-12號(hào)應(yīng)變片測(cè)量x和y方向。

為了測(cè)量最小的電阻變化，需要將應(yīng)變片需要以全橋方式安裝（見圖2）。在 ANSYS Workbench 19.1 幫助下，應(yīng)變被確定到指定方向。

Figure 2: Connection of the strain gauges to three full bridges, bridge deflection, strain and crosstalk — 圖 2: 三個(gè)應(yīng)變?nèi)珮蜻B接，橋路擾度，應(yīng)變和串?dāng)_（點(diǎn)擊放大）

產(chǎn)品原型測(cè)試運(yùn)行

為了對(duì)三分量力傳感器進(jìn)行驗(yàn)證，開發(fā)了一個(gè)產(chǎn)品原型。在第一次試運(yùn)行中需要對(duì)該原型進(jìn)行評(píng)估和校準(zhǔn)。借助校準(zhǔn)裝置，三個(gè)方向的力依次加載。

輸入和輸出的校準(zhǔn)條件如下：

x-通道零點(diǎn)信號(hào) (mV)	11.42
y-通道零點(diǎn)信號(hào)(mV)	5.13
z-通道零點(diǎn)信號(hào)(mV)	-28.90
供電電源(DC 直流 V)	3.3
放大器	ADS1262
測(cè)量范圍 (V)	+/- 0.156
x-通道系數(shù)	16
y-通道系數(shù)	16
z-通道系數(shù)	16

Figure 3: Prototype of the developed force sensor — 圖 3: 三分量力傳感器產(chǎn)品原型

測(cè)試運(yùn)行結(jié)果

校準(zhǔn)的測(cè)量曲線以橙色、綠色和黑色顯示在圖表中。參考力值以藍(lán)色藍(lán)色曲線顯示，用于比較。

Figure 4: Calibrated measuring course Fx — 圖4: Fx 校準(zhǔn)測(cè)量過程(點(diǎn)擊放大)

Figure 5: Calibrated measuring course Fy — 圖 5: Fy 校準(zhǔn)測(cè)量過程(點(diǎn)擊放大)

Figure 6: Calibrated measuring course Fz — 圖 6: Fz 校準(zhǔn)測(cè)量過程(點(diǎn)擊放大)

與參考傳感器的絕對(duì)平均誤差和相對(duì)平均誤差：

力方向	絕對(duì)平均誤差 (N)	相對(duì)平均誤差 (%)
Fx	approx. 3	約 1.5
Fy	approx. 4	約 2.6
Fz	approx. 23	約 3.1

第一次試運(yùn)行的結(jié)果清楚地表明，HBM 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片已經(jīng)取得了相當(dāng)大的成功。為了對(duì)絕對(duì)平均誤差和相對(duì)平均誤差進(jìn)一步優(yōu)化，達(dá)姆施塔特技術(shù)大學(xué)正在進(jìn)行一個(gè)后續(xù)項(xiàng)目。

達(dá)姆施塔特技術(shù)大學(xué)簡(jiǎn)介

達(dá)姆施塔特技術(shù)大學(xué) 是德國領(lǐng)先的科技大學(xué)之一，在國際上享有很高的知名度和聲譽(yù)。自1877成立以來，獨(dú)有的創(chuàng)新精神一直是達(dá)姆施塔特技術(shù)大學(xué)最鮮明的特色。通過杰出的研究成果，達(dá)姆施塔特科技大學(xué)一直在面向未來的科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行開拓。