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2001届IEEE机器人与自动化,韩国汉城2001年5月21-26
微机器人系统中的微力检测
St. Fahlbusch 和S. Fatikow
奥尔登堡大学、控制工程研究所
26111 德国奥尔登堡
stephan.fahlbusch@gmx.de
摘要:微机器人是日益增加的对微系统技术和机器人学的两者研究的边界产物。如今，机器人的尺寸已经发展到几立方厘米。相比较传统的机器人而言，微机器人展现出一个复杂的系统，包括几种不同类型的驱动器和传感器。对夹持力的测量是传感器应用在微操作中，除了视觉伺服系统之外，最重要的保护装配过程中零件表面过高压力而损坏的方式。在本文中，将介绍合适的压力检测方法和测量微机器人的AFM悬臂梁的夹持力的概念。此外，信号处理和预期的触觉界面将会被介绍。
一、引言
由于微机器人非常小、零件敏感，因此对各种高分辨率传感器的使用就显得很重要的。目前关于传感器的操作和组装的最小对象的概念，只是追求在视觉系统上的应用。然而在微装配中，力和触觉反馈是必不可少的：它促进了对微小对象的可靠的、无损的操作。在这种情况下，被感知到的夹持力和接触力是非常小的，范围仅在0.1mu;N 到200mu;N之间。相比较之下：牢牢的抓住一副镊子所测量到的力的范围是50mN到100mN之间[1]。因此，我们目前研究活动的目的是研究一种高分辨率的集成压力传感器，去测量微装配机器人的夹持力大小。一方面传感器应该是在一个灵活的微装配空间中，执行遥控操纵任务的设备。另一方面，典型的微装配操作，比如夹持，搬运和丢弃的微对象应该很大程度是基于自动化与计算机帮助下的，对传感器信息的信号处理。出于纯粹的传感器开发研究和发展需求考虑，会出现对微机器人末端执行器的改造设计，包括信号预处理和其现有的计算机系统的连接,包括力反馈中的触觉设备和夹具中力的反馈控制。
二、微力传感的技术现状
在以前的项目中对测量微装配系统的开发,研究的焦点放在视觉伺服系统的使用上。不同的技术，例如CCD相机，显微镜，三角测量传感器已经被使用了。对于目标的识别，定位和深度信息的提取的算法已经被开发并实施了[2][3]。到目前为止，基于力或触觉信息的微夹持器和抓取物体之间的接触情况的确定几乎没有影响。然而,在许多处理微观物体操作的过程中有一个力反馈检测是十分必要的。
2.1 微夹钳与集成力传感器
尽管在过去的几年里许多微夹钳已经被研制出来，但是只有其中的一些上面装配了力传感器。尤其是可用于商业的微处理系统和微夹持器不提供对夹持力的控制装置。最多，有时对普通的力进行必要的粗糙的估计[4]。
大部分集成压力传感器发展到现在采用应变计检测微夹钳的微力[5][6][7][8][9][10][11]。这种技术的优势是应用简单及其性能方面拥有比较高的精度，速度和比较低的成本。到目前为止，其它的力传感技术方面压敏电阻[12][13]压电效应[14][15]有比较成功的应用。
然而,这些方法归根结底受限于夹持力的分辨率大小。例如，硅压阻式的力传感器的分辨率的范围是几个微牛顿。许多微装配任务要求夹持力的分辨低至纳米牛顿[16]。应该注意的是，将技术研发经费运用到发展合适的微力传感器的比重上显著增加，使微力测量范围达到几纳米牛顿。
2.2 研究需求
对目前应用的力传感技术分析, 至今没有适合几纳米牛顿分辨率的集成微力传感器的存在。这些力通常发生在对微小部分，和必须被测量并且要求进行一个可靠和免受伤害处理部分的微装配过程中。
微装配过程中对夹持力的控制，在发展中主要有三个不足之处:
1）微夹持技术仍然处于研究基础阶段。研究活动主要局限于对材料的选择,以及夹具设计、传输和驱动技术。整个夹具系统中，明确的力检测要求的制定，一直被忽视，以致于后来的用于检测夹持器的力传感器很难被集成。
2）由于小尺寸的微夹钳，至少钳口需要设计的尺寸与操纵对象具有可比性，利用传统的集成传感器来测量夹持力几乎是不可能的。传感器不仅要有很高的灵敏度，而且容易集成。
3）现在许多微夹钳的发展受限于传统的使用方法，例如应变计。然而高分辨率的力传感不能用这种方式实现。不仅仅是在最新的调查中，也包括高分辨率技术在其他力测量领域的发展研究，例如原子力显微镜（AFM）[17][18].
一个小型的力传感器有着简单的设计，高的分辨力，能满足测量要求，很容易集成到微型机器人上，然而这种力传感器至今还未存在。因此，对于这种传感器有着很强烈的需求。除了一般需求：高分辨力、高线形性、高灵敏度。一个最好的传感器集成到机器人的夹具上必须要达到这些需求。
2.3 对传感效果的评估
相比较于扫描探针显微技术，有关基于AFM的力传感器在其他领域的使用，只有少数结果可以在文献中找到。只是报道了这些传感器的应用[19][20]。要么是它们集成到，一个工作在光学显微镜下的微夹钳或它们同时用于遥控操作，在扫描电子显微镜（SEM）和传感器下的机械手上。这些方法和其他研究工作最近正在进行[17][18],展示了测量原则的巨大潜力。因此，对微机器人而言用压敏电阻测量基于AFM悬臂的偏转，是一个非常有前途的方法。可以实现高分辨率的力的测量。
一个AFM探针尖端与样品表面，大概几微米长,通常直径不到100埃。一般尖端位于悬臂梁的自由端的100～200mu;m处。针尖与试样表面之间的力使悬臂梁弯曲或偏转。对悬臂梁挠度低于0.01纳米的分辨率的测量，可以使用一束激光和光电探测系统或其他方法，如压敏电阻或电容来测量。
压阻式悬臂梁通过惠斯通电桥测量偏转。这种悬臂梁操作应用对那些激光探测系统探测，受到机械设计和探头运动能力的限制，而这些悬臂梁不会受到限制，具有优势。然而，利用偏转的方法检测的分辨率几乎比激光检测的差十倍。
三、传感器设计与集成到微夹持器
对微力传感器及其特征特性的设计，例如分辨率和测量范围，很大程度上取决于使用的末端。与此同时，对具有最佳测量性能要求的传感器的设计，限制了末端执行器可能的多样选择。因此，对力传感器的设计必须和选择采取的末端执行器一起考虑。只有这样，才有可能满足传感器和微操作夹持器所需性能的要求。
图1所示的，对力传感器集成到微夹持器进行的初步设计。将压阻式悬臂梁连接到夹持器的固定爪上。力传感器用于夹爪的使用，是建立基于一个原子力显微镜的悬臂梁和一些必要的修改。
图1 综合力传感器的布局图
建立几个具有不同的几何和电气性能的原型，以选择一个最佳的适应给定的任务的原型。按布局选择，通过选择一个合适的机械性能的悬臂梁，可以轻松地达到传感器对测量范围和分辨率的要求。高精度的测量要求，例如软悬臂梁的小弹性系数，虽然不精确测量允许使用较硬的悬臂梁，这种较硬的悬臂梁相对而言，可以更好的处理微小物体。惠斯通电桥对电阻变化的测量是必不可少的，这种电路已被集成到悬臂梁中，以实现最大限度的成套设计，为以后集成到微夹持器中准备，图2a。同时，传感器是敏感到纳牛顿范围，同时可以装配在三个维度上起作用，图2b[ 21 ]。使用这种力传感器，可以检测到一个被夹取的微物体的移动。
图2 压阻式悬臂梁：a）集成惠斯通电桥，b）三维测量
如图1所示，传感器元件可以很容易地集成到一个微夹持器上，以来测量夹持力。当对设计的传感器元件进行安装时，必须考虑到不需要的机械变形，机械变形必须保持一微米级的分度，以获得可靠的结果。该集成压敏电阻传感器比相连的半导体应变传感器，在测量微力上可以提供明显更好的分辨率和纳牛顿范围的微力。
四、信号处理和校准
一系列测试性能的实验装置如图3所示。就如之前已经提到的，通过确定悬臂梁的自由端的挠度来进行微力检测。通过植入的压电电阻的电阻变化，可以计算出偏转挠度。电阻本身的变化的测量是通过一个集成的惠斯通电桥来完成的，将输出电压的变化作为输出信号的变化来完成测量的。这个信号需要被放大，并且用于进一步进行A/D转换处理，传递到电脑。
信号的预先分析是利用美国国家仪器有限公司的LabWindows/CVI进行的。这个软件可以对集成信号进行处理，并且在这个项目的下一个阶段，用已经存在的软件模块，对微夹持器的夹持力/位置进行控制。经过校准（见下文），从首先悬臂的挠度电压的变化，得到最后作用在悬臂上的力F可以通过已知的弹簧常数计算，根据：
图3 实验装置
(1)
Z定位单元如图3所示（纳米定位系统LISA和纳米自动化控制器PI）的力传感器的校准服务。线性压电阶段致动器是一个紧凑的和快速的设备，它可以提供一个定位和一个非常快速的计算时间和小的扫描范围高达38mu;m的转动误差。该阶段结合了弯曲阶段的精确轨迹控制压电堆栈致动器的小尺寸位移。它配备了一个电容位置传感器提供亚纳米级分辨率（le;0.1 nm）和闭环运行的稳定性。
校准的目的是能够直接得出结论，由惠斯通电桥的变化电压提供力。虽然传感器的分辨率主要是受到机械设计和选择的测量原理的限制，这个标准有一个关键作用，作用是通过传感器对力进行测量的精度是合理的。由于所需的测量范围小和需要在纳牛顿范围内进行操作的传感器的分辨率要求很高，导致校准特别复杂。
对微操作空间控制系统进行模块化的构想已经在其发展道路上了，从而允许添加额外的元件（传感器、执行器，另一个微型机器人）。目前，用合理的方法来接通信号预处理的控制系统已经被研究。计算机系统的设置提供了三种不同的连接版本（图4）：1）一个A/D转换器连接到，一个与力控制该模块运行PC104的模块；2）利用一个C167微控制器，使用其内部的A/D转换器将桥接电路的模拟信号转换成数字信号，或3）在微机器人上通过C167微控制器的串行端口，读取惠斯通电桥的输出信号并直接转换成连续信号。
图4： 传感器信号对控制系统的可能连接
在第一个实验中，这个版本已经测试成功。最后的2个版本，将执行控制力的微控制器直接装在微控制器上。然而，用不同的方法对它们的实时能力进行更准确的检查评估。
五、触觉和力控制
触觉和力控制发展的目标是，使操作人员使用受力信息的帮助来灵活处理微物体。用户应提供一个接口，用于遥控操作和接口（部分）微观物体自动化操纵（图5）。一个实时力反馈装置在可遥控操作过程中是必不可少的。对于具有微米尺寸的对象的处理，操作员缺乏所需的“感觉”，以防止组件受到伤害[1]。
图5 建立具有触觉界面操作
在遥控操作系统中，有不同的表示力反馈的方法，如各种类型的信息显示在（计算机）显示器上，声信号[22]或类似。根据传感器信息和所需表示原理的要求，甚至它们必须被选择的组合。信息将通过可视化界面实现（显示），声学界面（扬声器）和触觉接口（例如力反馈操纵杆）。
六、结论
一个灵活的微操作空间，包括几立方厘米小的直驱机器人已经被研发出来了。这些机器人能够执行运输，高精度的操作和对微对象的定位。主要的焦点放在对微型机器人的扩展上，对微力传感系统测量夹持力的集成。在微操作过程中需要额外的传感信息，以防止零件被损坏，并开发力控制的微夹取方案。
在第一步中，半导体应变计已应用到微夹持器。初步实验表明，其适合精度和分辨率要求低的应用。下一步将是微力传感器元件的应用，需要分辨率在微和纳米牛顿范围内。在原子力显微镜下用传感元件建立
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