28、低成本三轴力传感器与自动扰动器的研发与特性分析

低成本三轴力传感器与自动扰动器的研发与特性分析

一、低成本三轴力传感器（TFS）

1.1 引言

力传感器在与周围环境物理接触时，能够量化相互作用力。它们被广泛应用于不同领域，如人机交互、机器人技术和生物医学设备等。在许多应用中，需要了解法向力和剪切力，例如检测抓取物体的滑动或在操作内窥镜时测量关键的剪切力。然而，多向力传感器的实施可能会增加系统成本。因此，研发了一种低成本的三轴力传感器（TFS），以替代昂贵的商用传感器。

1.2 材料与方法

• 设计与制造 ：使用CAD软件SolidWorks 2018设计机械部件，然后使用Stratasys FORTRUS 250mc 3D打印机，采用标准热塑性材料ABS P430进行打印。垫圈状的硅胶结构用于实现机械顺应性，使用Silikon Fabrik的SF - 45 2k A45和SF - 33 2k硅胶进行模制。
• 力传感器选择 ：TFS内部的力测量使用了三个商用的单向力传感器HSFPAR303A，其主要特性包括价格为6.53瑞士法郎/个、尺寸为2.0 × 1.6 × 0.66 mm³、力范围为0 - 8 N、过载保护高达200 N、高灵敏度为3.7 mV/N以及在力范围内线性度小于3%。
• 特性表征 ：使用工业力/扭矩传感器Mini45和多功能测试机（MTS）对TFS进行特性表征。首先将TFS安装在特制的支架上，放置在Mini45上方并进行校准。使用自动化设置同步和记录TFS和Mini45的信号，采样率为100 Hz，记录的信号在Matla