力矩传感器实时检测
力矩传感器 6 DoF力/力矩传感器用于实时检测三个沿着轴向的力和三个绕着轴向的力矩，高精度，广泛应用于工业机器人，模拟机器人和机械手等领域。 特点： 高速通讯输出 从Fx到Mz，传感器以125 µsec的间隔时间输出数据，能以8kHz的频率输出6维数据。 高速数字信号处理器（DSP） 数据采集板安装DSP芯片，用于消除交叉轴误差，数字滤波，阀值控制等。 日本Nitta/JR3系列产品：TFS超小型系列, XFS小型系列, IFS-ANA系列, IFS-EX系列, IFS-系列, 12DOF-多维力和力矩传感器； 详 细 说 明 简介： Nitta/JR3公司6 DoF力/力矩传感器用于实时检测三个沿着轴向的力和三个绕着轴向的力矩，高精度，广泛应用于工业机器人，模拟机器人和机械手等领域。 特点： 高速通讯输出 从Fx到Mz，传感器以125 µsec的间隔时间输出数据，能以8kHz的频率输出6维数据。高速数字信号处理器（DSP） 数据采集板安装DSP芯片，用于消除交叉轴误差，数字滤波，阀值控制等。 IFS-EX系列智能力/力矩传感器 额定值 直径 (mm) 高 (mm) 重量 (g) Fx,Fy (N) Fz (N) Mx-Mz (Nm) IFS-20E12A15-I25-EX 60 120 3 51 32 180 IFS-30E12A15-I40-EX 60 120 5 76 32 320 IFS-35E12A15-I50-EX 60 120 5 89 32 380 IFS-40E12A15-I63-EX 60 120 6 102 32 550 IFS-45E12A15-I63-EX 60 120 7 114 32 710 IFS-20E12A25-I25-EX 100 200 5 51 32 180 IFS-30E12A25-I40-EX 100 200 8 76 32 320 IFS-35E12A25-I50-EX 100 200 9 89 32 380 IFS-40E12A25-I63-EX 100 200 10 102 32 550 IFS-45E12A25-I63-EX 100 200 11 114 32 710 IFS-30E12A50-I40-EX 200 400 15 76 32 320 IFS-35E12A50-I50-EX 200 400 18 89 32 380 IFS-40E12A50-I63-EX 200 400 20 102 32 550 IFS-45E12A50-I63-EX 200 400 23 114 32 710 IFS-30E15A75-I40-EX 300 600 23 76 38 380 IFS-35E15A75-I50-EX 300 600 27 89 38 500 IFS-40E15A75-I63-EX 300 600 31 102 38 580 IFS-45E15A75-I63-EX 300 600 34 114 38 800 IFS-65E20A75-I100-EX 300 600 50 165 51 2600 IFS-75E20A75-I125-EX 300 600 57 191 51 3400 IFS-30E15A100-I40-EX 400 800 31 76 38 380 IFS-35E15A100-I50-EX 400 800 36 89 38 500 IFS-40E15A100-I63-EX 400 800 41 102 38 580 IFS-45E15A100-I63-EX 400 800 46 114 38 800 IFS-65E20A100-I100-EX 400 800 66 165 51 2600 IFS-75E20A100-I125-EX 400 800 76 191 51 3400 IFS-40E15A150-I63-EX 600 1200 61 102 38 580 IFS-45E15A150-I63-EX 600 1200 69 114 38 800 IFS-65E20A150-I100-EX 600 1200 99 165 51 2600 IFS-75E20A150-I125-EX 600 1200 114 191 51 3400 IFS-65E20A250-I100-EX 1000 2000 165 165 51 2600 IFS-75E20A250-I125-EX 1000 2000 191 191 51 3400 IFS-65E20A400-I100-EX 1600 3200 297 165 51 2600 IFS-75E20A400-I125-EX 1600 3200 343 191 51 3400 IFS-75E20A500-I125-EX 2000 4000 381 191 51 3400
为多指灵巧手所研制的微型五维指尖力／力矩传感器基于电阻应变原理。利用有限元方法，设计了具有很小尺寸的传感器弹性体结构（应变梁的厚度只有０．３５ｍｍ）。将ｂｌｈ公司生产的微型高阻金属应变片ｓｒ－４贴在应变梁上组成五个应变半桥，用高精度的＋５ｖ电压调节器给电桥供电，由此将传感器所受的五维力（包括ｘ，ｙ，ｚ方向的力ｆｘ，ｆｙ和 ｆｚ以及ｘ，ｙ两个方向的力矩ｍｘ，ｍｙ）转换成五路电压输出。采用表面贴装技术设计了传感器的信号调理电路，将小电路板内置于传感器本体之中，实现了传感器体积的微型化，整个传感器的外形尺寸只有φ１９ｍｍ×１２．５ｍｍ。三维力ｆｘ，ｆｙ和ｆｚ的测量范围是１０ｎ，二维力矩ｍｘ和ｍｙ 的测量范围是０．２ｎ·ｍ。
力矩传感器用有限元方法对传感器的弹性体进行应力分析，可以计算出，在＋５ｖ恒压源供电的情况下，每路电压输出值不超过±２５ｍｖ。因此，信号必须经过高性能的信号调理电路，才能达到较好地测量精度；同时，必须将电路板就近地放置在传感器的本体之中，以避免噪声的引入。为此，我们应用表面贴装技术设计制作了以精密仪表放大器ａｄ６２３为核心的信号调理电路板，通过高性能元器件的选择、电路的高质量滤波以及电路板的合理布线，将五路电桥的输出电压信号放大到数据采集系统所要求的输入范围：０～５ｖ。为了实现单电源供电的ａｄ６２３对双极性传感器输出电压的放大，在ａｄ６２３的参考电压端加上２．５ｖ的参考电压，实现双极性电压的直流偏置。为了测量环境的温度以便对传感器的输出进行温度补偿，在信号调理电路板上还放置了三脚ｓｏｔ封装的集成温度传感器ｌｍ５０ｂ。
２ 力矩传感器基于单片机ａｔ８９ｃ５２的传感器数据采集系统和串行通讯系统的电路设计
为了实现五维指尖力／力矩传感器的智能化，使之成为一个完整的力测量系统，选用了ａｔｍｅｌ公司生产的ａｔ８９ｃ５２微处理器作为传感器数据采集和处理系统的核心。ａｔ８９ｃ５２的管脚和指令与传统的ｍｃｓ－５１系列单片机完全兼容，并且芯片内部集成了８ｋ的可编程ｆｌａｓｈ内存。对于本系统而言，只需很少的外围芯片就可以构成一个单片机应用系统。
为了保证微处理器ａｔ８９ｃ５２的正常工作，我们使用了ｍａｘｉｍ公司生产的ｍａｘ７０８来实现整个系统的硬件监控。ｍａｘ７０８有以下几个主要功能：实现ａｔ８９ｃ５２的上电自动复位和手动复位；芯片内部集成有独立的“看门狗”电路，这可以保证系统的可靠运行；内部有电源电压监视电路，可以用来实现系统的掉电保护。
数据采集系统和ｒｓ４２２串行通讯系统的电路原理框图如图１所示。
为了提高数据采集系统的精度，在电路板的设计中，将模拟地与数字地分开，在主要芯片的电源端就近地放置滤波电容，这些措施取得了很好的效果。
３ 基于单片机ａｔ８９ｃ５２的微型五维力／力矩传感器 的软件设计
系统软件采用模块化的设计方法，共分为四个模块：系统初始化模块、数据采集模块、数据处理模块和串行通讯模块。主程序流程图如图２所示。
３.１ 力矩传感器 系统初始化模块
系统初始化模块包括串行通讯接口波特率、奇偶校验、数据位个数等的初始化，ａ／ｄ转换器ｍａｘ１９７的初始化，ｍａｘ４９１接收、发送使能的初始化。
３.２力矩传感器 数据采集模块
在系统初始化完成以后，等待上位机的开始工作命令，接收到开始命令以后，单片机系统开始数据采集，采集到的结果放入ａｔ８９ｃ５２的内部ｒａｍ中，系统进入数据处理模块。需要说明的是，对ａ／ｄ转换结果的读取是通过中断方式来进行的，提高了系统的响应速度和微处理器的利用效率。
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