力覺傳感器分類

　　所謂力覺是指機(jī)器人作業(yè)過程中對(duì)來自外部的力的感知，它和壓覺不同，壓覺力是垂直于力接觸表面的力、三維力和三維力矩的感知。機(jī)器人力覺傳感器是模仿人類四肢關(guān)節(jié)功能的機(jī)器人獲得實(shí)際操作時(shí)的大部分力信息的裝置，是機(jī)器人主動(dòng)柔順控制必不可少的，它直接影響著機(jī)器人的力控制性能。分辨率、靈敏度和線性度高，可靠性好，抗干擾能力強(qiáng)是機(jī)器人力覺傳感器的主要性能要求。就傳感器安裝部位麗言，力覺傳感器可分為腕力傳感器、關(guān)節(jié)力傳感器、握力傳感器、腳力傳感器、手指力覺傳感器等。

　　腕力傳感器

　　腕力傳感器是一個(gè)兩端分別與機(jī)器人腕部和手爪相聯(lián)接的力覺傳感器。當(dāng)機(jī)械手夾住工件進(jìn)行操作時(shí)，通過腕力傳感器可以輸出六維（三維力和三維力矩）分量反饋給機(jī)器人控制系統(tǒng)，以控制或調(diào)節(jié)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，完成所要求的作業(yè)。腕力傳感器分為問接輸出型和直接輸出型兩種。間接輸出型腕力傳感器敏感體本身的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但需對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，要經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算求出傳遞矩陣系數(shù)，使用時(shí)進(jìn)行矩陣運(yùn)算后才能提取出六維分量。直接型腕力傳感器敏感體本身的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但只需要經(jīng)過簡(jiǎn)單的計(jì)算就能提取出6個(gè)分量，有的甚至可以直接得到6個(gè)分量。

　　腕力傳感器的系統(tǒng)硬件通常由傳感器和信息處理兩部分組成。傳感器部分由彈性體、測(cè)量電橋和前級(jí)放大器組成，主要完成敏感六維分量，并進(jìn)行信號(hào)前級(jí)放大的任務(wù)。信號(hào)處理部分包括后級(jí)放大、濾波、信號(hào)采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換以及進(jìn)行系統(tǒng)控制、計(jì)算和通信的微機(jī)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖所示。

　　腕力傳感器系統(tǒng)軟件一般包括數(shù)據(jù)采集和A/D轉(zhuǎn)換控制軟件、非線性校正和矩陣解耦運(yùn)算軟件、系統(tǒng)通信及輸出軟件等。

　　腕力傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)：

　　①腕力傳感器雖然結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但原理比較類似，一般都是通過應(yīng)變片來測(cè)量?jī)?nèi)部彈性體的變形，再解耦求得多維力信號(hào)。

　　②腕力傳感器獲得的力信息較多（如六維腕力傳感器），分辨率、靈敏度和精度高，可靠性好和使用方便。

　　③腕力傳感器對(duì)不同類型的機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)通用化，所以得到廣泛的應(yīng)用。

　　④彈性元件一般為整體結(jié)構(gòu)，加工極為困難。

　　⑤應(yīng)變片粘貼過程復(fù)雜，應(yīng)變片的輸出信號(hào)較弱，需要高性能的放大器，市場(chǎng)上供應(yīng)的放大器體積較大。

　　⑥從腕力傳感器的工作原理可以看出，腕力傳感器工作時(shí)產(chǎn)生的變形必將影響機(jī)器人操作臂的定位精度。

　　⑦由于傳感器設(shè)計(jì)、制造上的原因，使得傳感器的輸出信號(hào)與實(shí)際六維向量的分力之間存在相互耦合作用，即傳感器的相互干擾，這種干擾非常復(fù)雜，難以從理論上進(jìn)行分析和解耦消除，通常需要采用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行標(biāo)定。

　　握力傳感器

　　光纖握力覺傳感器單元如圖所示，所用的光纖是50μm、125μm的多模光纖，波紋板是由兩塊相互嚙合的V形槽板組成，為了保持平衡，在槽的另一端放置一根不通光的虛設(shè)光纖，板的厚度為3mm。當(dāng)物體壓力作用于握力覺傳感器時(shí)，波紋板的上蓋相對(duì)于下蓋位移，使光纖產(chǎn)生變形，通過測(cè)量光信號(hào)的衰減可間接得知壓力的大小。在設(shè)計(jì)、制作之后，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)量結(jié)果范圍大、靈敏度高、效果良好。力的分辨率為59，測(cè)量范圍為0～2500g。系統(tǒng)作為一獨(dú)立的部分，通過串行口與控制微機(jī)相連，接口簡(jiǎn)單方便。

　　腳力傳感器

　　二足步行機(jī)器人在人類生活的環(huán)境中應(yīng)用較為方便，但不穩(wěn)定，控制較復(fù)雜。為了解步行時(shí)的狀態(tài)，需裝各種傳感器，其中腳力傳感器是與外界接觸的傳感器，對(duì)步行控制來說是相當(dāng)重要的。

　　圓筒式腳力傳感器，其簡(jiǎn)圖及裝配圖如圖所示。腳力傳感器圓筒的材料是聚氯乙烯樹脂，圓筒外徑為26mm，內(nèi)徑為20mm，長(zhǎng)度為15mm。其上部?jī)商幣c腳的上表面板固定，下部?jī)商幣c腳的下表面板固定。圓筒左右側(cè)壁的內(nèi)外表面貼應(yīng)變片4片，通過橋式放大輸出反映垂直負(fù)荷。根據(jù)兩端支承梁式腳力傳感器的輸出特性可知，腳前部傳感器與后部傳感器之間的相互影響顯著。因此，為了削弱其相互影響，圓筒式腳力傳感器的腳前部傳感器與腳后部傳感器的下表面板不相連。圓筒式腳力傳感器的上表面板為鋁板，下表面板為丙烯板。為了減少腳底與地面之間的滑動(dòng)，在丙烯板表面上貼一層橡膠。兩足步行機(jī)器人的總重量為18.5kg時(shí)，每只腳上裝有4個(gè)傳感器，兩只腳共8個(gè)傳感器。

　　手指式力傳感器

　　手指式力傳感器，一般通過應(yīng)變片或壓阻敏感元件測(cè)量多維力而產(chǎn)生輸出信號(hào)，常用于小范圍作業(yè)，如靈巧手抓雞蛋等實(shí)驗(yàn)，精度高、可靠性好，漸漸成為力控制研究的一個(gè)重要方向，但多指協(xié)調(diào)復(fù)雜。

　　傳感器彈性體結(jié)構(gòu)如圖所示，是組合式結(jié)構(gòu)，分上、下兩個(gè)部分：上部是中空正方形的四個(gè)側(cè)面貼有應(yīng)變片4和4ˊ、5和5ˊ。當(dāng)薄壁筒有微應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片能夠測(cè)量作用力矩Mx、My、Mz。傳感器彈性體的下部是圓環(huán)形，圓環(huán)形上面有對(duì)稱的三個(gè)矩形彈性梁，彈性梁的兩面分別貼有應(yīng)變片，共有6個(gè)應(yīng)變片組成3組橋路，環(huán)上其他高出部分的厚度與梁高比較大，當(dāng)彈性梁發(fā)生微應(yīng)變時(shí)，三個(gè)高出來的部分不產(chǎn)生變形，相當(dāng)于基座。當(dāng)傳感器受外力作用時(shí)，應(yīng)變梁發(fā)生變形，可根據(jù)橋路輸出值測(cè)量力和力矩。上部分與下部分通過三個(gè)橋梁相連，這中問部分可以看成是剛體，受力不產(chǎn)生變形。傳感器的輸出分量有耦合，通過對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定建立解耦矩陣進(jìn)行解耦。機(jī)器人手指五維力/力矩傳感器，外殼是手指頂部并有連接接口，過載保護(hù)防止外力沖擊而使傳感器彈性體發(fā)生塑性變形。傳感器外徑為21mm，高度為17.5mm，最大力為10N，最大力矩為0.2N·m。傳感器底座上可以安裝插座，引線方便，安全可靠。為減少長(zhǎng)線傳輸產(chǎn)生噪聲，將傳感器放大電路安裝在傳感器內(nèi)部，形成集成度高的傳感器。

　　力覺傳感器選擇

　　在應(yīng)用應(yīng)變片的力覺傳感器中，應(yīng)變片的好壞與傳感器的結(jié)構(gòu)同樣重要，甚至比結(jié)構(gòu)更為重要。多軸力覺傳感器的應(yīng)變片檢測(cè)部分應(yīng)該具有以下特性：

　　（1）至少能獲取6個(gè)以上獨(dú)立的應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)；

　　（2）由黏結(jié)劑或涂料引起的滯后現(xiàn)象或輸出的非線性現(xiàn)象盡量小；

　　（3）不易受溫度和濕度影響。

　　選用力傳感器時(shí)，首先要特別注意額定值。人們往往只注意作用力的大小，而容易忽視作用力到傳感器基準(zhǔn)點(diǎn)的橫向距離，即忽視作用力矩的大小。一般傳感器力矩定值的裕量比力額定值的裕量小。因此，雖然控制對(duì)象是力，但是在關(guān)注力的額定值的同時(shí)，千萬不要忘記檢查力矩的額定值。

　　其次，在機(jī)器人通常的力控制中，力的精度意義不大，重要的是分辨率。為了實(shí)現(xiàn)平滑控制，力覺信號(hào)的分辨率非常重要。高分辨和高精度并非是統(tǒng)一的，在機(jī)器人負(fù)載測(cè)量中，一定要分清分辨率和測(cè)量精度究竟哪一個(gè)更重要。