力覺傳感器

力覺傳感器（force sensor）力覺傳感器經常裝於機器人關節處，通過檢測彈性體變形來間接測量所受力。裝於機器人關節處的力覺傳感器常以固定的三座標形式出現，有利於滿足控制系統的要求。目前出現的六維力覺傳感器可實現全力信息的測量，因其主要安裝於腕關節處被稱為腕力覺傳感器。腕力覺傳感器大部分採用應變電測原理，按其彈性體結構形式可分為兩種，筒式和十字形腕力覺傳感器。其中筒式具有結構簡單、彈性梁利用率高、靈敏度高的特點；而十字形的傳感器結構簡單、座標建立容易，但加工精度高。

力覺傳感器根據力的檢測方式不同，可分為：應變片式（檢測應變或應力）、利用壓電元件式（壓電效應）及差動變壓器、電容位移計式（用位移計測量負載產生的位移）。其中，應變片式壓力傳感器最普遍，商品化的力傳感器大多是這一種。

壓電元件很早就用在刀具的受力測量中，但它不能測量靜態負載。電阻應變片式壓力傳感器是利用金屬拉伸時電阻變大的現象，將它粘貼在加力方向上，可根據輸出電壓檢測出電阻的變換，如圖1所示。電阻應變片在左、右方向上加力，用導線接到外部電路。

在不加力時，電橋上的電阻都是R，當加左、右方向力時，電阻應變片是一個很小的電阻ΔR，則輸出電壓為

ΔU = U1 - U2 =（（ U/2）·（ΔR/2R））/（1+ΔR/2R）≈UΔR/4R

電阻變換為 ΔR ≈4RΔU/U ^[2] 

所謂力覺是指機器人作業過程中對來自外部的力的感知，它和壓覺不同，壓覺力是垂直於力接觸表面的力、三維力和三維力矩的感知。機器人力覺傳感器是模仿人類四肢關節功能的機器人獲得實際操作時的大部分力信息的裝置，是機器人主動柔順控制必不可少的，它直接影響着機器人的力控制性能。分辨率、靈敏度和線性度高，可靠性好，抗干擾能力強是機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、關節力傳感器、握力傳感器、腳力傳感器、手指力覺傳感器等。

腕力傳感器是一個兩端分別與機器人腕部和手爪相聯接的力覺傳感器。當機械手夾住工件進行操作時，通過腕力傳感器可以輸出六維（三維力和三維力矩）分量反饋給機器人控制系統，以控制或調節機械手的運動，完成所要求的作業。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構比較簡單，但需對傳感器進行校準，要經過複雜的計算求出傳遞矩陣係數，使用時進行矩陣運算後才能提取出六維分量。直接型腕力傳感器敏感體本身的結構比較複雜，但只需要經過簡單的計算就能提取出6個分量，有的甚至可以直接得到6個分量。

腕力傳感器的系統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、測量電橋和前級放大器組成，主要完成敏感六維分量，並進行信號前級放大的任務。信號處理部分包括後級放大、濾波、信號採樣保持、A/D轉換以及進行系統控制、計算和通信的微機系統，整個系統框圖如圖2所示。

腕力傳感器系統軟件一般包括數據採集和A/D轉換控制軟件、非線性校正和矩陣解耦運算軟件、系統通信及輸出軟件等。

腕力傳感器的優缺點：

①腕力傳感器雖然結構較複雜，但原理比較類似，一般都是通過應變片來測量內部彈性體的變形，再解耦求得多維力信號。

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腕力傳感器對不同類型的機器人能實現通用化，所以得到廣泛的應用。

④彈性元件一般為整體結構，加工極為困難。

⑤應變片粘貼過程複雜，應變片的輸出信號較弱，需要高性能的放大器，市場上供應的放大器體積較大。

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

⑦由於傳感器設計、製造上的原因，使得傳感器的輸出信號與實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，這種干擾非常複雜，難以從理論上進行分析和解耦消除，通常需要採用實驗方法進行標定。 ^[3] 

光纖握力覺傳感器單元如圖3所示，所用的光纖是50μm、125μm的多模光纖，波紋板是由兩塊相互齧合的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光纖，板的厚度為3mm。當物體壓力作用於握力覺傳感器時，波紋板的上蓋相對於下蓋位移，使光纖產生變形，通過測量光信號的衰減可間接得知壓力的大小。在設計、製作之後，對系統性能進行測試。測量結果範圍大、靈敏度高、效果良好。力的分辨率為59，測量範圍為0～2500g。系統作為一獨立的部分，通過串行口與控制微機相連，接口簡單方便。

二足步行機器人在人類生活的環境中應用較為方便，但不穩定，控制較複雜。為了解步行時的狀態，需裝各種傳感器，其中腳力傳感器是與外界接觸的傳感器，對步行控制來説是相當重要的。

圓筒式腳力傳感器，其簡圖及裝配圖如圖4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，內徑為20mm，長度為15mm。其上部兩處與腳的上表面板固定，下部兩處與腳的下表面板固定。圓筒左右側壁的內外表面貼應變片4片，通過橋式放大輸出反映垂直負荷。根據兩端支承梁式腳力傳感器的輸出特性可知，腳前部傳感器與後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後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，在丙烯板表面上貼一層橡膠。兩足步行機器人的總重量為18.5kg時，每隻腳上裝有4個傳感器，兩隻腳共8個傳感器。 ^[3] 

手指式力傳感器，一般通過應變片或壓阻敏感元件測量多維力而產生輸出信號，常用於小範圍作業，如靈巧手抓雞蛋等實驗，精度高、可靠性好，漸漸成為力控制研究的一個重要方向，但多指協調複雜。

傳感器彈性體結構如圖5所示，是組合式結構，分上、下兩個部分：上部是中空正方形的四個側面貼有應變片4和4ˊ、5和5ˊ。當薄壁筒有微應變時，應變片能夠測量作用力矩M_x、M_y、M_z。傳感器彈性體的下部是圓環形，圓環形上面有對稱的三個矩形彈性梁，彈性梁的兩面分別貼有應變片，共有6個應變片組成3組橋路，環上其他高出部分的厚度與梁高比較大，當彈性梁發生微應變時，三個高出來的部分不產生變形，相當於基座。當傳感器受外力作用時，應變梁發生變形，可根據橋路輸出值測量力和力矩。上部分與下部分通過三個橋樑相連，這中問部分可以看成是剛體，受力不產生變形。傳感器的輸出分量有耦合，通過對其進行標定建立解耦矩陣進行解耦。機器人手指五維力/力矩傳感器，外殼是手指頂部並有連接接口，過載保護防止外力衝擊而使傳感器彈性體發生塑性變形。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。為減少長線傳輸產生噪聲，將傳感器放大電路安裝在傳感器內部，形成集成度高的傳感器。 ^[3] 

在應用應變片的力覺傳感器中，應變片的好壞與傳感器的結構同樣重要，甚至比結構更為重要。多軸力覺傳感器的應變片檢測部分應該具有以下特性：

（1）至少能獲取6個以上獨立的應變測量數據；

（2）由黏結劑或塗料引起的滯後現象或輸出的非線性現象儘量小；

（3）不易受温度和濕度影響。

選用力傳感器時，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點的橫向距離，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，雖然控制對象是力，但是在關注力的額定值的同時，千萬不要忘記檢查力矩的額定值。

其次，在機器人通常的力控制中，力的精度意義不大，重要的是分辨率。為了實現平滑控制，力覺信號的分辨率非常重要。高分辨和高精度並非是統一的，在機器人負載測量中，一定要分清分辨率和測量精度究竟哪一個更重要。 ^[2] 

力控制技術尚未實用化的主要原因：一是現有的機器人技術還尚未完全達到實現力控制的水平；二是力控制的理論體系尚未完善。此外，從理論上掌握機器人動作和環境的系統配置及相應的通用機器人語言還有待進一步研究。這一系列研究開發工作需要實現傳感器反饋控制，具有通用硬件和軟件的機器人控制系統。而現在商品化的機器人主要是以位置控制為基礎的控制或示教方式。