鐘曉玲，張曉霞

(成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都610059)

0 引 言

目前，多維力/力矩傳感器在機(jī)器人、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，特別是在機(jī)器人領(lǐng)域。隨著機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)入智能機(jī)器人階段，智能機(jī)器人的“觸覺”、“力覺”和“聽覺”主要通過其配備的傳感器得以實(shí)現(xiàn)。其中，多維力/力矩傳感器作為測量機(jī)器人末端操作器和外部環(huán)境相互接觸或抓取工件時所承受力和力矩的傳感器，它為機(jī)器人的力控制和運(yùn)動控制提供了力感信息，從而對完成一些復(fù)雜、精細(xì)的作業(yè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化起著重要作用。

1 常見傳感器類型

多維力/力矩傳感器結(jié)構(gòu)如圖1。根據(jù)敏感元件的種類，多維力/力矩傳感器可分為電阻應(yīng)變式、壓電式、電容式、光學(xué)式等幾類。

1.1 電阻應(yīng)變式

圖1 常見無耦合型傳感器結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structure type of common types of non-coupled sensor

電阻應(yīng)變式多維力/力矩傳感器一般選用金屬絲或應(yīng)變片作為敏元件。在外力的作用下，通過改變金屬絲的形狀實(shí)現(xiàn)其阻值的變化，從而將力/力矩轉(zhuǎn)換為電量輸出。該類傳感器是目前國內(nèi)外應(yīng)用最多、技術(shù)最成熟的一種多維力/力矩傳感器。按其輸出類型又可分為耦合型(間接輸出型)和無耦合型(直接輸出型)兩大類。

1.1.1 耦合型

耦合型傳感器的應(yīng)變橋的輸出信號幾乎和每個力/力矩分量有關(guān)，為此，必須對各路輸出信號進(jìn)行解耦才能得到所需測量的力信號。該類傳感器的典型結(jié)構(gòu)有豎梁、橫梁、Stewart 平臺式等類型。

由美國Draper實(shí)驗(yàn)室研制的三豎梁六維力傳感器—Waston 腕力傳感器［1］，是豎梁結(jié)構(gòu)的典型代表，如圖2(a)所示。該傳感器橫向效應(yīng)好、結(jié)構(gòu)簡單、承載能力強(qiáng)，但豎向效應(yīng)差、維間干擾大、靈敏度較低。因此，學(xué)者們對此結(jié)構(gòu)的傳感器進(jìn)行改進(jìn)，研制了一種四垂直筋結(jié)構(gòu)的六維力傳感器［2］。該傳感器不僅具有上述優(yōu)點(diǎn)，而且維間耦合很小，但垂直方向的靈敏度仍較低。由于豎梁結(jié)構(gòu)型的豎向缺陷，使得在以后傳感器設(shè)計中較少采用豎梁結(jié)構(gòu)。

十字橫梁結(jié)構(gòu)是目前耦合型傳感器中應(yīng)用最多的橫梁結(jié)構(gòu)類型，該結(jié)構(gòu)最初由美國斯坦福大學(xué)人工智能研究所設(shè)計［3］，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。作用在傳感器上的力由水平橫梁的彎曲應(yīng)變反映。該類傳感器具有靈敏度高、無徑向效應(yīng)、易于標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)，但其豎直方向抗過載能力較差，動態(tài)特性難以提高。后來許多學(xué)者對此采用有限元法改善彈性體結(jié)構(gòu)和改進(jìn)電阻應(yīng)變片的分布位置［4］。如干方建［5］建立十字橫梁多維力傳感器的三維有限元分析模型，并進(jìn)行了應(yīng)力、應(yīng)變分析，同時對應(yīng)變片的貼片位置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，使得傳感器的測量精度得到了提高。此外，基于十字橫梁結(jié)構(gòu)研制一種新結(jié)構(gòu)的多維力/力矩傳感器也是一種新的設(shè)計方法，如Kim G S 等人［6］設(shè)計的六維力/力矩傳感器，可有效降低維間干擾誤差。中國科學(xué)院智能機(jī)器人研究所［7］采用十字梁結(jié)構(gòu)的彈性體也研制了一種新型六維腕力傳感器;同期，西北工業(yè)大學(xué)設(shè)計了一種用于四足仿生機(jī)器人腳部的六維力傳感器［8］，該傳感器具有測量靈敏度高、維間干擾小、彈性體固有頻率高等特點(diǎn)。另外，上海交通大學(xué)改進(jìn)常規(guī)十字橫梁傳感器，設(shè)計了一種滑移結(jié)構(gòu)平行梁式的六維力傳感器［9］，其具有維間耦合小、靈敏度高、量程小等特點(diǎn)，該傳感器適用于外科手術(shù)機(jī)器人手部的力覺信息采集。

如前所述，國內(nèi)外學(xué)者針對十字橫梁結(jié)構(gòu)已研究了多種多維力/力矩傳感器，但這些結(jié)構(gòu)常存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、剛度低、靈敏度低、解耦難等問題。而并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有對稱性好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，因而自Gaillet A 等人［10］首次提出基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)Stewart 平臺的傳感器(如圖2(c)所示)以來，該類傳感器在國際上受到了許多學(xué)者的關(guān)注。如Dwarakanath T A 等人［11］采用Stewart 平臺研制了六維力/力矩傳感器，其中彈性體采用復(fù)合式結(jié)構(gòu)，該類傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力強(qiáng)、誤差不累積等優(yōu)點(diǎn)。鑒于已研發(fā)的Stewart 傳感器的上述優(yōu)點(diǎn)，后來許多學(xué)者主要從結(jié)構(gòu)參數(shù)與負(fù)荷分配間的關(guān)系、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及預(yù)緊力等方面研究了Stewart 傳感器。如Jia Z Y 等人［12］采用有限元分析方法闡明負(fù)載的分配效力隨平臺半徑的最低有效位增加而增大，且所提出的測量方法可將線性誤差和重復(fù)性誤差控制在1%以內(nèi)。Yao J T 等人［13］對改進(jìn)的基于Stewart 平臺的六維力傳感器進(jìn)行分析，通過分析關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的解析關(guān)系獲得空間各向同性結(jié)構(gòu)。此外，Wang Z J 等人［14］對六維力傳感器進(jìn)行超靜定受力分析，并采用線性變換確定預(yù)緊力。

圖2 常見耦合型傳感器結(jié)構(gòu)類型Fig 2 Structure types of common types of coupled sensor

1.1.2 無耦合型

無耦合型傳感器的彈性體無耦合作用，被測量力由傳感器的輸出和結(jié)構(gòu)常數(shù)直接獲取。這類傳感器的最早代表是美國SIR 公司于1973 年設(shè)計的積木式結(jié)構(gòu)［15］，如圖3(a)所示。該結(jié)構(gòu)由多塊不同彈性體組成，不同彈性體檢測不同方向的受力。但積木式彈性體的加工精度和裝配精度對傳感器測量結(jié)果的影響很大，這使得它的實(shí)用性幾乎為零。而無耦合型傳感器因具有成本低，標(biāo)定、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，后來國內(nèi)外許多學(xué)者從改進(jìn)結(jié)構(gòu)方面對該類傳感器的交叉耦合缺陷展開研究，其研究包括十字橫梁的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化［16］、八豎梁結(jié)構(gòu)的貼片和組橋方式優(yōu)化［17］(如圖3(b)所示)、解析法優(yōu)化傳感器幾何結(jié)構(gòu)［18］等。但第一類優(yōu)化方法不能保證其整體誤差達(dá)到最小，而最后一類方法不具有普適性［19］。另外，鑒于無耦合型傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)用性差等缺點(diǎn)，目前，無耦合型傳感器并未得到廣泛應(yīng)用。

圖3 常見無耦合型傳感器結(jié)構(gòu)類型Fig 3 Structure type of common types of non-coupled sensor

1.2 壓電式

壓電式傳感器是一種電量型傳感器，它是智能結(jié)構(gòu)和機(jī)器人技術(shù)發(fā)展中最具發(fā)展前途的傳感器之一。目前，許多研究者開展了選用壓電元件作為敏感元件直接感知被測力的非彈性體式多維力/力矩傳感器的研究，有效突破了彈性體式多維力/力矩傳感器存在的復(fù)雜彈性體結(jié)構(gòu)、高固有頻率與高靈敏度等瓶頸［20］。

目前，研究者對壓電式多維力/力矩傳感器的研究主要表現(xiàn)在以下幾個方面:劉?。?1，22］先后采用將石英晶片嵌入Stewart 平臺6 條腿中的研究思路，提出了基于Stewart 結(jié)構(gòu)的壓電式六維大力傳感器。該傳感器實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)械手手臂半徑增加，對大力的分載能力增強(qiáng)的效果，但當(dāng)手臂半徑增大到一定程度時，分載效果不明顯，大力測量也變得難以實(shí)現(xiàn)。另外，F(xiàn)abrice F D 等人［23］研制了基于壓電(piezoelectric，PZT)結(jié)構(gòu)鐵電陶瓷微小力傳感器，但該傳感器的壓電材料不適于大變形，并且僅能測量一個方向的微小力。針對這一問題，Li Y J 等人［24］基于KISTLER 公司的研究思路研究了大量程六維力傳感器。但因該研究方案具有針對性，目前未能得到具有普適性的解析數(shù)學(xué)模型，且很難實(shí)現(xiàn)傳感器的微型化。為此，劉俊等人［25］提出了八點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)的壓電式六維力傳感器方案，實(shí)現(xiàn)了傳感器的微型化，提升了其靜動態(tài)性能，但由于電極板的影響，其性能受環(huán)境濕度的影響很大，穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。除了上述八點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)的傳感器，Li Y J 等人［26］還提出了四點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)的壓電式六維力傳感器方案，并從菱形和方形方面考慮壓電元件的排列順序，該方案有效降低了干擾誤差，且具有良好的頻率響應(yīng)特性。

雖然壓電元件是最具有發(fā)展前途的敏感元件，但因壓電晶片具有堆疊困難、不能長時間作用靜態(tài)力等缺陷，到目前為止，壓電式多維力/力矩傳感器的應(yīng)用還相對較少。

1.3 電容式與光學(xué)式

電容式多維力/力矩傳感器通過檢測電容的變化反映檢測壓力的變化，這類傳感器具有較高的靈敏度和分辨率、壓力量程大、結(jié)構(gòu)比較簡單、溫度穩(wěn)定性好。因此，部分學(xué)者對不同維數(shù)的電容式力/力矩傳感器進(jìn)行了研究。Brookhuis R A 等人［27］采用硅材料微加工制成電容式三維力傳感器，可實(shí)現(xiàn)指尖相互作用力大小的測量，但系統(tǒng)分辨率需進(jìn)一步改善。另外，在電容式六維力傳感器的研究中，Givanazzo G 設(shè)計的電容式六維力傳感器［28］最具代表性(如圖4(a)所示)，該傳感器的彈性體上裝有多組電極片，當(dāng)力作用于彈性體時，電極片隨彈性體移動，使得各維的電容發(fā)生與所受力呈正比的變化。后來，被成功開發(fā)的還有基于微機(jī)電系統(tǒng)(micro－electro－mechanical system，MEMS)的六維力扭矩傳感器［29］，它包含7 只電容器，因此，系統(tǒng)的靈敏度比較高。另外，這類六維力傳感器的標(biāo)定矩陣由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計算得到，實(shí)驗(yàn)表明，該類傳感器的分辨率得到了很大改善。此后，對六維電容式傳感器，還研制了一種六自由度電容式力扭矩傳感器［30］，該傳感器有更寬的測力范圍，靈敏度也較高。但上述所提及的各維電容式力/力矩傳感器，由于其無法擺脫抗干擾差和存在寄生電容等問題，因此，該類傳感器在實(shí)際應(yīng)用中相對較少。

伴隨電容式多維力/力矩傳感器產(chǎn)生的還有光學(xué)式多維力/力矩傳感器，該類傳感器較早的代表為日本東京大學(xué)機(jī)械系研制的光學(xué)六維力傳感器［31］(如圖4(b)所示)。這種傳感器采用六橫梁結(jié)構(gòu)，其中，三個梁裝有四分性光學(xué)傳感器，并在梁的中心位置有三個光源分別射向三個光學(xué)傳感器，通過光學(xué)傳感器測量微小變形，從而測出六維力的各個分量，該傳感器在磁振成像的力測量中已取得了很好的效果。隨后，學(xué)者們又研發(fā)了一種新的且被廣泛應(yīng)用的基于光纖布拉格光柵的傳感器［32］，該傳感器具有較高的靈敏度和空間分辨率、無滯后、且數(shù)據(jù)處理速度快、有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力。另外，學(xué)者們還研制出了利用LED 和四個光電晶體管測量彈性體形變的傳感器［33］。在上述所研發(fā)的各類光學(xué)式傳感器中，普遍存在著價格昂貴，體積大，難以集成到復(fù)雜機(jī)器人結(jié)構(gòu)中等問題。針對這些問題，文獻(xiàn)［34］提出了基于有限元建模優(yōu)化光學(xué)式多維力/力矩傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)的方法，該方法可有效避免上述問題的出現(xiàn)，對接觸體的幾何重建也十分精確。

圖4 電容式和光學(xué)式傳感器Fig 4 Capacitive and photoelectric sensors

2 結(jié) 論

本文介紹了幾種主要類型的多維力/力矩傳感器及其發(fā)展現(xiàn)狀。由此可知，目前耦合型電阻應(yīng)變式多維力/力矩傳感器是應(yīng)用最廣泛且技術(shù)最為成熟的一類傳感器，但由于電阻應(yīng)變式多維力/力矩傳感器在承載能力和機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的原因，壓電式多維力/力矩傳感器已成為最具發(fā)展?jié)摿Φ囊活悅鞲衅?。但無論是電阻應(yīng)變式，還是壓電式多維力/力矩傳感器，其維間耦合、大量程以及動態(tài)測量等將仍是許多學(xué)者繼續(xù)探索的重點(diǎn)。

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