机器人的柔性腕力传感器：检测末端执行器所受外力/力矩的大小和方向

装配机器人在作业过程中需要与周围环境接触，在接触的过程中往往存在力和速度的不连续问题。腕力传感器安装在机器人手臂和末端执行器之间，更接近力的作用点，受其他附加因素的影响较小，可以准确地检测末端执行器所受外力/力矩的大小和方向，为机器人提供力感信息，有效地扩展了机器人的作业能力。

在装配机器人中除使用应变片6维筒式腕力传感器和十字梁腕力传感器外，还大量使用 柔顺腕力传感器。柔性手腕能在机器人的末端操作器与环境接触时产生变形，并且能够吸收 机器人的定位误差。机器人柔性腕力传感器将柔性手腕与腕力传感器有机地结合在一起，不 但可以为机器人提供力/力矩信息，而且本身又是柔顺机构，可以产生被动柔顺，吸收机器' 人产生的定位误差，保护机器人、末端操作器和作业对象，提高机器人的作业能力。

柔性腕力传感器一般由固定体、移动体和连接二者的弹性体组成。固定体和机器人的手 腕连接，移动体和末端执行器相连接，弹性体采用矩形截面的弹簧，其柔顺功能就是由能产 生弹性变形的弹簧完成。柔性腕力传感器利用测量弹性体在力/力矩的作用下产生的变形量 来计算力/力矩。

柔性腕力传感器的工作原理如图6-24所示，柔性腕力传感器的内环相对于外环的位置 和姿态的测量采用非接触式测量。传感元件由6个均布在内环上的红外发光二极管 (LED) 和6个均布在外环上的线型位置敏感元件 (PSD) 构成。PSD 通过输出模拟电流信号来反映 照射在其敏感面上光点的位置，具有分辨率高、信号检测电路简单、响应速度快等优点。

为了保证LED 发出的红外光形成一个光平面，在每一个LED 的前方安装了一个狭缝， 狭缝按照垂直和水平方式间隔放置，与之对应的线型 PSD 则按照与狭缝相垂直的方式放置。 6 个LED 所发出的红外光通过其前端的狭缝形成6个光平面O;(i=1,2,…,6), 与 6 个 相 应的线型 PSD L;(i=1,2,…,6) 形成6个交点。当内环相对于外环移动时，6个交点在 PSD 上的位置发生变化，引起PSD 的输出变化。根据PSD 输出信号的变化，可以求得内环 相对于外环的位置和姿态。内环的运动将引起连接弹簧的相应变形，考虑到弹簧的作用力与 形变的线性关系，可以通过内环相对于外环的位置和姿态关系解算出内环上所受到的力和力 矩的大小，从而完成柔性腕力传感器的位姿和力/力矩的同时测量。