力觉传感器在机器人中的应用:六轴力觉传感器安装在机器人手腕上,筒式腕力传感器安装于机器人腕部

力觉传感器 根据力的检测方式的不同，分为以下几类：

(1)应变片式：检测应变或应力。

(2)压电元件式：利用压电效应。

(3)变压器位移计式、电容位移计式：用位移计测量负载产生的位移 差动。

三类中，应变片式力传感器Z普遍，商品化的力传感器大多是这一种。压 电元件很早就用在刀具的受力测量中，但它不能测量静态负载，不适用于机器 人。作为第三类的例子，有学者已经发表了在相对变形大的弹性结构上安装 差动变压器或电容位移计，构成六轴力觉传感器的研究报告。

此外还有一些特殊检测方法，如利用弦振动频率随张力变化的特性，通过 光导纤维或感光半导体器件进行检测，但这些方法尚未达到实用水平，还有许 多课题有待解决。

根据被测对象的负载性质，对市场上流行的力传感器进行分类，有以下 几种：

(1)测力传感器(单轴力传感器);

(2)测力矩传感器(单轴力矩传感器);

(3)手指传感器(检测机器人手指作用力的超小型单轴力传感器);

(4)六轴力觉传感器。

其中，测力传感器、测力矩传感器、手指传感器只能测量单轴力，而且需要 在没有其他负载分量作用的条件下。因此，这三者中只有手指传感器适用于 机器人。但有人通过巧妙地安装轴承，只在机器人驱动电机力矩起作用的部 位安装力矩传感器，测量力矩，对机器人进行控制。可是这样小的小型力矩传 感器还没有商品化。机器人的力控制，主要控制作用于机器人手爪的任意方 向的负载分量，因此需要六轴力觉传感器。在机器人研制中，常常在结构部件 的某一部位贴上应变片，校准其输出和负载的关系后，把它当作多轴力传感器 使用。但是往往忽视了其他负载分量对欲测的负载分量的影响，或者没有充 分考虑排除其影响的方法。力控制本来就比位置或速度控制难，由于上述测 量上的原因，实现力控制就更困难了。为了使负载测量结果准确可信，Z好还 是使用厂家生产的六轴力觉传感器。

力觉传感器在机器人中的应用

1)六轴力觉传感器 六轴力觉传感器一般安装在机器人手腕上，测量作 用在机器人手爪上的负载，因此也称之为腕力传感器。作用在一点的负载，包 含力的3个分量和力矩的3个分量，六轴力觉传感器能够同时测出这6个 分量。

2)筒式腕力传感器 图3- 15所示是Stanford Research Institute提出的二层重叠并联结构型六轴 力觉传感器，它由上下两层圆筒组合而成。上层由 4根竖直梁组成，而下层由4根水平梁组成。在8 根梁的相应位置上粘贴应变片作为提取力信号敏 感点，每个敏感点的位置是根据直角坐标系要求及 各梁应变特性所确定的。传感器两端可以通过法兰连接，安装于机器人腕部。当机械手受力时，弹 性体的8根梁将会产生不同性质的变形，每个敏感 点将产生应变，通过应变片将应变转换为电信号。 若每个敏感点(均粘贴R₁,R₂ 应变片)被认为是一 个力的信息单元，并按坐标定为Px,P,Py,Py, Q,Q,Q,Q, 这样，可由下列式(3-22)计算 出在x,y,z 三个轴上力与力矩的分量。

这种结构形式的特点是传感器在工作时，各个梁均以弯曲应变为主而设 计，所以具有一定程度的规格化，合理的结构设计可使各梁灵敏度均匀并得到 有效的提高，缺点是结构比较复杂。

3)十字形腕力传感器 图3-16所示为美国Z早提出的十字形弹性体构成的腕力传感器结构原理示意图。形成十字形的4个臂作为工作梁，在每个梁的4个表面上选取测量敏感点，通过粘贴应变片获取电信号。4个工作梁的一 端与外壳连接。 在外力作用下，设每个敏感点所产生的力的单元信息按直角坐标定为 W₁,W₂, … ,W₈, 那么,根据式(3-23)可解算出该传感器围绕3个坐标轴的6 个分量值。式中，K 值一般是通过实验给出。