[科普中国]-力觉传感器

力觉传感器是用来检测机器人的手臂和手腕所产生的力或其所受反力的传感器。手臂都分和手腕部分的力觉传感器，可用于控制机器人手所产生的力，在费力的工作中以及限制性作业、协调作业等方面是有效的，特别是在镶嵌类的装配工作中，它是一种特别重要的传感器。

力觉传感器的元件大多使用半导体应变片。将这种传感器件安装于弹性结构的被检测处，就可以直接地或通过计算机检测具有多维的力和力矩。1

简介力觉传感器（force sensor）力觉传感器经常装于机器人关节处，通过检测弹性体变形来间接测量所受力。装于机器人关节处的力觉传感器常以固定的三坐标形式出现，有利于满足控制系统的要求。目前出现的六维力觉传感器可实现全力信息的测量，因其主要安装于腕关节处被称为腕力觉传感器。腕力觉传感器大部分采用应变电测原理，按其弹性体结构形式可分为两种，筒式和十字形腕力觉传感器。其中筒式具有结构简单、弹性梁利用率高、灵敏度高的特点；而十字形的传感器结构简单、坐标建立容易，但加工精度高。

力觉传感器的工作原理力觉传感器根据力的检测方式不同，可分为：应变片式（检测应变或应力）、利用压电元件式（压电效应）及差动变压器、电容位移计式（用位移计测量负载产生的位移）。其中，应变片式压力传感器最普遍，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。电阻应变片式压力传感器是利用金属拉伸时电阻变大的现象，将它粘贴在加力方向上，可根据输出电压检测出电阻的变换，如图所示。电阻应变片在左、右方向上加力，用导线接到外部电路。

在不加力时，电桥上的电阻都是R，当加左、右方向力时，电阻应变片是一个很小的电阻ΔR，则输出电压为

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

电阻变换为 ΔR ≈4RΔU/U2

力觉传感器分类所谓力觉是指机器人作业过程中对来自外部的力的感知，它和压觉不同，压觉力是垂直于力接触表面的力、三维力和三维力矩的感知。机器人力觉传感器是模仿人类四肢关节功能的机器人获得实际操作时的大部分力信息的装置，是机器人主动柔顺控制必不可少的，它直接影响着机器人的力控制性能。分辨率、灵敏度和线性度高，可靠性好，抗干扰能力强是机器人力觉传感器的主要性能要求。就传感器安装部位丽言，力觉传感器可分为腕力传感器、关节力传感器、握力传感器、脚力传感器、手指力觉传感器等。

腕力传感器腕力传感器是一个两端分别与机器人腕部和手爪相联接的力觉传感器。当机械手夹住工件进行操作时，通过腕力传感器可以输出六维（三维力和三维力矩）分量反馈给机器人控制系统，以控制或调节机械手的运动，完成所要求的作业。腕力传感器分为问接输出型和直接输出型两种。间接输出型腕力传感器敏感体本身的结构比较简单，但需对传感器进行校准，要经过复杂的计算求出传递矩阵系数，使用时进行矩阵运算后才能提取出六维分量。直接型腕力传感器敏感体本身的结构比较复杂，但只需要经过简单的计算就能提取出6个分量，有的甚至可以直接得到6个分量。

腕力传感器的系统硬件通常由传感器和信息处理两部分组成。传感器部分由弹性体、测量电桥和前级放大器组成，主要完成敏感六维分量，并进行信号前级放大的任务。信号处理部分包括后级放大、滤波、信号采样保持、A/D转换以及进行系统控制、计算和通信的微机系统，整个系统框图如图所示。

腕力传感器系统软件一般包括数据采集和A/D转换控制软件、非线性校正和矩阵解耦运算软件、系统通信及输出软件等。

腕力传感器的优缺点：

①腕力传感器虽然结构较复杂，但原理比较类似，一般都是通过应变片来测量内部弹性体的变形，再解耦求得多维力信号。

②腕力传感器获得的力信息较多（如六维腕力传感器），分辨率、灵敏度和精度高，可靠性好和使用方便。

③腕力传感器对不同类型的机器人能实现通用化，所以得到广泛的应用。

④弹性元件一般为整体结构，加工极为困难。

⑤应变片粘贴过程复杂，应变片的输出信号较弱，需要高性能的放大器，市场上供应的放大器体积较大。

⑥从腕力传感器的工作原理可以看出，腕力传感器工作时产生的变形必将影响机器人操作臂的定位精度。

⑦由于传感器设计、制造上的原因，使得传感器的输出信号与实际六维向量的分力之间存在相互耦合作用，即传感器的相互干扰，这种干扰非常复杂，难以从理论上进行分析和解耦消除，通常需要采用实验方法进行标定。3

握力传感器光纤握力觉传感器单元如图所示，所用的光纤是50μm、125μm的多模光纤，波纹板是由两块相互啮合的V形槽板组成，为了保持平衡，在槽的另一端放置一根不通光的虚设光纤，板的厚度为3mm。当物体压力作用于握力觉传感器时，波纹板的上盖相对于下盖位移，使光纤产生变形，通过测量光信号的衰减可间接得知压力的大小。在设计、制作之后，对系统性能进行测试。测量结果范围大、灵敏度高、效果良好。力的分辨率为59，测量范围为0～2500g。系统作为一独立的部分，通过串行口与控制微机相连，接口简单方便。

脚力传感器二足步行机器人在人类生活的环境中应用较为方便，但不稳定，控制较复杂。为了解步行时的状态，需装各种传感器，其中脚力传感器是与外界接触的传感器，对步行控制来说是相当重要的。

圆筒式脚力传感器，其简图及装配图如图所示。脚力传感器圆筒的材料是聚氯乙烯树脂，圆筒外径为26mm，内径为20mm，长度为15mm。其上部两处与脚的上表面板固定，下部两处与脚的下表面板固定。圆筒左右侧壁的内外表面贴应变片4片，通过桥式放大输出反映垂直负荷。根据两端支承梁式脚力传感器的输出特性可知，脚前部传感器与后部传感器之间的相互影响显著。因此，为了削弱其相互影响，圆筒式脚力传感器的脚前部传感器与脚后部传感器的下表面板不相连。圆筒式脚力传感器的上表面板为铝板，下表面板为丙烯板。为了减少脚底与地面之间的滑动，在丙烯板表面上贴一层橡胶。两足步行机器人的总重量为18.5kg时，每只脚上装有4个传感器，两只脚共8个传感器。3

手指式力传感器手指式力传感器，一般通过应变片或压阻敏感元件测量多维力而产生输出信号，常用于小范围作业，如灵巧手抓鸡蛋等实验，精度高、可靠性好，渐渐成为力控制研究的一个重要方向，但多指协调复杂。

传感器弹性体结构如图所示，是组合式结构，分上、下两个部分：上部是中空正方形的四个侧面贴有应变片4和4ˊ、5和5ˊ。当薄壁筒有微应变时，应变片能够测量作用力矩Mx、My、Mz。传感器弹性体的下部是圆环形，圆环形上面有对称的三个矩形弹性梁，弹性梁的两面分别贴有应变片，共有6个应变片组成3组桥路，环上其他高出部分的厚度与梁高比较大，当弹性梁发生微应变时，三个高出来的部分不产生变形，相当于基座。当传感器受外力作用时，应变梁发生变形，可根据桥路输出值测量力和力矩。上部分与下部分通过三个桥梁相连，这中问部分可以看成是刚体，受力不产生变形。传感器的输出分量有耦合，通过对其进行标定建立解耦矩阵进行解耦。机器人手指五维力/力矩传感器，外壳是手指顶部并有连接接口，过载保护防止外力冲击而使传感器弹性体发生塑性变形。传感器外径为21mm，高度为17.5mm，最大力为10N，最大力矩为0.2N·m。传感器底座上可以安装插座，引线方便，安全可靠。为减少长线传输产生噪声，将传感器放大电路安装在传感器内部，形成集成度高的传感器。3

力觉传感器的选择在应用应变片的力觉传感器中，应变片的好坏与传感器的结构同样重要，甚至比结构更为重要。多轴力觉传感器的应变片检测部分应该具有以下特性：

（1）至少能获取6个以上独立的应变测量数据；

（2）由黏结剂或涂料引起的滞后现象或输出的非线性现象尽量小；

（3）不易受温度和湿度影响。

选用力传感器时，首先要特别注意额定值。人们往往只注意作用力的大小，而容易忽视作用力到传感器基准点的横向距离，即忽视作用力矩的大小。一般传感器力矩定值的裕量比力额定值的裕量小。因此，虽然控制对象是力，但是在关注力的额定值的同时，千万不要忘记检查力矩的额定值。

其次，在机器人通常的力控制中，力的精度意义不大，重要的是分辨率。为了实现平滑控制，力觉信号的分辨率非常重要。高分辨和高精度并非是统一的，在机器人负载测量中，一定要分清分辨率和测量精度究竟哪一个更重要。2

力觉传感器的应用现状力控制技术尚未实用化的主要原因：一是现有的机器人技术还尚未完全达到实现力控制的水平；二是力控制的理论体系尚未完善。此外，从理论上掌握机器人动作和环境的系统配置及相应的通用机器人语言还有待进一步研究。这一系列研究开发工作需要实现传感器反馈控制，具有通用硬件和软件的机器人控制系统。而现在商品化的机器人主要是以位置控制为基础的控制或示教方式。

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所