段慶芳

中車建設(shè)工程有限公司 北京 100078

1 序言

傳感器是一個技術(shù)密集、跨學(xué)科、非常復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，是機(jī)器人智能化的重要部件之一。機(jī)器人的智能化是機(jī)器人領(lǐng)域長期研究的主要方向之一，也是廣大科研人員為之奮斗的一個重要目標(biāo)。傳感器種類繁多，按其用途來分，可分為位移傳感器、力傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、振動傳感器和溫度傳感器等。人體是一個復(fù)雜而精巧的系統(tǒng)，能很好地利用感知去感受所經(jīng)歷的一切，例如：視覺、力覺、聽覺等，而機(jī)器人只能通過安裝類似的傳感器去模仿人類擁有的這些感知，因此要使機(jī)器人可以感知到力，就必須在機(jī)器人需要感知力大小的地方安裝力覺傳感器。所謂力覺是指機(jī)器人作業(yè)過程中對來自外部力的感知，它與壓覺不同，壓覺力是垂直于力接觸表面的力、三維力和三維力矩的感知[1]。通過在機(jī)器人上安裝力覺傳感器，檢測感應(yīng)并將信號傳至控制系統(tǒng)，經(jīng)過一系列計算得知力的大小，再經(jīng)過一系列控制系統(tǒng)的計算，機(jī)器人將像人一樣能對力的大小有所了解，并且對后續(xù)調(diào)整的方向做出判斷，最終對自身動作舉措進(jìn)行變更調(diào)整。

目前，力的檢測方式大致可以分為4種：①基于電阻的直接檢測。②基于光纖的直接檢測。③基于位移的間接檢測。④基于執(zhí)行器輸入量的間接檢測。根據(jù)檢測方式的不同，力覺傳感器可分為：應(yīng)變片式力覺傳感器、利用壓電元件式及差動變壓器的力覺傳感器、電容位移計式力覺傳感器等。其中，利用應(yīng)變片測量應(yīng)變、應(yīng)力從而得到力的大小的力覺傳感器最普遍。

本文介紹的應(yīng)變片式力覺傳感器，主要包括單維應(yīng)變片式力覺傳感器、三維應(yīng)變片式力覺傳感器、六維應(yīng)變片式力覺傳感器，基本工作原理是應(yīng)變片變形后將導(dǎo)致電阻發(fā)生變化，通過測量電橋，將電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯螂娏鞯淖兓?，再通過信號放大和一系列的運(yùn)算，最終就可以檢測出力的變化。

2 單維應(yīng)變片式力覺傳感器

單維應(yīng)變片式力覺傳感器的核心是應(yīng)變片，主要利用應(yīng)變片測量被測物體上應(yīng)變、應(yīng)力的變化，從而推知力或力矩的大小。檢測方式基本是接觸式，所謂的接觸式就是大家熟知的將應(yīng)變片直接安裝在所需要檢測的地方，單向的應(yīng)變導(dǎo)致電阻變化，通過橋路可知電壓或電流變化，再通過放大電路，最后經(jīng)過運(yùn)算，得知力或力矩的大小變化。目前，若感知力覺并且通過計算做出相應(yīng)反應(yīng)，則僅使用單維力覺傳感器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，往往是與其他傳感器結(jié)合使用，例如彎曲度傳感器。

目前，單獨(dú)使用單維應(yīng)變片式力覺傳感器的簡單應(yīng)用較少，大部分是使用多個力覺傳感器或者與其他傳感器配合檢測，以達(dá)到多維檢測和控制、力和力矩同時檢測等目的，實(shí)現(xiàn)機(jī)器的智能化、柔性化功能。

3 三維應(yīng)變片式力覺傳感器

三維力覺傳感器是力覺傳感器發(fā)展的趨勢之一，可廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械加工、汽車、機(jī)器人及機(jī)械手等眾多領(lǐng)域。近年來，隨著半導(dǎo)體微加工技術(shù)的發(fā)展，三維力覺傳感器的研究在國內(nèi)外得到了迅速發(fā)展，基于不同工作原理的三維力覺傳感器被紛紛推出[2]。

其中，三維應(yīng)變片式力覺傳感器由彈性元件、電阻應(yīng)變計和惠斯通電橋電路組成。被測力作用在彈性元件上使其變形而產(chǎn)生應(yīng)變量，粘貼在彈性元件上的電阻應(yīng)變計將與物體重量成正比的應(yīng)變量轉(zhuǎn)化為電阻變化，變成電信號輸出顯示。三維力覺傳感器可以同時檢測三維空間的三個力信息（Fx、Fy、Fz），不但能檢測和控制機(jī)器人手抓取物體的握力，而且還可以檢測抓取物體的重量，以及在抓取操作過程中是否有滑動、振動等。

3.1 三維應(yīng)變片式力覺傳感器在昆蟲足力測試方面的應(yīng)用

隨著仿生機(jī)器學(xué)的不斷發(fā)展，工程技術(shù)人員可以通過研究生物運(yùn)動進(jìn)一步提供機(jī)器人等復(fù)雜系統(tǒng)的性能[3]。根據(jù)現(xiàn)有的對昆蟲足力測試結(jié)果，昆蟲的足與物體表面之間的接觸力是三維接觸力。因此，昆蟲足力測試也需要相應(yīng)的三維微力傳感器（見圖1）。昆蟲足力測試傳感器由金屬彈性體（硬鋁合金）、有機(jī)玻璃懸臂梁、測力片（有機(jī)玻璃）以及彈性體上的半導(dǎo)體應(yīng)變計組成，將金屬彈性體設(shè)計成倒“L”形，并在三處貼片位置貼有三組半導(dǎo)體應(yīng)變計，分別用于測量被測力的3個分量（Fx、Fy、Fz）。彈性體在貼片位置的截面設(shè)計成懸臂梁式，目的是保證很小的力也可以被檢測到。A貼片和B貼片只對Z向和Y向的力敏感，而在C貼片處，由于法向力分量Fz和水平力分量Fx都在該位置產(chǎn)生彎矩，因此在傳感器使用之前，需要通過標(biāo)定，獲得靈敏度矩陣C。根據(jù)測得的橋路輸出電壓向量U和標(biāo)定獲得的靈敏度矩陣C，可以通過求解方程求得被測力的3個分量（Fx、Fy、Fz）。例如，黃斑蝽在塑料板上爬行過程中，足掌踩在測力片上表面，使得傳感器獲得表面上的三維接觸力[4]。

圖1 三維微力傳感器結(jié)構(gòu)

3.2 三維應(yīng)變片式力覺傳感器在多目標(biāo)動態(tài)擊打儀系統(tǒng)中的應(yīng)用

應(yīng)用于多目標(biāo)動態(tài)擊打儀系統(tǒng)的三維應(yīng)變片式力覺傳感器，能準(zhǔn)確并實(shí)時反映出運(yùn)動員擊打目標(biāo)時力的大小和方向、擊打動作間的時間間隔、擊打部位是否準(zhǔn)確等，從而能夠定量地刻畫出運(yùn)動員動作完成質(zhì)量的狀況。

三維應(yīng)變片式力覺傳感器原理如圖2所示。結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)做到對所測維力有較好的靈敏度，而對于非所測維力盡可能不靈敏，最好在理論上不起作用。當(dāng)Fx作用時，此時R1、R2應(yīng)變片若受拉伸，則R3、R4應(yīng)變片受壓縮，可通過輸出電壓推導(dǎo)力與電壓的關(guān)系，從而得到此時電壓對應(yīng)測得的力，當(dāng)Fy、Fz作用時輸出電壓可忽略，故能夠很好地測出Fx方向的力值。

當(dāng)受到載荷力F（Fx、Fy、Fz）時，傳感器受力時形變主要發(fā)生在A、B、C貼片處及應(yīng)變梁處，應(yīng)變梁產(chǎn)生形變，貼在應(yīng)變梁上對稱布置的應(yīng)變片電阻發(fā)生變化，改變電橋平衡使電橋引出端電壓發(fā)生變化，根據(jù)輸出電壓的變化量測出矢量力。這種新型三維力傳感器可滿足應(yīng)用領(lǐng)域?qū)鞲衅魈匦缘奶厥庖蟆?/p>

圖2 三維應(yīng)變片式力覺傳感器原理

傳統(tǒng)電阻應(yīng)變片式力覺傳感器具有測量精度高、測量范圍寬、構(gòu)造簡易、穩(wěn)定及易于實(shí)現(xiàn)小型化等特點(diǎn)。智能機(jī)器人領(lǐng)域所需的傳感器種類逐漸增多，技術(shù)指標(biāo)逐漸加強(qiáng)，傳感器的小型化指標(biāo)也越來越高，并且其都是以彈性體為載體，電阻應(yīng)變片由敏感材料制作，測量力時三個方向力間的干擾難以解決，不易微型化。為了克服這些問題，使三維力覺傳感技術(shù)能用于智能機(jī)器人分布式觸覺傳感系統(tǒng)中，研究者變更思路，從其他材料與原理入手，將聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜應(yīng)用于三維力覺傳感器中，采用壓電效應(yīng)，使三維力覺傳感技術(shù)用于智能機(jī)器人分布式觸覺傳感器中成為可能。因?yàn)镻VDF薄膜是一種壓電高聚物材料，被認(rèn)為是機(jī)器人用傳感器的理想材料，具有耐磨、量輕、靈敏度高、聲學(xué)阻抗低、價格便宜、頻帶寬，以及容易固定在復(fù)雜的表面等特點(diǎn)，因此基于PVDF薄膜所設(shè)計的三維力覺傳感器易于微型化。

目前，國際上正在致力研究的機(jī)器人觸覺-人工觸覺皮膚，要求力覺傳感器從其物理特性上應(yīng)像人類皮膚，柔軟而多功能化，并可粘貼安裝在任何欲使用的載體表面，從而真正實(shí)現(xiàn)觸覺的擬人化[5]。

4 六維應(yīng)變片式力覺傳感器

早在20世紀(jì)70年代，美國、日本就已經(jīng)開展六維力覺傳感器的研究并可以批量生產(chǎn)，而國內(nèi)在80年代才開始研究，并在90年代末生產(chǎn)出達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平的應(yīng)變片式六維力覺傳感器[6]。而且，隨著橋路連接的不斷優(yōu)化，傳感器的精度不斷提高。

目前，我國許多設(shè)備中的應(yīng)變片式傳感器都是自主研發(fā)的，根據(jù)設(shè)備的不同工作環(huán)境使用不同力覺傳感器，而市面上流通的應(yīng)變片式力覺傳感器大部分為筒式、柱式、環(huán)式、懸臂梁式、十字梁式及倒T形等[7]，它們都是用應(yīng)變片測量傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，從而表征外部的受力情況。

其中一種梁式傳感器的創(chuàng)新之處就是將原來的十字梁轉(zhuǎn)化為一種非徑向式的三梁結(jié)構(gòu)（見圖3）。在受到外部力的作用時，它的非徑向梁就會產(chǎn)生彈性形變，而應(yīng)變片就貼在三根梁上，從而可以測量它的變化量。這樣非徑向式的三梁結(jié)構(gòu)可以克服原來十字梁式傳感器的徑向效應(yīng)。當(dāng)受力與徑向梁的方向相同時，該徑向梁只會產(chǎn)生軸向應(yīng)變，不會產(chǎn)生切向應(yīng)變，但如果僅產(chǎn)生軸向應(yīng)變，則該梁的相對兩側(cè)面形變相同，可以到檢測電橋兩嘴信號互相抵消，輸出為零，即產(chǎn)生徑向效應(yīng)[8]。

圖3 非徑向三梁結(jié)構(gòu)

4.1 六維應(yīng)變片式力覺傳感器在醫(yī)療方面的應(yīng)用

在醫(yī)療方面，六維力覺傳感器的作用是非常強(qiáng)大的?，F(xiàn)在新興的虛擬手術(shù)領(lǐng)域也有利用到力覺傳感器。由于在手術(shù)中，手術(shù)器械和人體組織的受力是在不斷變化的，并且變化往往不會僅在某一個維度上，所以這屬于空間力，這種力無法用一維的力覺傳感器進(jìn)行測量，從而衍生出多維力傳感器作為測力元件，這也是為了使虛擬手術(shù)更加貼近最真實(shí)手術(shù)，從而擁有更好的教學(xué)能力。而在一種虛擬手術(shù)教學(xué)平臺上，就是使用了一種十字梁式六維力覺傳感器，其工作原理其實(shí)也是通過其自身內(nèi)梁、外梁和過載保護(hù)梁的彈性形變來測量被測物體力的大小[9]，從而進(jìn)一步顯示出手術(shù)刀的切割效果，并可以更加生動地表現(xiàn)出真實(shí)的手術(shù)場景[10]。除此之外，在微創(chuàng)手術(shù)方面，應(yīng)變片式力覺傳感器的應(yīng)用也非常廣泛。由于手術(shù)器械切割人體時的力是不確定的，所以刀刃上的受力很有可能是六維的。對于腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)，有人設(shè)計了一種微型六維力覺傳感器，這相當(dāng)于兩個普通的六維力覺傳感器疊在一起，一層彈性體測量X軸、Y軸的力和Z軸的力矩，另一層測量Z軸的力和X軸、Y軸的力矩。每一根梁有4個應(yīng)變片，這4個應(yīng)變片組成一個全橋連接，從而每個全橋連接可以測得單維的力和力矩，并且每個電路之間不會有關(guān)聯(lián)，這樣良好的獨(dú)立性會更加精確地測量這6個維度的變化?？偟膩碇v，此傳感器的靈感來源就是兩個三維傳感器可以制造一個六維傳感器，然后將彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計成可直接結(jié)構(gòu)解耦的滑移十字梁結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了測量力覺信息的無維間耦合，避免了復(fù)雜的計算解耦[11]。

4.2 六維應(yīng)變片式力覺傳感器在水下作業(yè)中的應(yīng)用

發(fā)明機(jī)器人的一個目的就是使其可以代替人類探索一些人類無法直接接觸或者無法到達(dá)的地方，或者人類自行探索會有危險的地方。在水下作業(yè)領(lǐng)域，其危險性推動了水下機(jī)器人的發(fā)展，而水下機(jī)器人的重要部件就是水下靈巧手。因?yàn)樗伦鳂I(yè)的力是無法確定的，所以可以利用六維力覺傳感器對其進(jìn)行完全的檢測。水下靈巧手第一個需要測量的就是手指力，因?yàn)樵谒鹿ぷ鲿r手指力會直接影響系統(tǒng)的整體性能和工作效果。目前，出現(xiàn)了一種圓盤式和十字梁式傳感器共同作用的力覺傳感器。這個新型傳感器的設(shè)計思路也是兩個三維傳感器合成出一個六維傳感器，上半部分為一個改進(jìn)后的十字梁式力覺傳感器，下半部分為一個圓盤結(jié)構(gòu)。它采用應(yīng)變片對稱分布，連接全橋，實(shí)現(xiàn)四臂差動，這樣既將溫度的影響進(jìn)行了補(bǔ)償，又實(shí)現(xiàn)了靈敏度和線性度的提高[12]。水下靈巧手除了需要對手指力進(jìn)行測量，還需要對腕力進(jìn)行測量。腕力測量主要是應(yīng)用圓筒式傳感器，它是將圓筒作為測量元件，用6組不同方向和角度組成的應(yīng)變片組來測量六維的變化，每組應(yīng)變片運(yùn)用半橋連接檢測。除此之外，此傳感器還運(yùn)用了沖油的方式，解決了傳感器內(nèi)外的壓力平衡，對傳感器進(jìn)行了保護(hù)，為此靈巧手更能適應(yīng)水下作業(yè)環(huán)境[13]。

總的來說，無論是哪一種應(yīng)變片式六維力覺傳感器，它最主要的就是應(yīng)變片的布置問題，貼片的絕對位置和絕對角度的偏差會對傳感器的輸出造成極大影響。貼片的相對位置、相對角度偏差和貼片高度問題對傳感器的輸出影響較小，并且應(yīng)變片在不同載荷下的檢測結(jié)果依舊可靠，對傳感器抗偏心和傾斜載荷能力具有一定的提高作用[14]。因此，由于應(yīng)變片的性質(zhì)，可以在一定程度上提高傳感器的性能，所以應(yīng)變片式力覺傳感器是現(xiàn)在力覺傳感器的市場主流。

5 結(jié)束語

為了推動制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，我國提出重點(diǎn)發(fā)展新一代信息技術(shù)、高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術(shù)船舶、先進(jìn)軌道交通裝備、節(jié)能和新能源汽車、電力裝備、新材料、生物醫(yī)藥及高性能醫(yī)療器械、農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備等十大領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中，可以將應(yīng)變片式力覺傳感器在大型設(shè)備和精密儀器上加以應(yīng)用，及時地獲取信息，將其反饋到相對應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)，為之后相應(yīng)的人為干預(yù)提供數(shù)據(jù)支持。