机械手六维传感器

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力传感器是指对机器人的手臂、手腕、手指和底座等部件在运动过程中所受力的感知。力传感器是一种能将各种力与力矩信息转换成电信号输出的装置。根据所测力的维数不同，又可分为单维和多维力传感器，根据被测对象的负载，可以把力传感器分为测力传感器（单轴力传感器）、力矩表（单轴力矩传感器）、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）和六轴力觉传感器。

力觉传感器根据力的检测方式不同，可以分为：（1）检测应变或应力的应变片式；（2）利用压电效应的压电元件式；（3）用位移计测量负载产生的位移的差动变压器、电容位移计式。对于工业机器人，由于应变片式传感器有价格低廉、适应性强等优点，得到广泛应用。  对于机器人，力（矩）觉用于感知夹持物体的状态，校正由于手臂变形引起的运动误差以及保护机器人及零件不会损坏。特别是对装配机器人更具有重要意义。主要包括关节力传感器、腕力传感器、机座传感器等。在选用力传感器时，首先要特别注意其使用范围。其次在常用的机器人力控制中，力的精度在许多情况下意义不大，而传感器的分辨率更为重要。另外，在机器人上实际安装使用力觉传感器时，一定要避免传感器在运动中与周围物体发生碰撞。这对使用者的人身安全、对保证机器人及外围设备不受损害有重要意义。
随着机器人位置控制技术和计算机技术的发展，人们已经不再满足于只让机器人从事象焊接、喷漆和搬运等不与环境接触的工作，而是希望用机器人来完成装配、边缘跟踪和去毛刺等与环境存在接触的任务。然而由于外部环境和机器人本身的复杂性，纯位置控制方式下的机器人在从事这类工作的时候将产生一些不希望的环境接触力，而且这种接触力往往又是很大的，以至于损坏工件或机器人本身，致使任务无法正常进行。为此，可以将多维机器人力传感器与机器人结合，组成力控制系统来完成预定作业任务。基于力/力矩传感器的力控制系统由多维力/力矩传感器、PC微型计算机、机器人等部分组成。常见的多维力传感器主要分为三维力传感器和六维力传感器两类。  1．三维力传感器  三维力传感器能同时检测三维空间的三个力/力矩信息，通过它控制系统不但能检测和控制机器人手抓取物体的握力，而且还可以检测抓物体的重量，以及在抓取操作过程中是否有滑动、振动等，如图4。三维指力传感器有侧装和顶装式两种，侧装式三维力指力传感器一般用于二指的机器人夹持器，顶装式三维指力传感器一般用于机器人多指灵巧手。
Kaneko将三维力传感器分成六种基本情形，如图所示。

提出可以用任何两种传感器组合成为一个六维力传感器。为了证明理论上的可行性，提出用一个特征矩阵来描述测量力与传感器的输出关系：认为当特征矩阵满秩时，利用两个三维力传感器构成一个六维力传感器是可行的，进而证明了二十一种任意组合中的十种组合能满足特征矩阵满秩的条件。  2．六维力传感器  六维力传感器是力传感器中一种新发展起来的传感器，能同时转换多维力/力矩信号为电信号，可用于监测方向和大小不断变化的力与力矩和测量加速度或惯性力[3]以及检测接触力的大小和作用点。该类力传感器不仅在机器人智能化领域有广泛的应用，而且在航空、航天及机械加工、汽车、军事、电子、计算机工业等领域也有重要的应用价值。  六维力/力矩传感器是智能机器人重要的传感器。传感器弹性体采用专利结构，灵敏度高、刚性好、维间耦合小、有机械过载保护功能，由传感器、综合解耦及数据处理三部分组成。六维力传感器能同时检测三维空间的全力信息，即三个力分量和三个力矩分量。  在六维力传感器研究中，力敏元件的结构设计是力传感器的关键核心问题，因为力敏元件的结构决定力传感器的性能优劣。对于这个问题，国际和国内有许多学者进行了大量的研究工作，提出了多种六维力传感器结构。如：三垂直筋结构的六维力传感器；筒形六维力传感器；双环形六维力传感器；四垂直筋结构的六维力传感器；盒式结构六维力传感器；十字结构六维力传感器；圆柱形六维力传感器；双头形六维力传感器；三梁结构的六维力传感器；八垂直筋结构的六维力传感器以及基于斯特沃特（STEWART）平台结构的六维力传感器等。80年代初，美国斯坦福研究所设计了用于风洞测试的筒形六维力传感器，其结构如图6所示。该传感器具有良好的线形、重复性和较好的滞后性，并且对温度有补偿性；但其
结构复杂不易加工，而且刚度较低。传感器上的力F和力矩M通过下式求得：
多维力传感器的精度不同于一维力传感器。多维力除了其作用力方向和该方向输出之间有输入/输出关系外，还存在维间耦合，也就是说，在没有受到力的方向上也有输出。因此，多维力传感器的误差包括Ⅰ类误差和Ⅱ类误差两种：  Ⅰ类误差：  在某一方向加力和该方向输出电压之间有一个确定的比例关系。根据输出电压与加力做成的输入、输出特性曲线可以得到其误差数据。其中：  理论输出电压=灵敏度×实际施加力的大小  Ⅰ类误差=（理论输出电压－实测输出电压）/全量程输出电压 Ⅱ类误差：  在某一方向加力引起在其它方向输出电压和该方向额定输出电压之比为Ⅱ类误差。如在X方向加力引起在Y方向的输出电压为ΔUy，则称ΔUy/Uyfs为X方向对Y方向的干扰误差。
热点与难点  1．六维力传感器无论采用何种具体结构，各测量敏感部位都存在一定的力耦合，并且无法实现完全解耦，这给六维力传感器的标定带来很大的困难，对测试精度有很大影响（尤其当传感器承受复合载荷时更是如此）。这是这类传感器的主要缺憾。
  2．用于机器人手腕和手指的既无力耦合，又具有结构简单、刚度高、灵敏度高和精度高等优点的六维力传感器的设计理论。  3
．用于微机械电气系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)的集成化微型仪器与传感器。  4．适于六维力传感器的信号处理系统。现有的这些系统大多在对传感器进行标定及进行矩阵求逆运算等方面存在不足。 
5．新型的微位移及微力传感器。为了使微操作机器人系统具有较强的智能，微位移传感器及微力传感器是必不可少的。由于微观世界里的种种条件约束，现有系统中各种微力、微位移、速度、加速度传感器均未能成功地得到应用。
  6．传感器融合。机器人系统中使用的传感器种类和数量越来越多，每种传感器都有一定的使用条件和感知范围，并且又能给出环境或对象的部分或整个侧面的信息，例如机器人的接触觉、滑觉、力觉和压觉等。为了有效地利用这些传感器信息，需要采用某种形式对传感器信息进行综合、融合处理，不同类型信息的多种形式的处理系统就是传感器融合随着机器人智能水平的提高，多传感器信息融合理论和技术将会逐步完善和系统化。