機器人的力覺傳感器：金屬電阻型,半導體型,轉矩

力覺傳感器用于測量兩物體之間作用力的三個分量和力矩的三個分量。機器人腕力傳感器發(fā)送其依次從部分的偏移(由作用力和力矩產生的),以測量機器人Z后一個連桿與其 端部執(zhí)行裝置之間的作用力及力矩分量。

現(xiàn)有的力覺傳感器采用不同的變送(換能)器，如壓電元件或應變儀等。用于機器人的 理想變送器是黏結在依從部件上的半導體應力計。

1. 金屬電阻型力覺傳感器

如果將已知應變系數(shù)為 C 值的金屬導線(電阻絲)固定在物體表面上，那么當物體發(fā)生 形變時，該電阻絲也會相應產生伸縮現(xiàn)象。因此，測定電阻絲的阻值變化，就可知道物體的形變量，進而求出外作用力。

將電阻體做成薄膜型，并貼在絕緣膜上使用。這樣，可使測量部件小型化，并能大批 生產質量相同的產品。這種產品所受的接觸力比電阻絲大，因而能測定較大的力或力矩。 此外，測量電流所產生的熱量比電阻絲方式更易于散發(fā)，因此允許較大的測試電流通過。

2. 半導體型力覺傳感器

在半導體晶體上施加壓力，那么晶體的對稱性將發(fā)生變化，即導電機理發(fā)生變化，從而使電阻值也發(fā)生變化。這種作用稱為壓電效應。半導體的應變系數(shù)可達100～200,如果 適當選擇半導體材料，則可獲得正的或負的應變系數(shù)值。此外，還研制出壓阻膜片的應變 儀，它不必貼在測定點上即可進行力的測量。

也可以采用在玻璃、石英和云母片上蒸發(fā)半導體的辦法制作壓敏電子元件。其電阻溫 度系數(shù)比金屬電阻型的要大但其結構比較簡單，尺寸小，靈敏度高，因而可靠性很高。

3. 其他力覺傳感器

除了金屬電阻型和半導體型力覺傳感器外，還有磁性、壓電式和利用弦振動原理制作 的力覺傳感器等。

當鐵和鎳等強磁體被磁化時，其長度將變化，或產生扭曲現(xiàn)象；反之，強磁體發(fā)生應 變時，其磁性也將改變。這兩種現(xiàn)象都稱為磁致伸縮效應。利用后一種現(xiàn)象，可以測量力 和力矩。應用這種原理制成的應變計有縱向磁致伸縮管等。它可用于測量力，是一種磁性 力覺傳感器。 如果將弦的一端固定，而在另一端加上張力，那么在此張力作用下，弦的振動頻率發(fā) 生變化。利用這個變化就能夠測量力的大小，利用這種弦振動原理也可制成力覺傳感器。

4. 轉矩傳感器

在傳動裝置驅動軸轉速 n 、功 率 P 及轉矩 T 之間，存在有ToP/n 的關系。如果轉軸 加上負載，那么就會產生扭力。測量這一扭力，就能測出轉矩。

軸的扭轉應力以Z大45°角的方式在軸表面呈螺旋狀分布。如果在其Z大方向(45°)安 裝上應變計，那么此應變計就會產生形變。測出該形變，即可求得轉矩。

圖6-10表示一個用光電傳感器測量轉矩的實例。將兩個分割成相同扇形隙縫的圓片 安裝在轉矩桿的兩端，軸的扭轉以兩個圓片間相位差表現(xiàn)出來。測量經隙縫進入光電元件的光通量，即可求出扭轉角的大小。采用兩個光電元件，有利于提高輸出電流，以便直接 驅動轉矩顯示儀表。

5. 腕力傳感器

作為例子，國際斯坦福研究所(SRI) 設計的手腕力覺傳感器如圖6- 11所示。它由六個 小型差動變壓器組成，能測量作用于腕部x 、y 和 z 三個方向的力及各軸的轉矩。

力覺傳感器裝在鋁制圓筒形主體上。圓筒外側由八根梁支撐，手指尖與腕部連接。當 指尖受到力時，梁受其影響而變彎曲。從黏附在梁兩側的八組應力計(R, 與 R₂ 為 一 組)測 得的信息，就能夠算出加在 x 、y 和 z 軸上的分力以及各軸的分轉矩。