中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
柔性力傳感器已廣泛應(yīng)用于機(jī)器人的目標(biāo)探測、遠(yuǎn)程控制和人機(jī)交互等領(lǐng)域，研制精確測量法向力和切向力的三維力傳感器對提高機(jī)器人觸覺檢測能力具有重要意義。當(dāng)前大多數(shù)三軸力傳感器依靠多個元件之間的信號分析來實現(xiàn)力分量，這可能需要大量的引線，限制了力角傳感性能?；谝陨媳尘?，浙江大學(xué)觸覺感知與微制造實驗室金杰博士生提出了一種基于新型三維力重構(gòu)方法的集中式柔性力傳感器，可用于任意力分量的檢測，并具有較高的切向角檢測分辨率。相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Intelligent Systems期刊上，題為“A Novel Flexible Centralized Force Sensor Based on Tri-Axis Force Refactoring Method for Arbitrary Force Components Measurement”。該論文研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中央高?；A(chǔ)研究基金、浙江省重點研發(fā)計劃等項目的資助。
集中式柔性力傳感器的分層結(jié)構(gòu)主要如圖1所示。傳感器單元直徑10 mm，主要由4層結(jié)構(gòu)組成，即：頂部凸臺、頂部功能層、中間圓形支撐和底部功能層。頂部凸臺用于傳導(dǎo)外部力；頂部功能層中間為上電容極板，周圍為一個帶缺口的環(huán)形電阻，二者均由電極線引出；中間圓形支撐用于傳導(dǎo)外部力并產(chǎn)生相應(yīng)運動；底部功能層主要包含中間的一個凸臺電極。其中，底部功能層的凸臺電極首先與頂部功能層中間的電容極板構(gòu)成平行板電容，也可以與頂部功能層外圍的環(huán)形電阻構(gòu)成一個初始斷開的電阻電路。
圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
集中式柔性力傳感器的主要工作原理如圖2所示。任意三維力都可以分解為一個法向力和一個切向力，其中切向力又可以用大小和方向角兩個量來表示。當(dāng)傳感器受到法向力作用時，平行板電容極板間距減小，測得的電容值增大。當(dāng)傳感器受到切向力作用時，環(huán)形電阻與凸臺電極相接觸而構(gòu)成電阻電路，由于環(huán)形電阻的阻值隨長度增加而增大，測得的初始電阻值隨切向角的變化而變化。隨著切向力的進(jìn)一步增大，二者接觸線長度增大，接入電路的有效線性阻值減小、接觸電阻減小，其減小量與切向力大小密切相關(guān)。因此，傳感器可以通過電容值表征法向力，并通過電阻值及其變化量同時表征切向力大小及方向，實現(xiàn)三維力檢測。
圖2 傳感器三維力檢測原理示意圖
集中式柔性力傳感器對法向力和切向力的標(biāo)定測試結(jié)果分別如圖3和圖4所示。傳感器法向力靈敏度約0.057 N?1，檢測范圍可達(dá)12 N，且具有較好的幅值頻率穩(wěn)定性、可重復(fù)性和較快的動態(tài)響應(yīng)性能。傳感器切向力大小檢測靈敏度可分解為兩段，檢測范圍為0.5-0.67N，具有較好的幅值穩(wěn)定性。當(dāng)受法向力作用時，切向力檢測范圍會產(chǎn)生一定的偏移，需要結(jié)合具體標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。傳感器切向角阻值呈現(xiàn)線性變化，檢測靈敏度約4.81Ω/°，最小偏差對應(yīng)的切向角分辨率約7.8°，具有一定的先進(jìn)性。
圖3 傳感器法向力標(biāo)定測試結(jié)果
圖4 傳感器切向力標(biāo)定測試結(jié)果
將集中式柔性力傳感器裝載于機(jī)械爪末端開展物體抓取應(yīng)用實驗，其結(jié)果如圖5所示。當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂角度時，物塊重力對傳感器產(chǎn)生一個方向變化的切向力，傳感器信號可以較好地反映出當(dāng)前的切向力方向，法向力信號也始終較好地表征了當(dāng)前機(jī)械爪的抓取力大小。
圖5 傳感器機(jī)械爪裝載應(yīng)用
總的來說，本工作提出一種新的三維力重構(gòu)方法，并通過一種集中式的結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)三維力的準(zhǔn)確檢測，簡化了三維力傳感器的結(jié)構(gòu)和檢測電路，在機(jī)器人手操作中具有一定的應(yīng)用前景。但也不能否認(rèn)，傳感器在切向力檢測，尤其是切向力范圍性能檢測上具有一定的提升空間，關(guān)于該傳感器的性能優(yōu)化設(shè)計在未來有待進(jìn)一步研究。
