應(yīng)變片式力覺(jué)傳感器的技術(shù)進(jìn)展

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(gè)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(zhǎng)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(gè)重要目標(biāo)。傳感器種類繁多，按其用途來(lái)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(dòng)傳感器和溫度傳感器等。人體是一個(gè)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(jué)、力覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等，而機(jī)器人只能通過(guò)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(jué)傳感器。所謂力覺(jué)是指機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中對(duì)來(lái)自外部力的感知，它與壓覺(jué)不同，壓覺(jué)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(guò)在機(jī)器人上安裝力覺(jué)傳感器，檢測(cè)感應(yīng)并將信號(hào)傳至控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算得知力的大小，再經(jīng)過(guò)一系列控制系統(tǒng)的計(jì)算，機(jī)器人將像人一樣能對(duì)力的大小有所了解，并且對(duì)后續(xù)調(diào)整的方向做出判斷，最終對(duì)自身動(dòng)作舉措進(jìn)行變更調(diào)整。

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

本文介紹的應(yīng)變片式力覺(jué)傳感器，主要包括單維應(yīng)變片式力覺(jué)傳感器、三維應(yīng)變片式力覺(jué)傳感器、六維應(yīng)變片式力覺(jué)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(guò)測(cè)量電橋，將電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯螂娏鞯淖兓?，再通過(guò)信號(hào)放大和一系列的運(yùn)算，最終就可以檢測(cè)出力的變化。

2 單維應(yīng)變片式力覺(jué)傳感器

單維應(yīng)變片式力覺(jué)傳感器的核心是應(yīng)變片，主要利用應(yīng)變片測(cè)量被測(cè)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(cè)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(cè)的地方，單向的應(yīng)變導(dǎo)致電阻變化，通過(guò)橋路可知電壓或電流變化，再通過(guò)放大電路，最后經(jīng)過(guò)運(yùn)算，得知力或力矩的大小變化。目前，若感知力覺(jué)并且通過(guò)計(jì)算做出相應(yīng)反應(yīng)，則僅使用單維力覺(jué)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(jué)傳感器的簡(jiǎn)單應(yīng)用較少，大部分是使用多個(gè)力覺(jué)傳感器或者與其他傳感器配合檢測(cè)，以達(dá)到多維檢測(cè)和控制、力和力矩同時(shí)檢測(cè)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(jué)傳感器

三維力覺(jué)傳感器是力覺(jué)傳感器發(fā)展的趨勢(shì)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(lái)，隨著半導(dǎo)體微加工技術(shù)的發(fā)展，三維力覺(jué)傳感器的研究在國(guó)內(nèi)外得到了迅速發(fā)展，基于不同工作原理的三維力覺(jué)傳感器被紛紛推出[2]。

其中，三維應(yīng)變片式力覺(jué)傳感器由彈性元件、電阻應(yīng)變計(jì)和惠斯通電橋電路組成。被測(cè)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(jì)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(hào)輸出顯示。三維力覺(jué)傳感器可以同時(shí)檢測(cè)三維空間的三個(gè)力信息（Fx、Fy、Fz），不但能檢測(cè)和控制機(jī)器人手抓取物體的握力，而且還可以檢測(cè)抓取物體的重量，以及在抓取操作過(guò)程中是否有滑動(dòng)、振動(dòng)等。

3.1 三維應(yīng)變片式力覺(jué)傳感器在昆蟲(chóng)足力測(cè)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(guò)研究生物運(yùn)動(dòng)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(duì)昆蟲(chóng)足力測(cè)試結(jié)果，昆蟲(chóng)的足與物體表面之間的接觸力是三維接觸力。因此，昆蟲(chóng)足力測(cè)試也需要相應(yīng)的三維微力傳感器（見(jiàn)圖1）。昆蟲(chóng)足力測(cè)試傳感器由金屬?gòu)椥泽w（硬鋁合金）、有機(jī)玻璃懸臂梁、測(cè)力片（有機(jī)玻璃）以及彈性體上的半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)組成，將金屬?gòu)椥泽w設(shè)計(jì)成倒“L”形，并在三處貼片位置貼有三組半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)，分別用于測(cè)量被測(cè)力的3個(gè)分量（Fx、Fy、Fz）。彈性體在貼片位置的截面設(shè)計(jì)成懸臂梁式，目的是保證很小的力也可以被檢測(cè)到。A貼片和B貼片只對(duì)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(guò)標(biāo)定，獲得靈敏度矩陣C。根據(jù)測(cè)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(guò)求解方程求得被測(cè)力的3個(gè)分量（Fx、Fy、Fz）。例如，黃斑蝽在塑料板上爬行過(guò)程中，足掌踩在測(cè)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(jué)傳感器在多目標(biāo)動(dòng)態(tài)擊打儀系統(tǒng)中的應(yīng)用

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

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

當(dāng)受到載荷力F（Fx、Fy、Fz）時(shí)，傳感器受力時(shí)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(duì)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(cè)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(jué)傳感器原理

傳統(tǒng)電阻應(yīng)變片式力覺(jué)傳感器具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍寬、構(gòu)造簡(jiǎn)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(lái)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(cè)量力時(shí)三個(gè)方向力間的干擾難以解決，不易微型化。為了克服這些問(wèn)題，使三維力覺(jué)傳感技術(shù)能用于智能機(jī)器人分布式觸覺(jué)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(jué)傳感器中，采用壓電效應(yīng)，使三維力覺(jué)傳感技術(shù)用于智能機(jī)器人分布式觸覺(jué)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(jià)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(jì)的三維力覺(jué)傳感器易于微型化。

目前，國(guó)際上正在致力研究的機(jī)器人觸覺(jué)-人工觸覺(jué)皮膚，要求力覺(jué)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(jué)的擬人化[5]。

4 六維應(yīng)變片式力覺(jué)傳感器

早在20世紀(jì)70年代，美國(guó)、日本就已經(jīng)開(kāi)展六維力覺(jué)傳感器的研究并可以批量生產(chǎn)，而國(guó)內(nèi)在80年代才開(kāi)始研究，并在90年代末生產(chǎn)出達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品水平的應(yīng)變片式六維力覺(jué)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(guó)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(jué)傳感器，而市面上流通的應(yīng)變片式力覺(jué)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(cè)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(lái)的十字梁轉(zhuǎn)化為一種非徑向式的三梁結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3）。在受到外部力的作用時(shí)，它的非徑向梁就會(huì)產(chǎn)生彈性形變，而應(yīng)變片就貼在三根梁上，從而可以測(cè)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(lái)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(shí)，該徑向梁只會(huì)產(chǎn)生軸向應(yīng)變，不會(huì)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(duì)兩側(cè)面形變相同，可以到檢測(cè)電橋兩嘴信號(hào)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(jué)傳感器在醫(yī)療方面的應(yīng)用

在醫(yī)療方面，六維力覺(jué)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(jué)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(huì)僅在某一個(gè)維度上，所以這屬于空間力，這種力無(wú)法用一維的力覺(jué)傳感器進(jìn)行測(cè)量，從而衍生出多維力傳感器作為測(cè)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(tái)上，就是使用了一種十字梁式六維力覺(jué)傳感器，其工作原理其實(shí)也是通過(guò)其自身內(nèi)梁、外梁和過(guò)載保護(hù)梁的彈性形變來(lái)測(cè)量被測(cè)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(dòng)地表現(xiàn)出真實(shí)的手術(shù)場(chǎng)景[10]。除此之外，在微創(chuàng)手術(shù)方面，應(yīng)變片式力覺(jué)傳感器的應(yīng)用也非常廣泛。由于手術(shù)器械切割人體時(shí)的力是不確定的，所以刀刃上的受力很有可能是六維的。對(duì)于腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)，有人設(shè)計(jì)了一種微型六維力覺(jué)傳感器，這相當(dāng)于兩個(gè)普通的六維力覺(jué)傳感器疊在一起，一層彈性體測(cè)量X軸、Y軸的力和Z軸的力矩，另一層測(cè)量Z軸的力和X軸、Y軸的力矩。每一根梁有4個(gè)應(yīng)變片，這4個(gè)應(yīng)變片組成一個(gè)全橋連接，從而每個(gè)全橋連接可以測(cè)得單維的力和力矩，并且每個(gè)電路之間不會(huì)有關(guān)聯(lián)，這樣良好的獨(dú)立性會(huì)更加精確地測(cè)量這6個(gè)維度的變化?？偟膩?lái)講，此傳感器的靈感來(lái)源就是兩個(gè)三維傳感器可以制造一個(gè)六維傳感器，然后將彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(cè)量力覺(jué)信息的無(wú)維間耦合，避免了復(fù)雜的計(jì)算解耦[11]。

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

發(fā)明機(jī)器人的一個(gè)目的就是使其可以代替人類探索一些人類無(wú)法直接接觸或者無(wú)法到達(dá)的地方，或者人類自行探索會(huì)有危險(xiǎn)的地方。在水下作業(yè)領(lǐng)域，其危險(xiǎn)性推動(dòng)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(wú)法確定的，所以可以利用六維力覺(jué)傳感器對(duì)其進(jìn)行完全的檢測(cè)。水下靈巧手第一個(gè)需要測(cè)量的就是手指力，因?yàn)樵谒鹿ぷ鲿r(shí)手指力會(huì)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(pán)式和十字梁式傳感器共同作用的力覺(jué)傳感器。這個(gè)新型傳感器的設(shè)計(jì)思路也是兩個(gè)三維傳感器合成出一個(gè)六維傳感器，上半部分為一個(gè)改進(jìn)后的十字梁式力覺(jué)傳感器，下半部分為一個(gè)圓盤(pán)結(jié)構(gòu)。它采用應(yīng)變片對(duì)稱分布，連接全橋，實(shí)現(xiàn)四臂差動(dòng)，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(duì)手指力進(jìn)行測(cè)量，還需要對(duì)腕力進(jìn)行測(cè)量。腕力測(cè)量主要是應(yīng)用圓筒式傳感器，它是將圓筒作為測(cè)量元件，用6組不同方向和角度組成的應(yīng)變片組來(lái)測(cè)量六維的變化，每組應(yīng)變片運(yùn)用半橋連接檢測(cè)。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(duì)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(lái)說(shuō)，無(wú)論是哪一種應(yīng)變片式六維力覺(jué)傳感器，它最主要的就是應(yīng)變片的布置問(wèn)題，貼片的絕對(duì)位置和絕對(duì)角度的偏差會(huì)對(duì)傳感器的輸出造成極大影響。貼片的相對(duì)位置、相對(duì)角度偏差和貼片高度問(wèn)題對(duì)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(cè)結(jié)果依舊可靠，對(duì)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(jué)傳感器是現(xiàn)在力覺(jué)傳感器的市場(chǎng)主流。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了推動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，我國(guó)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(jué)傳感器在大型設(shè)備和精密儀器上加以應(yīng)用，及時(shí)地獲取信息，將其反饋到相對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為之后相應(yīng)的人為干預(yù)提供數(shù)據(jù)支持。