机器人的力觉传感器：金属电阻型,半导体型,转矩

力觉传感器用于测量两物体之间作用力的三个分量和力矩的三个分量。机器人腕力传感器发送其依次从部分的偏移(由作用力和力矩产生的),以测量机器人Z后一个连杆与其 端部执行装置之间的作用力及力矩分量。

现有的力觉传感器采用不同的变送(换能)器，如压电元件或应变仪等。用于机器人的 理想变送器是黏结在依从部件上的半导体应力计。

1. 金属电阻型力觉传感器

如果将已知应变系数为 C 值的金属导线(电阻丝)固定在物体表面上，那么当物体发生 形变时，该电阻丝也会相应产生伸缩现象。因此，测定电阻丝的阻值变化，就可知道物体的形变量，进而求出外作用力。

将电阻体做成薄膜型，并贴在绝缘膜上使用。这样，可使测量部件小型化，并能大批 生产质量相同的产品。这种产品所受的接触力比电阻丝大，因而能测定较大的力或力矩。 此外，测量电流所产生的热量比电阻丝方式更易于散发，因此允许较大的测试电流通过。

2. 半导体型力觉传感器

在半导体晶体上施加压力，那么晶体的对称性将发生变化，即导电机理发生变化，从而使电阻值也发生变化。这种作用称为压电效应。半导体的应变系数可达100～200,如果 适当选择半导体材料，则可获得正的或负的应变系数值。此外，还研制出压阻膜片的应变 仪，它不必贴在测定点上即可进行力的测量。

也可以采用在玻璃、石英和云母片上蒸发半导体的办法制作压敏电子元件。其电阻温 度系数比金属电阻型的要大但其结构比较简单，尺寸小，灵敏度高，因而可靠性很高。

3. 其他力觉传感器

除了金属电阻型和半导体型力觉传感器外，还有磁性、压电式和利用弦振动原理制作 的力觉传感器等。

当铁和镍等强磁体被磁化时，其长度将变化，或产生扭曲现象；反之，强磁体发生应 变时，其磁性也将改变。这两种现象都称为磁致伸缩效应。利用后一种现象，可以测量力 和力矩。应用这种原理制成的应变计有纵向磁致伸缩管等。它可用于测量力，是一种磁性 力觉传感器。 如果将弦的一端固定，而在另一端加上张力，那么在此张力作用下，弦的振动频率发 生变化。利用这个变化就能够测量力的大小，利用这种弦振动原理也可制成力觉传感器。

4. 转矩传感器

在传动装置驱动轴转速 n 、功 率 P 及转矩 T 之间，存在有ToP/n 的关系。如果转轴 加上负载，那么就会产生扭力。测量这一扭力，就能测出转矩。

轴的扭转应力以Z大45°角的方式在轴表面呈螺旋状分布。如果在其Z大方向(45°)安 装上应变计，那么此应变计就会产生形变。测出该形变，即可求得转矩。

图6-10表示一个用光电传感器测量转矩的实例。将两个分割成相同扇形隙缝的圆片 安装在转矩杆的两端，轴的扭转以两个圆片间相位差表现出来。测量经隙缝进入光电元件的光通量，即可求出扭转角的大小。采用两个光电元件，有利于提高输出电流，以便直接 驱动转矩显示仪表。

5. 腕力传感器

作为例子，国际斯坦福研究所(SRI) 设计的手腕力觉传感器如图6- 11所示。它由六个 小型差动变压器组成，能测量作用于腕部x 、y 和 z 三个方向的力及各轴的转矩。

力觉传感器装在铝制圆筒形主体上。圆筒外侧由八根梁支撑，手指尖与腕部连接。当 指尖受到力时，梁受其影响而变弯曲。从黏附在梁两侧的八组应力计(R, 与 R₂ 为 一 组)测 得的信息，就能够算出加在 x 、y 和 z 轴上的分力以及各轴的分转矩。