機(jī)器人的力覺傳感器：金屬電阻型,半導(dǎo)體型,轉(zhuǎn)矩

力覺傳感器用于測(cè)量兩物體之間作用力的三個(gè)分量和力矩的三個(gè)分量。機(jī)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(chǎn)生的),以測(cè)量機(jī)器人Z后一個(gè)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(yīng)變儀等。用于機(jī)器人的 理想變送器是黏結(jié)在依從部件上的半導(dǎo)體應(yīng)力計(jì)。

1. 金屬電阻型力覺傳感器

如果將已知應(yīng)變系數(shù)為 C 值的金屬導(dǎo)線(電阻絲)固定在物體表面上，那么當(dāng)物體發(fā)生 形變時(shí)，該電阻絲也會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生伸縮現(xiàn)象。因此，測(cè)定電阻絲的阻值變化，就可知道物體的形變量，進(jìn)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(cè)量部件小型化，并能大批 生產(chǎn)質(zhì)量相同的產(chǎn)品。這種產(chǎn)品所受的接觸力比電阻絲大，因而能測(cè)定較大的力或力矩。 此外，測(cè)量電流所產(chǎn)生的熱量比電阻絲方式更易于散發(fā)，因此允許較大的測(cè)試電流通過。

2. 半導(dǎo)體型力覺傳感器

在半導(dǎo)體晶體上施加壓力，那么晶體的對(duì)稱性將發(fā)生變化，即導(dǎo)電機(jī)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(yīng)。半導(dǎo)體的應(yīng)變系數(shù)可達(dá)100～200,如果 適當(dāng)選擇半導(dǎo)體材料，則可獲得正的或負(fù)的應(yīng)變系數(shù)值。此外，還研制出壓阻膜片的應(yīng)變 儀，它不必貼在測(cè)定點(diǎn)上即可進(jìn)行力的測(cè)量。

也可以采用在玻璃、石英和云母片上蒸發(fā)半導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(dǎo)體型力覺傳感器外，還有磁性、壓電式和利用弦振動(dòng)原理制作 的力覺傳感器等。

當(dāng)鐵和鎳等強(qiáng)磁體被磁化時(shí)，其長度將變化，或產(chǎn)生扭曲現(xiàn)象；反之，強(qiáng)磁體發(fā)生應(yīng) 變時(shí)，其磁性也將改變。這兩種現(xiàn)象都稱為磁致伸縮效應(yīng)。利用后一種現(xiàn)象，可以測(cè)量力 和力矩。應(yīng)用這種原理制成的應(yīng)變計(jì)有縱向磁致伸縮管等。它可用于測(cè)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(dòng)頻率發(fā) 生變化。利用這個(gè)變化就能夠測(cè)量力的大小，利用這種弦振動(dòng)原理也可制成力覺傳感器。

4. 轉(zhuǎn)矩傳感器

在傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速 n 、功 率 P 及轉(zhuǎn)矩 T 之間，存在有ToP/n 的關(guān)系。如果轉(zhuǎn)軸 加上負(fù)載，那么就會(huì)產(chǎn)生扭力。測(cè)量這一扭力，就能測(cè)出轉(zhuǎn)矩。

軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)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(yīng)變計(jì)，那么此應(yīng)變計(jì)就會(huì)產(chǎn)生形變。測(cè)出該形變，即可求得轉(zhuǎn)矩。

圖6-10表示一個(gè)用光電傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)矩的實(shí)例。將兩個(gè)分割成相同扇形隙縫的圓片 安裝在轉(zhuǎn)矩桿的兩端，軸的扭轉(zhuǎn)以兩個(gè)圓片間相位差表現(xiàn)出來。測(cè)量經(jīng)隙縫進(jìn)入光電元件的光通量，即可求出扭轉(zhuǎn)角的大小。采用兩個(gè)光電元件，有利于提高輸出電流，以便直接 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)的手腕力覺傳感器如圖6- 11所示。它由六個(gè) 小型差動(dòng)變壓器組成，能測(cè)量作用于腕部x 、y 和 z 三個(gè)方向的力及各軸的轉(zhuǎn)矩。

力覺傳感器裝在鋁制圓筒形主體上。圓筒外側(cè)由八根梁支撐，手指尖與腕部連接。當(dāng) 指尖受到力時(shí)，梁受其影響而變彎曲。從黏附在梁兩側(cè)的八組應(yīng)力計(jì)(R, 與 R₂ 為 一 組)測(cè) 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(zhuǎn)矩。