機器人的柔性腕力傳感器：檢測末端執(zhí)行器所受外力/力矩的大小和方向

裝配機器人在作業(yè)過程中需要與周圍環(huán)境接觸，在接觸的過程中往往存在力和速度的不連續(xù)問題。腕力傳感器安裝在機器人手臂和末端執(zhí)行器之間，更接近力的作用點，受其他附加因素的影響較小，可以準確地檢測末端執(zhí)行器所受外力/力矩的大小和方向，為機器人提供力感信息，有效地擴展了機器人的作業(yè)能力。

在裝配機器人中除使用應變片6維筒式腕力傳感器和十字梁腕力傳感器外，還大量使用 柔順腕力傳感器。柔性手腕能在機器人的末端操作器與環(huán)境接觸時產(chǎn)生變形，并且能夠吸收 機器人的定位誤差。機器人柔性腕力傳感器將柔性手腕與腕力傳感器有機地結(jié)合在一起，不 但可以為機器人提供力/力矩信息，而且本身又是柔順機構，可以產(chǎn)生被動柔順，吸收機器' 人產(chǎn)生的定位誤差，保護機器人、末端操作器和作業(yè)對象，提高機器人的作業(yè)能力。

柔性腕力傳感器一般由固定體、移動體和連接二者的彈性體組成。固定體和機器人的手 腕連接，移動體和末端執(zhí)行器相連接，彈性體采用矩形截面的彈簧，其柔順功能就是由能產(chǎn) 生彈性變形的彈簧完成。柔性腕力傳感器利用測量彈性體在力/力矩的作用下產(chǎn)生的變形量 來計算力/力矩。

柔性腕力傳感器的工作原理如圖6-24所示，柔性腕力傳感器的內(nèi)環(huán)相對于外環(huán)的位置 和姿態(tài)的測量采用非接觸式測量。傳感元件由6個均布在內(nèi)環(huán)上的紅外發(fā)光二極管 (LED) 和6個均布在外環(huán)上的線型位置敏感元件 (PSD) 構成。PSD 通過輸出模擬電流信號來反映 照射在其敏感面上光點的位置，具有分辨率高、信號檢測電路簡單、響應速度快等優(yōu)點。

為了保證LED 發(fā)出的紅外光形成一個光平面，在每一個LED 的前方安裝了一個狹縫， 狹縫按照垂直和水平方式間隔放置，與之對應的線型 PSD 則按照與狹縫相垂直的方式放置。 6 個LED 所發(fā)出的紅外光通過其前端的狹縫形成6個光平面O;(i=1,2,…,6), 與 6 個 相 應的線型 PSD L;(i=1,2,…,6) 形成6個交點。當內(nèi)環(huán)相對于外環(huán)移動時，6個交點在 PSD 上的位置發(fā)生變化，引起PSD 的輸出變化。根據(jù)PSD 輸出信號的變化，可以求得內(nèi)環(huán) 相對于外環(huán)的位置和姿態(tài)。內(nèi)環(huán)的運動將引起連接彈簧的相應變形，考慮到彈簧的作用力與 形變的線性關系，可以通過內(nèi)環(huán)相對于外環(huán)的位置和姿態(tài)關系解算出內(nèi)環(huán)上所受到的力和力 矩的大小，從而完成柔性腕力傳感器的位姿和力/力矩的同時測量。