六維力和扭矩傳感器幫助機(jī)器人感受和觸覺

扭矩傳感器，又稱力矩傳感器、扭力傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、扭矩儀，分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩大類，其中動(dòng)態(tài)扭矩傳感器又可叫做轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、非接觸扭矩傳感器、旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器等。 扭矩傳感器是對(duì)各種旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件上對(duì)扭轉(zhuǎn)力矩感知的檢測(cè)。扭矩傳感器將扭力的物理變化轉(zhuǎn)換成精確的電信號(hào)。扭矩傳感器可以應(yīng)用在制造粘度計(jì)，電動(dòng)(氣動(dòng)，液力)扭力扳手，它具有精度高，頻響快，可靠性好，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

作為現(xiàn)代生活不可或缺的一部分，傳感器現(xiàn)在幾乎無(wú)處不在。他們測(cè)量來(lái)自環(huán)境的物理輸入并將其轉(zhuǎn)換為人類或機(jī)器可以解釋的數(shù)據(jù)。中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型六維力/扭矩傳感器。

通常所說(shuō)的轉(zhuǎn)矩是外力矩，如機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)是動(dòng)力源提供的外力矩作用的結(jié)果，而扭矩是內(nèi)力矩，主軸工作時(shí)，刀具切削力對(duì)主軸的反作用使之產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)彈性變形，可用其衡量扭矩的大小。

扭矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)或扭轉(zhuǎn)變形的力矩，等于力和力臂的乘積。扭矩是在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)中最頻繁涉及到的參數(shù)，為了檢測(cè)旋轉(zhuǎn)扭矩，使用較多的是扭轉(zhuǎn)角相位差式傳感器。該傳感器是在彈性軸的兩端安裝著兩組齒數(shù)、形狀及安裝角度完全相同的齒輪，在齒輪的外側(cè)各安裝著一只接近(磁或光)傳感器。當(dāng)彈性軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，這兩組傳感器就可以測(cè)量出兩組脈沖波，比較這兩組脈沖波的前后沿的相位差就可以計(jì)算出彈性軸所承受的扭矩量。該方法的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩信號(hào)的非接觸傳遞，檢測(cè)信號(hào)為數(shù)字信號(hào);缺點(diǎn)：體積較大，不易安裝，低轉(zhuǎn)速時(shí)由于脈沖波的前后沿較緩不易比較，因此低速性能不理想。

扭矩測(cè)試比較成熟的檢測(cè)手段為應(yīng)變電測(cè)技術(shù)，它具有精度高、頻響快、可靠性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。 將專用的測(cè)扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測(cè)彈性軸上，并組成應(yīng)變橋，若向應(yīng)變橋提供工作電源即可測(cè)試該彈性軸受扭的電信號(hào)。這就是基本的扭矩傳感器模式。但是在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)中，最棘手的問題是旋轉(zhuǎn)體上的應(yīng)變橋的橋壓輸入及檢測(cè)到的應(yīng)變信號(hào)輸出如何可靠地在旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分之間傳遞，通常的做法是用導(dǎo)電滑環(huán)來(lái)完成。 由于導(dǎo)電滑環(huán)屬于磨擦接觸，因此不可避免地存在著磨損并發(fā)熱，因而限制了旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命。并且由于接觸不可靠引起信號(hào)波動(dòng)，從而造成測(cè)量誤差大甚至測(cè)量不成功。為了克服導(dǎo)電滑環(huán)的缺陷，

另一個(gè)辦法就是采用無(wú)線電遙測(cè)的方法 ：將扭矩應(yīng)變信號(hào)在旋轉(zhuǎn)軸上放大并進(jìn)行V/F轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，通過載波調(diào)制用無(wú)線電發(fā)射的方法從旋轉(zhuǎn)軸上發(fā)射至軸外，再用無(wú)線電接收的方法，就可以得到旋轉(zhuǎn)軸受扭的信號(hào)。 旋轉(zhuǎn)軸上的能源供應(yīng)是固定在旋轉(zhuǎn)軸上的電池。該方法即為遙測(cè)扭矩儀。

“我們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域的研究已經(jīng)過去了三十多年，”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人孫玉祥教授說(shuō)，“現(xiàn)在我們的傳感器已經(jīng)應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括深海和航空航天?！?

傳感器由機(jī)械結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理模塊組成。信號(hào)處理模塊實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)處理、數(shù)字信號(hào)處理和信號(hào)傳輸功能。該團(tuán)隊(duì)的研究重點(diǎn)是彈性體的結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理方法。

彈性體結(jié)構(gòu)是多維力傳感器的核心部分。它的形式影響傳感器的靈敏度、動(dòng)態(tài)性能和尺寸耦合。信號(hào)處理方法包括數(shù)字濾波、溫漂補(bǔ)償、容錯(cuò)處理等，對(duì)提高傳感器的信噪比，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性具有重要意義。

該傳感器可用于智能機(jī)器人的實(shí)時(shí)力反饋控制和力學(xué)性能測(cè)試。它允許機(jī)器人同時(shí)檢測(cè)周圍的力和力矩信息。采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的雙E型膜結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了敏感單元、信號(hào)調(diào)理模塊、SoC和通信模塊的集成。在傳感器的幫助下，機(jī)器人可以感覺和觸摸。

該團(tuán)隊(duì)能夠提供具有高精度和卓越穩(wěn)定性的定制傳感器設(shè)計(jì)?！拔覀兛梢砸院侠淼膬r(jià)格滿足消費(fèi)者對(duì)定制產(chǎn)品的需求，”孫說(shuō)。

至此，他們已經(jīng)通過了50兆帕的壓力測(cè)試，下一步將進(jìn)行4500米深海的測(cè)試。