力传感器是力控的关键部件,六维力传感器测量最为全面精准
1.1 六维力传感器是维度最高的力觉传感器
力觉传感器,顾名思义就是感知并度量力的传感器。按照测量维度,力觉传感器 可以分为一至六维力传感器。能测几个维度,它就是几维力传感器。最常见的是 一维、三维和六维力传感器,二维和五维的力传感器较少。
(1) 一维力传感器:如果力的方向和作用点是固定的,此时可以选择用一维 力传感器进行测量。我们可以通过安装定位,使被测量力 F 的方向完全 与标定坐标轴(OZ 轴)重合,这样就可以对力进行精确测量。代表产品 有称重传感器、压力传感器等。当力的方向与传感器的测量轴线平行但 不重合,此时传感器的测量结果将会出现较大的误差。
(2) 三维力传感器:如果力 F 的作用点 P 始终与传感器的标定参考点 O 保持 重合,力 F 的方向在三维空间中随机变化,那么用三维力传感就能完成 测量任务。因为被测量的力可以分解为三维力传感器标定坐标系下的三 个正交分量(Fx、Fy、Fz),三维力传感器的三个测量单元可以分别对 其进行测量。当力的作用点远离传感器,这个力在经过正交分解并平移 至三维力传感器的校准中心后,传感器既要承受力 Fx/Fy/Fz 三分量的作 用,又要承受 Mx/My/Mz 三个弯矩的作用,这种情况下,三维力传感器 的测量结果将会出现较大偏差。
(3) 六维力传感器:如果力的方向和作用点都在三维空间内随机变化,此时 应该选择用六维力传感器进行测量。因为空间中任意作用点上的力可以 在六维力传感器的标定坐标系内,分解为沿标定坐标轴的三方向分力 (FX、FY、FZ)和绕标定坐标轴的三方向力矩(MX、MY、MZ)。这 类传感器更适用于参考点的距离较远,且随机变化情景,测量精度要求 较高。
六维力传感器是维度最高的力觉传感器,它能给出最为全面精准的力觉信息。六维力传感器,又叫六维力/力矩传感器、六轴力传感器、F/T 传感器,是一种特 殊的力传感器,能够同时测量中性坐标系(OXYZ)内的三个力(FX、FY、FZ) 和三个力矩(MX、MY、MZ)。六维力传感器一般分成固定端(机器人端)和 加载端(工具端),传感器的内部算法会解耦各方向力和力矩间的干扰,使力的 测量更为精准。
根据传感元件的不同,六维力/力矩传感器主要分为: 应变片式、光学式以及压 电/电容式。目前,市场应用的六维力/力矩传感器大部分是基于应变式的测量。基于压电、电容和光学等原理测量的传感器有一定的理论研究和实验,下游尚未 得到广泛应用。每种类型的六维力传感器都具有其独特的优点和适用范围,随着相关研究的不断深入,不同测量机理的传感器将会发挥自身优势被应用到各种场 合,进而推动六维力传感器向多元化方向发展。
经过对稳定性、刚度、动态特性、成本与信噪比五个维度的比较,硅应变传感 器综合性能优异。硅应变片的稳定性、信噪比、动态特性要好于金属应变片,刚 度上两者差异不大,成本上金属略优,但这几年硅应变片的工艺有了提升和改进, 综合成本也在大幅降低。
六维力/力矩传感器的研发难度非常大。它不是三个一维力传感器和三个扭矩传 感器结构的简单叠加,它的非线性力学特征明显,要考虑多通道信号的温漂、蠕 变、交叉干扰、数据处理的实时性,再加之六维联合加载标定的复杂性 ,六维 力传感器的技术难度可谓是一维力传感器难度的六次方。
六维力传感器面临两个关键技术问题:全方位机械过载保护和动态性能。机械 过载保护是指作用到传感器的力超过某一数值时,为避免传感器损坏而增加的一 种附属结构。国内外学者也提出了基于不同结构的机械过载保护装置,但由于保 护装置结构复杂且加工精度要求较高等限制,生产出具有全方位机械过载保护装 置的六维力传感器的成熟产品仍有难度。传感器性能指标包括静态性能指标和动 态性能指标。在实际的力测量过程中,被测信号大多是动态信号,如机器人打磨 抛光时的接触力、物体高速运动过程中的称重和炮弹发射过程时的后座力等信号, 这些信号属于快速时变信号,动态性能较差的传感器很难跟踪测量这些信号,所以必须在充分了解传感器的动态性能后方能选择合适的传感器来进行测量。
除了优化自身结构、形状等方法提高动态性能外,一些国内外学者利用动态补偿滤波 器、遗传算法、神经网络算法等智能算法来提高传感器的动态性能,取得了良好 的效果。国外对六维力/力矩传感器的研究起步较早。国内外学者对六维力传感器结构都 做了大量的研究与改进,目的是提高传感器的灵敏度和抗过载能力,减少维间耦 合误差,改善动态性能,从而更好地辅助机器人实现智能化控制。