2.2.1　智能机器人多维力/力矩传感器研究现状

智能机器人多维力/力矩传感器受到各领域专家学者的重视，并广泛应用于各种场合，为机器人的控制提供力/力矩感知环境，如零力示教、轮廓跟踪、自动柔性装配、机器人多手协作、机器人遥操作、机器人外科手术、康复训练等。

国际上对多维力/力矩信息获取的研究是从20世纪70年代初期开始的，目前，机器人多维力传感器生产厂家主要有美国的AMTI、ATI、JR3、Lord，瑞士的Kriste，德国的Schunk、HBM等公司，每台价格为一万美元左右。我国中科院合肥智能机械研究所、哈尔滨工业大学、华中理工大学、东南大学等单位分别研制出多种规格的多维力/力矩传感器。

力觉感知的最早应用是力觉临场感遥操作系统。装备这种系统的智能机器人把复杂恶劣环境（深海、空间、毒害、战场、辐射、高温等）下感知到的交互信息以及环境信息实时地、真实地反馈给操作者，使操作者有身临其境的感觉，从而有效地实现带感觉的控制来完成指定作业。其概论可以回溯到1965年Sutherland提出的设想，即把计算机作为人类视觉、听觉、触觉以及人与真实世界相互作用的接口。早在20世纪60年代末，美国Ames实验室就研制出了具有力觉反馈的外骨架装置用于主从式遥操作系统。在遥操作机器人对操作对象进行接触作业时，如抓取、扭转、插入等，环境的动力学特征显得尤为重要，有实验表明，这些操作中70%的信息是通过力觉来提供的。遥操作机器人与环境的相互作用力通过传感器实时反馈到本地操作者处，使操作者产生身临其境的感受，从而实现对遥操作机器人实现带力感觉的控制。理想的力觉临场感能使操作者感知的力等于从手与环境间的作用力，同时从手的位置等于主手的位置，此时的力反馈控制系统称为完全透明的。操作者与远端机器人之间的通信时延是影响遥操作系统的突出问题，时延降低了系统的稳定性；基于无源二端口网络和散射理论、自适应预测控制理论、滑模控制理论、鲁棒控制理论等的方法，有望消除或减缓时延的影响。图2-1是两个典型的遥操作系统：Intuitive Surgical公司机器人遥操作手术系统和Stanford大学带有力触觉临场感的遥操作机器人系统^［3］。

图2-2所示为几种比较成熟的具有力觉反馈的数据手套，其中美国Utah/MIT的遥操作主手（UDHM）具有16个自由度，四个手指机构采用霍尔效应传感器测量各关节的运动角度；UDHM的研究包括人手到机械手的运动映射、人手运动的校正等。Rutgers Master Ⅱ手套采用气动伺服机构，可以为操作者各手指的四个关节提供最大至16N的力反馈，其角度测量也是采用非接触式的霍尔效应传感器；这种接口的特点是采用直接驱动方案，没有缆索和滑轮等中间传动，结构简单。Rutgers Ⅱ型应用玻璃-石墨结构的低摩擦气动驱动机构，其静摩擦力只有0.05N，大约为手指指端力的3‰。NASA/JPL实验室的力反馈手套采用张力传感器和电动执行机构再现接触力觉。Immersion公司的Cybergrasp手套则是通过机械线控方式，由电机输出最大至12N力至操作者的五个手指关节。

图2-1　遥操作系统

图2-2　几种力觉反馈数据手套

韩国汉阳大学的研究者Jae-jun Park、Kihwan Kwon和Nahmgyoo Cho^［4］于2006年研制了一种基于多维力/力矩传感器的坐标检测系统（CMM），如图2-3所示。传统的基于探针的坐标检测系统总是受探针不可消除的弹性变形和探针末端探球引起的系统形状误差的影响，针对这种情况，设计者提出用集成的三维力传感器来补偿探针的弹性变形误差，并根据由三维力信息计算得到的受力方向和探针的几何形状方程来补偿探球引起的系统形状误差。其测量不确定度可以达到0.25μm。

图2-3　基于多维力/力矩传感器的坐标检测系统^［4］

近年来，并联机构被广泛地研究，其相应成果被应用到机器人技术相关领域，取得了一些新颖的成果。将并联机构尤其是Stewart平台应用到多维力/力矩传感器也获得了相应的研究：Gailet和Reboulet早在1983年首次提出和设计了一种基于Stewart平台八面体结构的力传感器；Dwarakanath和Bhaumick于1999年研制了基于Stewart平台的多维力/力矩传感器，并对运动学、支链的设计及构型优化进行了理论分析；Ranganath、Mruthyunjaya和Ghosal分析并设计了一种高灵敏度基于近奇异构型的Stewart平台的六维力/力矩传感器；Nguyen、Antrazi和Zhou设计和分析了一种基于Stewart平台的六维力/力矩传感器，其每条支链都装有弹簧，使设计的传感器灵敏度高、动态性能好；Dasgupta、Reddy和Mruthyunjaya针对基于Stewart平台的多维力/力矩传感器提出了一种基于力传递矩阵的最优条件数的优化设计方法。如图2-4所示。

图2-4　Dasgupta等提出的基于Stewart平台的六维力/力矩传感器^［5］