2.2.4　智能机器人多维力/力矩传感器的发展

随着现代机器人技术的发展，机器人力觉感知系统应用场合越来越多，从水下机器人到空间机器人，从微小型化的机器人指尖力觉传感器到力觉临场感系统，从微小零部件等微细操控的毫牛级的多维力觉感知系统到吨级称重传感器，力觉感知系统在现代机器人工业技术的发展及应用中起到举足轻重的作用，同时也对力觉感知系统提出了更高更严格的要求。表2-3显示了智能机器人力传感器在各个年代的研究热度。

表2-3　各数据库关于智能机器人力传感器文献统计

传统的力觉感知系统还存在如下问题。

①为了检测机器人操控时笛卡儿坐标系中的三维力及三维力矩信息，感知系统的机械本体结构一般都比较复杂，导致很难用经典力学知识来建立精确理论模型，为感知系统的建模、信息获取与处理带来一定的困难。

②几乎所有传统力觉感知系统都存在有不可消除的维间耦合，而且部分耦合还有非线性的特征，这就给传感器的解耦、精度提高带来了极大的困难。虽然目前许多研究学者提出了一系列的非线性解耦方法，能有效地消除维间耦合，但往往比较复杂，而且计算量很大，所需计算时间较长，给实时检测带来限制。

③信号采集及处理对感知系统各维的输出提出各维同性的要求，即要求各维在最大量程时的输出大小相近，以便采用相同的放大倍数及电子元器件，也有利于各维精度保持一致。传统的感知系统都基于简化的模型或者设计师的经验来进行设计，因此各维同性很难达到。

④传统的力觉感知系统的刚度性能及灵敏度性能往往是一种矛盾关系，为保证系统的高可靠性，其刚度必须相应地较高，此时灵敏度将相应地下降，反之亦然。

全柔性并联机构因为具备结构紧凑、重量轻、体积小、刚度大、承载能力强、动态性能好等优良特性被广泛研究及应用到多个科学研究领域。针对以上缺陷，研究者发现全柔性并联机构作为一种新型机构很适合被用作微细操控系统中力觉感知系统的机械本体结构，因为其具有如下诸多特征。

①目前并联机构和全柔性机构的相关理论发展比较成熟，如并联机构的静态运动学分析、刚度分析、动态性能分析等理论都有了比较透彻的理解。

②提供无/微耦合的多维力/力矩信息：与传统的感知系统用同一个弹性体实现对多维力/力矩信息进行检测不同，基于全柔性并联机构的力觉感知系统用并联机构的多条支链来实现多维力/力矩的感知与检测，理论上可以提供无/微耦合的多维力/力矩信息。

③提供各维同性的多维力/力矩信息：根据并联机构的静态力学理论分析，并联机构的全局刚度矩阵反映了所承受载荷与并联机构动平台发生的微小位移的关系。利用全局刚度的相关理论，可以使各维之间具有各维同性的特点。

④解决传统力觉感知系统的刚度和灵敏度之间的矛盾关系：微细操控系统的刚度取决于其中刚度最小的环节（一般为力觉感知模块）。传统的力觉感知系统一般以牺牲其灵敏度来达到高刚度的要求。基于全柔性并联机构的力觉感知系统由于多条柔性支链的存在，可以同时具备高刚度和高灵敏度。

⑤基于全柔性并联机构的力觉感知系统用柔性铰链代替传统关节来消除因其引起的间隙、摩擦、缓冲等误差，使其具有高稳定性、零间隙、无摩擦、高重复性等特性，成为一种性能优良的力觉感知系统。

总的来说，机器人多维力/力矩信息获取的关键技术与挑战主要体现在以下几个方面。

利用新材料、新工艺实现系统微型化、集成化、多功能化，利用新原理、新方法实现更多种类的信息获取，再辅以先进的信息处理技术提高传感器的各项技术指标，以适应更广泛的应用需求。目前，微电子、计算机、大规模集成电路等技术正日趋成熟，光电子技术也进入了发展中期，超导电子、光纤与量子通信等新技术也已进入了发展应用初期，这些新技术均为加速设计和研制下一代新型机器人多维力/力矩信息获取系统提供了有利发展的条件。

生物医学工程、材料科学及细微系统识别和操作等应用环境中的微细操作如细胞操作等应用需要微牛（10^-6N）甚至纳牛（10^-9N）级的多维力/力矩信息获取系统来保证微细操作的精确性和可靠性，传统的多维力/力矩传感器无法满足这种需求（如传统ATI Nano17系列的传感器的力和力矩的分辨率分别在3.1mN和15.6mN·m）。引进先进的MEMS制造工艺及方法，将传统的六维力/力矩传感器微型化、集成化，使分辨率达到微牛甚至纳牛的级别，利用先进的信息处理技术控制系统的噪声水平在系统允许的范围，可以设计和制造出完全满足微细操作需求的微牛级和纳牛级的多维力/力矩信息获取系统。

从微处理器带来的数字化革命到虚拟仪器的高速发展，从简单的工业机械臂到复杂的仿人形机器人，各种应用环境对传感器的综合性能精度、稳定可靠性和动态响应等性能要求越来越高，传统的多维力/力矩传感器已经不能适应现代机器人技术中的多种测试要求。随着微处理器技术和微机械加工技术等新技术的发明和它们在传感器上的应用，智能化的感知系统被人们所提出和关注。从功能上讲，智能感知系统不仅能够完成信号的检测、变换处理、逻辑判断、功能计算、双向通信，而且内部还可以实现自检、自校、自补偿、自诊断等功能。具体来说，智能化的多维力/力矩感知系统应该具备实时、自标定、自检测、自校准、自补偿（如温漂补偿、零漂补偿、非线性补偿等）、自动诊断、网络化、无源化、一体化（如与线加速度和角加速度等感知功能整合）等部分或者全部功能。