一种指尖三维力传感器设计

张 强, 宋爱国, 刘玉庆, 姜国华, 周伯河

(1.东南大学 仪器科学与工程学院, 江苏 南京 210096; 2.中国航天员科研训练中心, 北京 100094)

1 引 言

机器人感知技术是机器人环境理解、智能决策与自主控制的基础与支撑,而力觉感知则是机器人感知的重要研究内容[1]。为了准确获取机器人与环境交互过程的力觉矢量信息,通常需要机器人力觉传感器同时测量三维空间中多个维度的力或力矩信息,其测量精度直接影响到整个机器人系统感知与控制的准确性[2～4]。传统的机器人多维力传感器主要存在2个问题:1)由于应变片数量多,导致多维力传感器体积大、安装不变,难以实现小型化;2)由于维间耦合误差的影响,多维力测量的精度普遍较低[5,6]。研究者针对机器人多维力传感器进行了大量的研究,提出了各种各样的多维力传感器结构设计及解耦算法[7～9],但是针对机器人指尖多维力传感器的研究鲜见报道。

本文提出了一种改进的十字梁弹性体结构设计,将中心直梁与十字梁相结合,减少十字梁的贴片数量,从而减小十字梁贴片面积,实现传感器小型化。通过建立维间耦合误差模型[9],采用维间耦合误差建模补偿消除的方法代替原有的耦合误差矩阵的方法,提高小型化机器人指尖三维力传感器的测量精度。

2 工作原理与结构设计

2.1 传感器工作原理

指尖三维力传感器基于电阻应变效应,即受到作用力时,会引起弹性梁的微小变形,这种变形会引起贴在十字梁上的电阻应变片的电阻发生改变。……