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浙江大學(xué)觸覺(jué)感知與微制造實(shí)驗(yàn)室金杰博士生提出了一種基于新型三維力重構(gòu)方法的集中式柔性力傳感器，提高用于機(jī)器人觸覺(jué)檢測(cè)的傳感性能。此傳感技術(shù)可用于任意力分量的檢測(cè)，并具有較高的切向角檢測(cè)分辨率。

集中式柔性力傳感器的分層結(jié)構(gòu)

傳感器單元直徑10 mm，主要由4層結(jié)構(gòu)組成，即：頂部凸臺(tái)、頂部功能層、中間圓形支撐和底部功能層。頂部凸臺(tái)用于傳導(dǎo)外部力；頂部功能層中間為上電容極板，周?chē)鸀橐粋€(gè)帶缺口的環(huán)形電阻，二者均由電極線引出；中間圓形支撐用于傳導(dǎo)外部力并產(chǎn)生相應(yīng)運(yùn)動(dòng)；底部功能層主要包含中間的一個(gè)凸臺(tái)電極。其中，底部功能層的凸臺(tái)電極首先與頂部功能層中間的電容極板構(gòu)成平行板電容，也可以與頂部功能層外圍的環(huán)形電阻構(gòu)成一個(gè)初始斷開(kāi)的電阻電路。

集中式柔性力傳感器的主要工作原理

任意三維力都可以分解為一個(gè)法向力和一個(gè)切向力，其中切向力又可以用大小和方向角兩個(gè)量來(lái)表示。當(dāng)傳感器受到法向力作用時(shí)，平行板電容極板間距減小，測(cè)得的電容值增大。當(dāng)傳感器受到切向力作用時(shí)，環(huán)形電阻與凸臺(tái)電極相接觸而構(gòu)成電阻電路，由于環(huán)形電阻的阻值隨長(zhǎng)度增加而增大，測(cè)得的初始電阻值隨切向角的變化而變化。隨著切向力的進(jìn)一步增大，二者接觸線長(zhǎng)度增大，接入電路的有效線性阻值減小、接觸電阻減小，其減小量與切向力大小密切相關(guān)。因此，傳感器可以通過(guò)電容值表征法向力，并通過(guò)電阻值及其變化量同時(shí)表征切向力大小及方向，實(shí)現(xiàn)三維力檢測(cè)。

總的來(lái)說(shuō)，此研究提出一種新的三維力重構(gòu)方法，并通過(guò)一種集中式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)三維力的準(zhǔn)確檢測(cè)，簡(jiǎn)化了三維力傳感器的結(jié)構(gòu)和檢測(cè)電路，在機(jī)器人手操作中具有一定的應(yīng)用前景。但也不能否認(rèn)，傳感器在切向力檢測(cè)，尤其是切向力范圍性能檢測(cè)上具有一定的提升空間，關(guān)于該傳感器的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)在未來(lái)有待進(jìn)一步研究。

相關(guān)文獻(xiàn)

相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Intelligent Systems期刊上，題為“A Novel Flexible Centralized Force Sensor Based on Tri-Axis Force Refactoring Method for Arbitrary Force Components Measurement”。論文地址https://doi.org/10.1002/aisy.202300213。

該論文研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、高校基礎(chǔ)研究基金、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。