六維力/力矩傳感器可同時檢測三維空間中的力和力矩分量，為復(fù)雜系統(tǒng)提供全面的力信息，廣泛應(yīng)用于航空航天、人機(jī)交互、仿生機(jī)器人、生物力學(xué)及醫(yī)療等領(lǐng)域。在機(jī)器人交互過程中，意外碰撞或外力沖擊十分常見，若缺乏過載保護(hù)，六維力/力矩傳感器很容易受損，從而導(dǎo)致控制任務(wù)失敗。因此，六維力/力矩傳感器需配備全向機(jī)械過載保護(hù)結(jié)構(gòu)，以提升其可靠性。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，針對當(dāng)前過載保護(hù)結(jié)構(gòu)存在的非全向保護(hù)、安裝精度難以保證、缺乏物理驗證等問題，東南大學(xué)宋愛國教授團(tuán)隊設(shè)計并開發(fā)了一種基于十字梁結(jié)構(gòu)、集成全向過載保護(hù)結(jié)構(gòu)的新型六維力/力矩傳感器。該傳感器在保持高靈敏度的同時，具備優(yōu)異的過載保護(hù)能力。相關(guān)研究成果以“A Novel Six-Axis Force/Torque Sensor With Integrated Omnidirectional Overload Protection Mechanism”為題發(fā)表在IEEE/ASME Transactions on Mechatronics期刊上。
圖1 集成全向過載保護(hù)結(jié)構(gòu)的六維力/力矩傳感器
這項研究提出的集成式全向過載保護(hù)六維力/力矩傳感器，力測量范圍（Fx, Fy, Fz）為± 80 N，力矩測量范圍（Mx, My, Mz）為± 4 Nm，并具備至少10倍的過載保護(hù)能力。該傳感器在± 800 N的力和± 40 Nm的力矩作用下不會發(fā)生塑性變形，過載后仍保持較高測量精度。傳感器彈性體采用TC4鈦合金加工，其余部件采用2A12鋁合金，在減輕整體重量的同時有效控制了成本。
研究人員采用序列二次規(guī)劃（SQP）算法對傳感器彈性體簡化靜態(tài)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以最大化傳感器靈敏度，同時將與過載保護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)的尺寸約束納入優(yōu)化過程。該過載保護(hù)結(jié)構(gòu)通過圓弧限位限制力（Fx、Fy）及力矩（Mz），通過矩形限位結(jié)構(gòu)限制力（Fz）及力矩（Mx、My）。
圖2 六維力/力矩傳感器的彈性體結(jié)構(gòu)
圖3 六維力/力矩傳感器的過載保護(hù)結(jié)構(gòu)：（a）尺寸圖（比例1:1）；（b）圓弧限位與矩形限位結(jié)構(gòu)
圖4 實物照片：（a）彈性體實物；（b）六維力/力矩傳感器實物
研究人員首先通過有限元法（FEM）驗證了該六維力/力矩傳感器的可行性，隨后進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定實驗并對標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行解耦。實驗結(jié)果表明，傳感器線性精度可達(dá)1%，耦合誤差低于3%。最后，通過過載保護(hù)實驗驗證了該傳感器具備至少10倍的過載保護(hù)能力，該保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活，可適用于多種測量系統(tǒng)。
圖5 六維力/力矩傳感器精度測試數(shù)據(jù)誤差曲線
圖6 六維力/力矩傳感器過載保護(hù)實驗：（a）Fx、Fy、Fz力加載；（b）Mx、My、Mz力矩加載
綜上所述，這項研究基于經(jīng)典十字梁結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種集成全向過載保護(hù)結(jié)構(gòu)的新型六維力/力矩傳感器，并驗證了其在機(jī)器人與環(huán)境交互過程中的可靠性與魯棒性。這一成果對提升實際應(yīng)用中機(jī)器人的性能與穩(wěn)定性、保障人機(jī)協(xié)作的安全性與可靠性具有重要意義，在手術(shù)機(jī)器人、航空航天及汽車工業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。此外，該保護(hù)結(jié)構(gòu)也可適配于其它類型的應(yīng)變式彈性體，具備良好的通用性與擴(kuò)展性，為高可靠性機(jī)器人交互提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
論文信息：
DOI: 10.1109/TMECH.2025.3589084
