六维力和扭矩传感器帮助机器人感受和触觉

扭矩传感器，又称力矩传感器、扭力传感器、转矩传感器、扭矩仪，分为动态和静态两大类，其中动态扭矩传感器又可叫做转矩传感器、转矩转速传感器、非接触扭矩传感器、旋转扭矩传感器等。 扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测。扭矩传感器将扭力的物理变化转换成精确的电信号。扭矩传感器可以应用在制造粘度计，电动(气动，液力)扭力扳手，它具有精度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。

作为现代生活不可或缺的一部分，传感器现在几乎无处不在。他们测量来自环境的物理输入并将其转换为人类或机器可以解释的数据。中国科学院合肥物质科学研究院的研究团队开发了一种新型六维力/扭矩传感器。

通常所说的转矩是外力矩，如机床主轴旋转是动力源提供的外力矩作用的结果，而扭矩是内力矩，主轴工作时，刀具切削力对主轴的反作用使之产生扭转弹性变形，可用其衡量扭矩的大小。

扭矩是使物体发生转动效应或扭转变形的力矩，等于力和力臂的乘积。扭矩是在旋转动力系统中最频繁涉及到的参数，为了检测旋转扭矩，使用较多的是扭转角相位差式传感器。该传感器是在弹性轴的两端安装着两组齿数、形状及安装角度完全相同的齿轮，在齿轮的外侧各安装着一只接近(磁或光)传感器。当弹性轴旋转时，这两组传感器就可以测量出两组脉冲波，比较这两组脉冲波的前后沿的相位差就可以计算出弹性轴所承受的扭矩量。该方法的优点：实现了转矩信号的非接触传递，检测信号为数字信号;缺点：体积较大，不易安装，低转速时由于脉冲波的前后沿较缓不易比较，因此低速性能不理想。

扭矩测试比较成熟的检测手段为应变电测技术，它具有精度高、频响快、可靠性好、寿命长等优点。 将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并组成应变桥，若向应变桥提供工作电源即可测试该弹性轴受扭的电信号。这就是基本的扭矩传感器模式。但是在旋转动力传递系统中，最棘手的问题是旋转体上的应变桥的桥压输入及检测到的应变信号输出如何可靠地在旋转部分与静止部分之间传递，通常的做法是用导电滑环来完成。 由于导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损并发热，因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命。并且由于接触不可靠引起信号波动，从而造成测量误差大甚至测量不成功。为了克服导电滑环的缺陷，

另一个办法就是采用无线电遥测的方法 ：将扭矩应变信号在旋转轴上放大并进行V/F转换成频率信号，通过载波调制用无线电发射的方法从旋转轴上发射至轴外，再用无线电接收的方法，就可以得到旋转轴受扭的信号。 旋转轴上的能源供应是固定在旋转轴上的电池。该方法即为遥测扭矩仪。

“我们在这个领域的研究已经过去了三十多年，”团队负责人孙玉祥教授说，“现在我们的传感器已经应用于许多领域，包括深海和航空航天。”

传感器由机械结构和信号处理模块组成。信号处理模块实现模拟信号处理、数字信号处理和信号传输功能。该团队的研究重点是弹性体的结构和信号处理方法。

弹性体结构是多维力传感器的核心部分。它的形式影响传感器的灵敏度、动态性能和尺寸耦合。信号处理方法包括数字滤波、温漂补偿、容错处理等，对提高传感器的信噪比，保证测量的准确性和稳定性具有重要意义。

该传感器可用于智能机器人的实时力反馈控制和力学性能测试。它允许机器人同时检测周围的力和力矩信息。采用具有自主知识产权的双E型膜结构，实现了敏感单元、信号调理模块、SoC和通信模块的集成。在传感器的帮助下，机器人可以感觉和触摸。

该团队能够提供具有高精度和卓越稳定性的定制传感器设计。“我们可以以合理的价格满足消费者对定制产品的需求，”孙说。

至此，他们已经通过了50兆帕的压力测试，下一步将进行4500米深海的测试。