机器人运动控制 | 开发基于应变的三分量传感器

摘要:

随着负重行走机器人领域的迅猛发展，迫切需要设计出获取关键反馈的低成本、高精度三维力传感器。本研究团队在汉萨工程师（HBK）的直接支持下，开发出一种基于应变的三维力传感器，旨在为达姆施塔特工业大学的合成仿真机器人项目提供先进的足部感应解决方案，赋能其运动控制能力。

系统架构：

设计的三维力传感器包括三个应变全桥电桥，用于精确测量x、y和z轴方向的力。z轴方向的测量采用4个应变片KTA11K3/350安装在弹性薄片内部，利用双组分冷固化胶进行粘贴。对于x、y轴方向的测量，则利用8个背胶应变片KLU13K1.6/350在外部紧密贴合于弹性体表面。这些精准的电桥结构布局，在ANSYS Workbench 19.1软件支持下对应变定位进行优化，确保了传感器在指定方向上的高灵敏度特性，即最小的电阻变化。




产品原型：

为了验证传感器的性能，本研究团队制造并评估了产品原型。原型设计时，关键指标在于确保在每个轴上的力加载都能精确测量。通过校准装置，模拟了实际工作场景中的x、y和z轴高、中、低负载状态，共计三个力的校准。试验结果显示，传感器对x、y和z轴方向力的测量精度均显著提升，为后续优化提供了坚实的基础数据。

数据解析：

设备的校准性能在图表中以直观的方式呈现出来。校准曲线与预期力值的比较，显示为逐个轴分别进行的测量过程，包括Fx、Fy和Fz轴向力的校准情况，佐以颜色编码以直观标注数据。绝对平均误差和相对平均误差的计算，突出了传感器在实际应用中的优缺点，为后续研究提供了改进方向。

结论：

达姆施塔特工业大学的三维力传感器，从设计、制造到校准验证，展示了在成本效益与精准度上的创新突破。然而，初始验证阶段的结果也揭示了进一步优化的必要性。基于此次项目下试验成功的传感系统，团队将继续开发，以求在接下来的项目中进一步减少绝对平均误差和相对平均误差，臻于完美。

通过这一系列的研发历程与验证实践，本团队不仅成功拓展了负重行走机器人技术的前沿，也为未来合成机器人系统提供了一个可信赖且经济高效的三维力传感器技术平台。