东南大学宋爱国教授团队研发新型六维力/力矩传感器，集成全向过载保护结构

六维力/力矩传感器可同时检测三维空间中的力和力矩分量，为复杂系统提供全面的力信息，广泛应用于航空航天、人机交互、仿生机器人、生物力学及医疗等领域。在机器人交互过程中，意外碰撞或外力冲击十分常见，若缺乏过载保护，六维力/力矩传感器很容易受损，从而导致控制任务失败。因此，六维力/力矩传感器需配备全向机械过载保护结构，以提升其可靠性。

针对当前过载保护结构存在的非全向保护、安装精度难以保证、缺乏物理验证等问题，东南大学宋爱国教授团队设计并开发了一种基于十字梁结构、集成全向过载保护结构的新型六维力/力矩传感器。该传感器在保持高灵敏度的同时，具备优异的过载保护能力。相关研究成果以“A Novel Six-Axis Force/Torque Sensor With Integrated Omnidirectional Overload Protection Mechanism”为题发表在IEEE/ASME Transactions on Mechatronics期刊上。

图1 集成全向过载保护结构的六维力/力矩传感器

这项研究提出的集成式全向过载保护六维力/力矩传感器，力测量范围（Fx, Fy, Fz）为± 80 N，力矩测量范围（Mx, My, Mz）为± 4 Nm，并具备至少10倍的过载保护能力。该传感器在± 800 N的力和± 40 Nm的力矩作用下不会发生塑性变形，过载后仍保持较高测量精度。传感器弹性体采用TC4钛合金加工，其余部件采用2A12铝合金，在减轻整体重量的同时有效控制了成本。

研究人员采用序列二次规划（SQP）算法对传感器弹性体简化静态模型进行优化设计，以最大化传感器灵敏度，同时将与过载保护结构相关的尺寸约束纳入优化过程。该过载保护结构通过圆弧限位限制力（Fx、Fy）及力矩（Mz），通过矩形限位结构限制力（Fz）及力矩（Mx、My）。

图2 六维力/力矩传感器的弹性体结构

图3 六维力/力矩传感器的过载保护结构：（a）尺寸图（比例1:1）；（b）圆弧限位与矩形限位结构

图4 实物照片：（a）弹性体实物；（b）六维力/力矩传感器实物

研究人员首先通过有限元法（FEM）验证了该六维力/力矩传感器的可行性，随后进行静态标定实验并对标定数据进行解耦。实验结果表明，传感器线性精度可达1%，耦合误差低于3%。最后，通过过载保护实验验证了该传感器具备至少10倍的过载保护能力，该保护结构设计灵活，可适用于多种测量系统。

图5 六维力/力矩传感器精度测试数据误差曲线

图6 六维力/力矩传感器过载保护实验：（a）Fx、Fy、Fz力加载；（b）Mx、My、Mz力矩加载

综上所述，这项研究基于经典十字梁结构，设计了一种集成全向过载保护结构的新型六维力/力矩传感器，并验证了其在机器人与环境交互过程中的可靠性与鲁棒性。这一成果对提升实际应用中机器人的性能与稳定性、保障人机协作的安全性与可靠性具有重要意义，在手术机器人、航空航天及汽车工业等领域具有广阔应用前景。此外，该保护结构也可适配于其它类型的应变式弹性体，具备良好的通用性与扩展性，为高可靠性机器人交互提供了关键技术支撑。