【插播】液压足式机器人常用的四种传感器

液压足式机器人的控制离不开各种各样的传感器，不论是位控还是力控，都离不开反馈信号。传感器让我们对那些“蚍蜉撼大树”、“缚鸡之力”、“力能扛鼎”等诸多词语有了定量的认知。

液压机器人常用的四种传感器：位移、拉压力、角度、流体压力。下文将逐一展开介绍：

LVDT传感器（Linear Variable Differential Transformer），线性可变差动变压器，可以将直线机械位移量转换成电信号，是液压控制系统中应用最为广泛的传感器之一。

LVDT传感器由铁芯、骨架、激磁绕组、输出绕组、连杆、挡板、外壳等部分组成。在一次线圈受到恰当频率的电压激励的时候，按照变压器的工作原理，两个二次线圈中便会有感应电动势产生。假设在工艺上确定变压器的结构是完全对称的，那么在铁芯位于初始平衡位置的时候，两个二次线圈的互感系数能够相等即此时差动变压器的输出电压等于零。当铁芯位置移动时，两个输出线圈采用反向串联时的输出电压与铁芯位移成线性关系。

足式机器人液压缸上安装2个安装支座，固定LVDT传感器，为了防止铁芯杆因侧向力损坏，常设置辅助的导杆进行保护，如下图。

不同原理的位移传感器如下图，部分数据可能存在不准确的情况，如深圳力驰传感公司的LIR1O LVDT传感器可做到直径9.5mm，线性误差可以达到0.05%，万分之五，50mm量程重量27.0g。

液压足式机器人的执行器输出力通常采用拉压力传感器进行测量，通过其将活塞杆连接起来（类似联轴器），从而测量液压缸往复运动时的输出力。常见的型式有应变式、压阻式、电容式、压电式、振频式压力传感器等。此外还有光电式、光纤式、超声式压力传感器等。基于应变片的拉压力传感器的使用较多，当应变片受外力作用伸长时，长度增加，截面积减少，电阻值增大；反之电阻减小。测出电阻两端的电压变化，即可获得受力。足式机器人的测量范围一般在5kN左右，精度为满量程的千分之五，形式一般为一端出轴、一端孔，包络尺寸为φ20*20左右。如图是我们定制的压力传感器和HyQ使用的拉压力传感器。

重70克，量程13kN

量程5kN

角度编码器顾名思义用来测量角度，因液压足式机器人常采用直线缸+连杆的方式，角度编码器常安装在关节转轴处。部分角度编码器的测量原理和位移传感器类似，均是将角度变化量转变电信号，如电阻、电容、电压等。以HyQ为例，机器人的每个关节装了2种角度编码器，一种是绝对式，分辨率是0.0879；一种是相对式，分辨率是0.0045，包络尺寸 φ17*24，如下图所示。绝对式编码器可以在通电后机器人立即初始化当前的关节配置，简单快捷。而相对式编码器可以高分辨位置，用于实际控制。安装形式上有实心轴型盲孔型等。输出信号：0-10V、4-20mA等。

左边：相对式                    右边：绝对式

盲孔型

流体压力传感器作为液压控制系统重要的测量元件，大型的工程机械厂商每年都要消耗数十万支压力传感器，液压足式机器人亦如此，除可用来监控系统的压力变化外，也可以用在液压缸/摆动缸的两腔，解析出液压缸的输出力。

流体压力传感器一般由2部分组成，一个是压力敏感元件，获取最原始的压力信息，一般是毫伏级的电压信号；一个是调理电路，包含有放大算法、线性补偿、温度补偿等，从而调理成标准的信号输出。

其中压敏元件的基底材料多样，有硅、陶瓷、金属、蓝宝石等，材料类型很大程度决定了它的使用场合，不同类型的比较如下图：

考虑到基于金属基底的压力传感器具有高稳定、高可靠、宽温域的特点，采用金属溅射薄膜原理蚀刻出具有出色电阻特征和均匀性的电路，结构简单、高度精度、外形紧凑，为机器人领域开发的成品样机如图：

机器人用小型化压力传感器

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