目前国内外对三维力传感器的研究主要集中在机器人技术上。三维力传感器按测力原理可分为电阻应变式、电容式、压电式和光电式；按弹性体结构可以分为直接输出型和间接输出型，但设计原理及加工工艺都较为复杂。弹性体结构主要采用梁式结构［127］、筒式结构［128］、框架式结构［129］等。虽然这些结构都能够实现三维力检测，但是在结构设计、计算原理及制造方面都较为复杂，主要表现在结构上不够紧凑，很难用于微小型的机器人三维力检测及腿部结构一体化小型设计。因此需要设计一款新型小型三维力传感器。

该三维力传感器设计的目的在于提供一种具有质量小、体积小、解耦性强、结构简单等特点的三维力传感器。三维力传感器可用于微小型腿式机器人腿部三维接触力检测，也可以作为微小型腿式机器人腿部结构的组成部分。

图6.1　三维力传感器

1—弹性体；A，B，C，D—弹性体4个侧面；Lx，Ly，Lz—弹性体长、宽、高；Fx，Fy，Fz—所测三维力；SA，SB，SC，SD—各个面的切割槽空隙尺寸；E—顶面

该三维力传感器包括传感器主体和应变片，如图6.1所示，其特征在于传感器主体为长方体结构、四棱台结构或平行六面体结构；在传感器主体上沿竖直方向依次等间距排列4n个水平切割槽（n为自然数），该水平切割槽即沿传感器主体的一个侧面水平切入并不完全使传感器主体切断，设自上而下分别为第一个水平切割槽至第4n个水平切割槽；上述第一个水平切割槽至第4n个水平切割槽的槽口切入面所对应的传感器主体侧面按顺时针或逆时针方式循环排列；上述所有水平切割槽竖直宽度均相等，所有水平切割槽根部与对应的未切断侧面间距相等或不相等；上述第一个水平切割槽至第4n个水平切割槽的连续4个水平切割槽构成一个切割单元，共形成n个切割槽单元；所述的应变片为4个相同的应变片，分别贴于长方体结构的四个侧面，每个应变片与相应的电阻构成独立的单臂电桥电路。

该三维力传感器的工作原理为：当受力面中心点受到三维力时，在三维力的作用下，贴有4个应变片的侧面发生变形，导致所述4个应变片的长度发生变化，最终引起每个应变片的电阻值发生变化，通过上述的由4个侧面组建的相互独立的单臂电桥电路，可检测长方体结构在受力变形条件下各个单臂电桥的输出电压，通过输出的电压值及采用相关的解耦算法得到三维力大小与方向。(www.daowen.com)

该三维力传感器的切割槽宽度大小和切割槽底端与对应侧面间距大小对传感器的性能起到决定性影响。切割槽宽度大小的选择主要考虑在传感器受力状况下长方体结构、四棱台结构或平行六面体结构变形时能够满足应变片变形在允许的工作范围要求内，同时要考虑在传感器过载时起到过载保护作用，在其他尺寸及结构相同的情况下，切割槽的宽度越大，应变片受力的变形量越大，过载保护效果越差；切割槽底端与对应侧面间距大小的选择主要考虑传感器三维各向力的量程范围及相互关系，通过调整切割槽底端与对应侧面间距实现传感器三维各向力的不同量程范围的调整，其他尺寸及结构相同的情况下切割槽底端与对应侧面间距越大，传感器量程越大。

该三维力传感器与现有相关技术相比有如下优点：

（1）该传感器可以实现微小型腿式机器人腿部三维力检测。

（2）该传感器结构简单、工作原理清晰、加工方便、经济可行。

（3）该传感器体积小、质量小、解耦性强，满足微小型机器人腿部结构设计要求，能为微小型腿式机器人自主力反馈控制提供必要的设备保障。

该三维力传感器可实现三维力感知的微小型腿式机器人三维力检测及腿部结构一体化小型设计。