感知自身与接触：IMU、力矩、触觉和温度

原理组成

惯性测量单元（IMU）通常包含三轴陀螺仪与三轴加速度计，有时再加磁力计。陀螺仪测角速度，加速度计测比力；静止时它会感到重力方向，运动时线加速度与重力混在一起。对角速度积分可得姿态变化，微小偏置也会随时间积累成漂移。加速度计能长期约束俯仰和横滚，动态运动时噪声较大；磁力计可提供航向参考，电机、钢结构和电流会扭曲当地磁场。实际系统用互补滤波、扩展卡尔曼滤波或优化把 IMU 与关节、视觉、足接触等信息融合。

IMU 输出可简写为：

\[\omega_m=\omega+b_g+n_g,\qquad a_m=R^T(a-g)+b_a+n_a\]

\(b\) 表示偏置，\(n\) 表示噪声。数据表中的噪声密度、角随机游走、偏置不稳定性、量程和带宽描述不同误差。高量程能承受脚落地冲击，低量程通常分辨率更好；安装点远离整机质心时，转动会产生额外切向与向心加速度。

关节力矩可通过应变式传感器、磁弹性元件、输出轴变形、串联弹簧挠度或电机电流估计。应变片粘在弹性体上组成惠斯通电桥，把微小应变变成电压；六维力/力矩传感器通过多组应变信号解耦三向力与三向力矩。若串联弹簧刚度为 \(k_s\)，两端角差为 \(\Delta\theta\)，力矩可近似为 \(\tau=k_s\Delta\theta\)。弹簧提高接触柔顺与测量信噪比，也降低机械带宽并增加行程。

足底或指尖压力阵列测接触分布。压阻、电容、压电与光学触觉各有特性：压阻结构简单且会迟滞、漂移；电容可测微小形变，对寄生电容与水汽敏感；压电对动态变化灵敏，难测静态恒力；光学触觉让软胶表面变形成图像，可获得纹理、接触形状与滑移线索，体积、光路、胶体磨损和计算量需要管理。触觉覆盖率往往与线束、通道数、耐磨和可更换性冲突。

温度、母线电压、电流、湿度和漏液也属于本体感知。电机温度传感器离绕组热点有距离，软件热模型需要估计不可直接测得的内部温度。电流传感器既用于力矩控制，也用于过流保护与能耗估计。安全通道中的传感器应考虑开路、短路、卡死与合理性诊断，单纯“数值在范围内”不足以证明它有效。

参数与取舍

IMU 选型要看量程、噪声密度、偏置稳定性、温漂、带宽、输出数据率、抗振、时间戳和同步输入。力传感器要看量程、过载能力、分辨率、非线性、迟滞、串扰、温漂、固有频率和安装刚度。触觉看空间分辨率、采样率、法向/切向能力、最小可测力、饱和力、漂移、表皮摩擦与寿命。数据表精度一般基于规定安装和温度，整机预紧、胶层、壳体应力和电缆拉力会改变零点。

采样率要与物理事件匹配。手指缓慢抓握可在数十至数百赫兹范围观察力，碰撞与滑移可能包含更高频信号；滤波降低噪声，同时引入相位延迟。安全碰撞检测若把滤波开得太重，控制器会在接触后更晚停下。多传感器还应统一坐标方向、符号、单位和时间基准，维护一份可机器读取的标定与版本记录。

图 1　传感器输出是经过结构、电子和算法共同塑造的测量。

选型还要先问“要观测什么状态”。仅需跌倒检测时，中等噪声 IMU 可能足够；要从足端冲击中估计细微地面力，结构振动和高频量程更关键。六维力传感器量程按最大合力选得很大，日常轻触的有效分辨率会下降，可以用关节电流估计覆盖大范围、指尖小量程传感器覆盖精细接触。多量程组合提高动态范围，也需要明确饱和切换、坐标和置信度。

力传感器的额定量程要按六维组合载荷检查。轴向力未超量程时，偏心作用仍可能让弯矩通道过载；安装法兰太软会改变标定矩阵，太硬又把冲击峰直接送入弹性体。对触觉阵列，空间分辨率还受软胶厚度影响：厚胶扩大接触、保护敏感元件，邻近像素响应更容易耦合；薄胶细节清楚，耐穿刺和装配公差更紧。选型表应同时写主要观测任务、允许延迟、过载事件和可更换表皮寿命。

标定不能只做一次零点。IMU 可在恒温与温度扫描中测静止偏置，利用 Allan 方差区分不同时间尺度噪声；力传感器应按多个方向和力矩加载，拟合完整解耦矩阵，并检查卸载迟滞；触觉阵列可用已知形状、法向力和切向滑动建立空间响应图。安装到整机后还要复测，因为预紧、壳体和线束会改变传感器边界条件。

典型失效包括 IMU 安装螺钉松动导致高频振动、温漂补偿失效、力传感器过载后零点永久漂移、胶粘应变片受潮、压力阵列局部死点、触觉皮肤磨穿、传感器线缆把外力带入弹性体。检测策略可用静止自检、左右对称比较、模型残差、冗余传感器与已知载荷标定。

工程例子

双足机器人站立时，躯干 IMU 给出角速度和重力方向，足底六维力传感器给出地面反力，关节编码器给出腿形，状态估计器据此推断质心与支撑状态。若脚底力传感器存在 30 N 零偏，零力矩点会系统偏移；若 IMU 时间戳晚 10 ms，快速摆动时姿态与足力不再对应。工程团队应在同步摇摆台和已知载荷平台上联合标定，而非逐个传感器通过静态检查就结束。

整机验收还要注入饱和、断线和“卡在合理值”的故障。把 IMU 固定读数保持在正常范围，比输出明显越界更能检验合理性诊断；给足底传感器施加已知冲击，可检查过载后的零点是否恢复；对触觉表面进行污染、磨耗和替换后复标，可确认滑移阈值是否仍适用。日志要同时保留原始量、标定后量、温度、时间同步质量和融合残差，便于区分敏感元件、机械安装与估计算法问题。

深入阅读

光学触觉的工作机理可读 MIT 的 GelSight FAQ 和论文 GelSight: High-Resolution Robot Tactile Sensors for Estimating Geometry and Force；状态估计可从 MIT Underactuated Robotics 的 estimation 章节继续；具体 IMU、力/力矩传感器应以供应商关于噪声、温漂、过载和校准的原始数据表为准。