作者 | 陽誠投研團(tuán)隊(duì)

一、引言

今年11月，特斯拉機(jī)器人官號發(fā)布視頻顯示，Optimus機(jī)器人已實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定接住拋來的網(wǎng)球并流暢放下的動作，手部協(xié)調(diào)性幾乎媲美人類。今年12月，華為全球具身智能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心宣布啟動運(yùn)營，同時(shí)與多家機(jī)器人企業(yè)簽署戰(zhàn)略合作備忘錄。這些行業(yè)大事件不僅彰顯了人形機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)突破和廣闊的市場潛力，也為多維力傳感器的快速發(fā)展鋪平了道路，作為機(jī)器人感知的核心器件，多維力傳感器正迎來市場規(guī)模擴(kuò)張的黃金時(shí)期。

二、 技術(shù)介紹

（一）力傳感器的原理和實(shí)現(xiàn)

力學(xué)傳感器作為力的測量儀器，其核心原理是將力作用下的形變轉(zhuǎn)換成電信號，進(jìn)而檢測張力、拉力、壓力、重量、扭矩、內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變等力學(xué)量。本文將力或力矩、力覺傳感器統(tǒng)稱為力傳感器。

力傳感器主要包括本體單元和應(yīng)變/形變檢測系統(tǒng)兩大部分，由力敏元件、轉(zhuǎn)換元件和信號處理單元等具體元件組成。當(dāng)有力作用時(shí)，力施加于傳感器本體單元上，并引起本體單元的應(yīng)變或形變，檢測系統(tǒng)可感知本體的應(yīng)變或形變，通過電路將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電壓，繼而通過測量電壓值來表征力的大小，并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號，最終實(shí)現(xiàn)力的測量。

資料來源：《于人共融機(jī)器人的關(guān)節(jié)力矩測量技術(shù)》，陽誠整理

圖1：力傳感器基本工作原理

（二）力傳感器的分類

根據(jù)所測力的維數(shù)不同，常見的力傳感器包括一維力傳感器、三維力傳感器和六維力傳感器。

資料來源：坤維科技官方公眾號，陽誠整理

圖2：常見的力傳感器類型

由于六維力傳感器能夠同時(shí)測量物體在三個(gè)空間方向和三個(gè)旋轉(zhuǎn)方向上的力與力矩，適用于力作用點(diǎn)隨機(jī)并對測量精度要求較高的場景。這一特性對于機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈和其他智能裝配來說非常重要，因此工信部將六維力傳感器納入重點(diǎn)發(fā)展的核心零部件范疇。

（三）六維力傳感器的優(yōu)勢和技術(shù)難點(diǎn)

1 、優(yōu)勢

（1）高精度和全面感知

相較于其他維度傳感器，六維力傳感器能測量作用點(diǎn)隨機(jī)的力，并提供更全面且更多維度的力/力矩?cái)?shù)據(jù)。同時(shí)，六維力傳感器能通過高精度的聯(lián)合加載標(biāo)定，獲得強(qiáng)大的非線性擬合能力，其內(nèi)部算法會解耦各方向力和力矩間的干擾，進(jìn)而增加測量的準(zhǔn)確性。高精度的六維力傳感器耦合誤差可以實(shí)現(xiàn)不超過0.5%的標(biāo)準(zhǔn)，哪怕常規(guī)產(chǎn)品也可以將誤差控制在2%-5%的范圍內(nèi)；然而，如果使用多個(gè)一維力傳感器組合解耦，則會造成一般的耦合誤差達(dá)到20%以上，將嚴(yán)重影響測量精度。

（2）結(jié)構(gòu)緊湊，適應(yīng)狹窄空間

由于六維力傳感器體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，因此一個(gè)六維力傳感器所需的空間會小于六個(gè)一維力傳感器。小體積的六維力傳感器可適配機(jī)器人關(guān)節(jié)等狹小空間，從而降低機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度。

（3）協(xié)調(diào)同步

使用多個(gè)一維力傳感器可能會出現(xiàn)傳感器間信號不同步的問題，而六維力傳感器可同時(shí)計(jì)算出三個(gè)方向的力和力矩的特點(diǎn)能夠很好的解決這一問題，因此有效提高了同步性。

2、技術(shù)難點(diǎn)

（1）解耦算法的復(fù)雜性

建立電信號與待測力、力矩間的正確映射對解耦算法的要求很高。不僅如此，不同維度的力傳感器的解耦算法由于受到維間相互作用的影響也有著本質(zhì)的不同。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料使用