力值传感器 上海仪电实现超大力值传感器国产化

上海仪电实现超大力值传感器国产化

【来源：上海市人民政府_今日上海_行业信息】

在工业自动化生产过程中，力传感器发挥着重要作用，它可以帮助设备实现高精度、高效率的自动化控制。力标准机是力值量传的标准设备，能够确保各行业力值计量器具的准确性。开展超大力值传感器研究，构建超大力值试验能力，有助于提升我国大力值传感器领域的技术水平，不断提高行业整体基础技术和共性技术能力。

上海仪电旗下上海工业自动化仪表研究院有限公司面向工业领域超大力值测量及应用需求，于2019年承担起上海市工业强基专项“超大力值传感器和100MN力标准测力机研制及应用”项目。

验算建模，力标准机主体设备一次吊装成功。100MN力标准机装置的总重量约500吨，其中最重的结构件约80吨，四根方立柱的长度近12米，约30吨/根，需从20米高的安装孔中垂直吊装进入场地，并直接安装就位。不仅安装难度极高，而且由于结构件重量重、长度长，吊装存在较大安全风险。项目研发团队通过反复验算、建模，并结合实地测量，最终确定了安装施工方案和安全防护方案。2021年1月25日，随着四辆巨型运输车抵达自仪院松江分院，项目迎来了最为重要的建设环节——力标准机主体设备吊装。在项目研发团队、安装技术人员、安全管理人员的全力配合保障下，主体设备仅用2天就一次吊装就位，确保了安装过程的安全可控。

驻守现场，保障国际首台套设备研制进度。2021年初，在100MN标准测力机建设调试阶段，项目调试进程遇到了挑战。为保障设备研制进度，自仪院项目研发团队、安装技术人员迎难而上，连续两个月驻守现场展开了持续调试。在一次调试中，在回程卸压到3000吨时，突发液压无法正常卸载，问题非常棘手。调试人员尝试通过松动管路密封卡套螺帽，实现液压缸的卸荷。刚松开3圈时油液四射，调试人员在保障安全的前提下，浑然不顾全身淋满了液压油，当即先控制住了液压油管。最终查明原因是由于狭小的阀芯被堵塞进而导致回油不畅，问题得到了及时解决。最终，项目团队克服重重困难，顺利完成100MN标准测力机一次性满负荷加载试压试验，为项目后续落地应用争取了宝贵时间。

突破瓶颈，关键核心技术获多项国外发明专利。自仪院充分发挥转制科研院所的经验优势，项目研发团队着力攻克关键核心技术难题，陆续突破了材料研制、传统热处理工艺、传感器结构优化等多个瓶颈。其中，“精度检测方法技术”获得美国、欧盟、日本和韩国多项国际发明专利。2020年6月，新研制的金属材料试制的测力传感器性能测试结果不理想。项目团队开始通宵达旦分析讨论，终于找出问题在于采取的热处理制度不能满足传感器的要求。分析结果指明了努力方向，经过艰苦攻关，最终制成的测力传感器性能得到了大幅改善，这意味着在传感器材料和热处理工艺方面向前迈出了一大步。

自2019年开始，项目历时4年时间，成功研制70MN超大力值传感器，以及国际首台套100MN力标准测力机装置，综合技术达到国内领先、国际先进水平。从2023年起，项目研制的超大力值传感器、张力传感器及测量系统装置已经在国内钢厂几十条热轧或冷轧生产线现场进行了国产化替代应用，并走向海外市场。通过持续完善改进，产品已达到与国外同类产品的同等技术水平。

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机器人力觉控制（力源）原理及力矩传感器性能分析

机器人力控原理及其性能分析

在机器人的操作任务中，处理机器人和环境之间的物理接触是非常重要的。由于机器人系统的复杂性和不确定性，纯运动控制往往是不够的，因为即使是最精确的模型也无法完全准确地预测所有可能的情况。

当机器人在与环境互动时，接触力是一个关键因素。如果这个接触力过大或过小，都可能导致不良的后果。过大的接触力可能会导致对环境的损害，而过小的接触力则可能导致任务失败。因此，对接触力的精确控制是至关重要的。

力反馈和力控制正是为了解决这个问题而提出的。通过力反馈，机器人可以实时感知它与环境之间的接触力，并根据这些信息调整其动作以适应环境。力控制则进一步利用这些信息来主动调整机器人与环境之间的相互作用，以确保接触力始终在可接受的范围内。

此外，力反馈和力控制还可以提高机器人的鲁棒性和通用性。通过感知并响应环境的变化，机器人可以在面对不同的任务和环境条件时更加灵活地行动。这不仅有助于提高机器人的操作效率，还可以使其在面对各种挑战时更加可靠和安全。

机器人的力控原理主要基于对驱动器输出力矩的控制。在机器人与外部环境接触时，安装在机器人末端执行器上的力觉传感器会检测到机器人施加在外部环境上的力，并将这些力信号转化为电信号传输到机器人的控制系统。控制系统根据机器人的运动参数和操作要求，计算出必要的力量和运动，以实现精确的操作。

机器人力控的性能指标主要包括：

限制机器人力控性能的因素有很多，以下是一些主要的因素：

末端力控是指机器人的末端装有一个力传感器，通常是1-6维传感器。这个传感器能够检测机器人末端与外部环境接触时的相互作用力。通过测量这些力，机器人可以获取关于外部环境的信息，从而进行更精确的操作。这种力控方式通常应用在机器人与外部环境直接接触的场景，如抓取、搬运、打磨等。

关节力控是指机器人的每个关节都具备一个力/力矩传感器。这种传感器可以检测每个关节输出的力或扭矩，从而实现机器人的全局力控。通过对每个关节的精确控制，可以实现机器人在操作过程中的稳定性和精确性。这种力控方式通常应用在机器人需要精确控制每个关节输出的场合，如精密加工、装配、焊接等。

力控带宽是机器人力控性能的一个重要指标！！！

力控带宽指的是机器人在控制过程中能够处理的频率范围。带宽越高，机器人能够处理的力控任务越复杂，反应也越快。

在机器人力控中，需要将末端执行器与外部环境之间的作用力精确地控制在一定的范围内。如果机器人的力控带宽较低，那么它可能无法快速响应或处理复杂的力控任务，这就会影响到机器人操作的准确性和稳定性。

因此，提高机器人力控带宽可以增强机器人的操作性能和适应性，使机器人能够更好地应对复杂的操作环境和任务需求。

一些先进的机器人技术和控制系统已经可以实现较高的力控带宽，例如采用快速响应的传感器、先进的信号处理算法和高性能的控制器等。这些技术可以提高机器人的操作精度和响应速度，从而提升机器人在复杂环境中的表现。

需要注意的是，提高力控带宽并不是唯一提高机器人力控性能的方法。同时，还需要考虑其他因素，如传感器的精度和可靠性、控制系统的稳定性和鲁棒性、执行器的精度和刚度等。这些因素都会直接影响到机器人的操作性能和适应性。

间接力控制是通过运动控制来实现力控制，并没有明确关闭力反馈回路。在这种方法中，机器人通过控制其运动轨迹和姿态来间接地控制与外部环境之间的接触力。这种控制策略通常基于机器人的动力学模型，通过优化运动轨迹和姿态来使接触力达到期望值。然而，由于接触力并没有直接测量和反馈，因此这种方法可能存在一定的误差和不确定性。

直接力控制则提供了将接触力和力矩通过力反馈回路的闭合控制到期望值的可能性。在这种方法中，机器人在与外部环境接触的部分安装有力和力矩传感器，可以实时感知和测量接触力和力矩。这些传感器将测量值反馈到控制系统中，控制系统根据这些反馈值调整机器人的动作和姿态，以使接触力和力矩达到期望值。由于接触力和力矩得到了直接测量和反馈，这种方法可以更加精确地控制机器人与外部环境之间的相互作用。

引入高度柔顺的力传感元件可以改善机器人的力控制性能。通过降低力传感器的刚度，可以减小外部环境对机器人操作的影响，提高机器人的稳定性和可靠性。

此外，高度柔顺的力传感元件还可以提高机器人在操作过程中的安全性。在人机交互中，机器人的操作需要精确的力控制，以避免对人类造成伤害。使用高度柔顺的力传感元件可以增加机器人的感知能力，使其更好地适应不同的操作环境和任务需求，提高机器人在人机交互中的安全性和可靠性。

通过降低力传感器的刚度，可以增加机器人的柔性和适应性，这有助于提高机器人的响应速度和鲁棒性。

首先，降低力传感器的刚度可以使机器人对外界环境的变化更加敏感。这意味着机器人可以更好地感知和理解外部环境的变化，从而更好地适应不同的操作环境和任务需求。这种更高的感知能力可以使机器人在面对不同的操作挑战时更加灵活和稳健。

其次，降低力传感器的刚度可以减小机器人的惯性和阻力，使其更容易受到控制和调节。这对于机器人的力控制和运动控制来说是非常重要的。惯性的减小可以使机器人的反应更加迅速和准确，从而提高了机器人的操作精度和响应速度。

此外，降低力传感器的刚度还可以增加机器人的阻抗带宽。阻抗带宽是指机器人能够承受的阻抗范围，包括力和扭矩等。带宽的增加可以使机器人在面对不同的操作挑战时更加稳定和可靠，从而降低了操作难度和风险。

力控机器人关键技术之一就是受限于力矩传感器的性能！！！

机器人力矩传感器原理：

在扭矩传感器中，通常会使用一种称为应变片的元件来检测弹性变形。

应变片是一种电阻应变敏感元件，它的电阻值会随着所受应力的大小而改变。当内外圈相对受扭力时，传感器会发生弹性变形，这个变形会被应变片感知并转换为电阻变化。

这个电阻变化可以通过一个电桥电路转换为电压信号。电桥电路的两端接收到应变片产生的电阻变化，当桥路平衡时，没有电压输出；但当桥路不平衡时，会产生一个电压差，这个电压差就是应变片电阻变化的直接输出。

最后，这个电压信号就可以通过电缆或无线方式传输给其他设备，例如控制单元或数据采集器，以进一步处理或显示。

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