力传感器原理 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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力传感器——高价值量零部件，人形拉动广阔需求空间 投研报告

中邮证券近日发布机械设备深度报告：力传感器——高价值量零部件，人形拉动广阔需求空间。

以下为研究报告摘要：

力传感器在人形机器人领域具备巨大增量应用空间。以特斯拉Optimus为例，力传感器能助力人形机器人实现触觉感知及精准操作多维力传感器在人形机器人领域中主要作用有三方面：力控制、平衡稳定控制、安全防护控制。人形机器人上会组合使用各类力传感器以满足不同的控制需求。其中少部分位置已经开始使用六维力传感器，它们在不同部位的安装可以显著提升机器人的操作性能和稳定性。预测2027E/2030E人形机器人产量突破20.27/122.36万台时，人形机器人领域带来力传感器的增量市场规模为141.70/560.81亿元。

力传感器结构特点、行业及市场格局解析。力传感器是一种检测和度量力/力矩的装置，由力敏元件、转换元件和信号处理单元等具体元件组成，按照测量维度的不同，可以分为一维至六维力传感器，最常见的是一维、三维和六维。根据测量原理不同，可以分为光电式应变式、电容式、压电式等类型，应变式为主流。力传感器产业链上游主要为材料类、元器件及组件类、生产或检测设备等细分行业，中游主要为力传感器的加工制造和封装检测，下游应用领域广泛，可应用于工业、消费电子、汽车电子、机器人、医疗、航空航天等领域。目前六维力/力矩传感器市场基数依然偏小，尚未形成明显规模效应从价值量较高的六维力矩传感器市场来看，国外老牌厂商众多，但受益于机器人市场需求催化，中国市场近年来入局者也在逐年增加，国产厂商正逐步追赶。

六维力传感器的核心技术壁垒在于对精度、准度及串扰性能的提升，未来降本空间大。六维力传感器不光形态多，研发难度也非常大其主要性能参数包括：量程、过载能力、分辨率、重复精度、串扰、准度等，其中体现六维力/力矩传感器综合性能的关键指标是串扰、精度和准度。降低多维力传感器耦合误差的策略大体上可分为结构性解耦和算法性解耦。为了能够达到更高的精度和准度，需要在传感器标定和检测过程中采用六维联合加载的方式，然而六维联合加载设备需自行研制，技术门槛较高。另外，六维力传感器还存在全方位机械过载保护、温度漂移和稳定性控制、多通道信号及实时数据处理和传感器融合等技术壁垒。六维力传感器单价较高，其成本中应变片、人工成本占比较高，未来有望随着市场基数扩大从而有效降本。

产业链相关标的：坤维科技、宇立仪器、鑫精诚传感器、柯力传感、昊志机电、安培龙

风险提示：

人形机器人规模化不及预期风险；六维力传感器技术路径变化风险；产品降价程度不达预期风险。（中邮证券 刘卓,傅昌鑫）

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