六維力傳感器——人形機(jī)器人的力覺

導(dǎo)讀：六維力傳感器可同時(shí)測(cè)量3個(gè)力分量和3個(gè)力矩分量，是最完整的多維力傳感器形式；而人形機(jī)器人主要由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、線性關(guān)節(jié)、控制與感知系統(tǒng)、靈巧手以及其他組成，因此將六維力傳感器安裝在人形機(jī)器人的手腕、腳踝和靈巧手等部位，是目前的六維力傳感器在人形機(jī)器人上的應(yīng)用趨勢(shì)。

6月14日召開的特斯拉2024股東大會(huì)上，特斯拉CEO馬斯克表示，人形機(jī)器人將成為工業(yè)主力，特斯拉工廠預(yù)計(jì)在明年部署超過一千個(gè)，甚至數(shù)千個(gè)人形機(jī)器人。

就在不久之前，特斯拉展示的第二代人形機(jī)器人Optimus已經(jīng)采用六維力傳感器用于手腕和腳踝的力控。通過六維力傳感器，Optimus能夠精確感知和調(diào)整與環(huán)境的交互力，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)的自主操作，如搬運(yùn)物品、裝配零件等。六維力傳感器的高精度和快速響應(yīng)使Optimus在工廠和服務(wù)環(huán)境中表現(xiàn)出色，顯著提高了任務(wù)的完成質(zhì)量和效率。

人形機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造目的是為了與人工工具和環(huán)境進(jìn)行交互，從而輔助甚至替代人類的生產(chǎn)生活。在工業(yè)領(lǐng)域，人形機(jī)器人可以在裝配線、倉(cāng)儲(chǔ)管理、精細(xì)操作等方面替代人類，提高生產(chǎn)效率，降低人力成本；在家庭服務(wù)、醫(yī)療康復(fù)和公共服務(wù)等領(lǐng)域，人形機(jī)器人可以幫助人類完成日常任務(wù)，提高生活質(zhì)量；而實(shí)現(xiàn)/提升柔順控制，對(duì)人形機(jī)器人對(duì)于復(fù)雜地形的通過能力、人機(jī)柔順交互能力的提升非常重要。

而基于力反饋的柔順控制就是從力傳感器取得控制信號(hào)，用此信號(hào)去控制機(jī)器人，使之響應(yīng)這個(gè)變化而動(dòng)作。

六維力傳感器是一種特殊的力覺傳感器，可以測(cè)量物體在笛卡爾坐標(biāo)系下三個(gè)軸向的力和力矩，是目前最完整的多維力傳感器形式；其為機(jī)器人提供了類似于人類觸覺的功能，使得機(jī)器人能夠感知和適應(yīng)外部環(huán)境的變化，從而完成更加復(fù)雜和精細(xì)的任務(wù)，是機(jī)器人柔順控制和操作的核心部件。

六維力傳感器通?；趹?yīng)變效應(yīng)工作，即通過彈性體上的應(yīng)變片來檢測(cè)力或力矩引起的微小形變，其運(yùn)作原理可涉及以下方面：

1、應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)彈性體受到力或力矩作用時(shí)，其形狀變化會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片電阻值的變化。

2、信號(hào)轉(zhuǎn)換與放大：應(yīng)變片檢測(cè)到的微小電阻變化通過電荷放大器放大，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這些電信號(hào)隨后被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

3、數(shù)據(jù)處理與解耦：通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集，并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）。隨后，控制系統(tǒng)中的軟件算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括解耦算法，以分離各個(gè)方向上的力和力矩，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4、標(biāo)定和校準(zhǔn)：為了確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，六維力傳感器需要進(jìn)行精確的標(biāo)定和校準(zhǔn)。這涉及到復(fù)雜的六維聯(lián)合加載技術(shù)，確保傳感器在所有六個(gè)自由度上都能準(zhǔn)確測(cè)量力和力矩。

目前，業(yè)內(nèi)對(duì)實(shí)現(xiàn)/提升人形機(jī)器人柔順控制的共識(shí)，是將六維力傳感器安裝在人形機(jī)器人的手腕、腳踝和靈巧手等部位，讓其持續(xù)檢測(cè)人形機(jī)器人與環(huán)境之間的多維交互力和力矩，并最終在運(yùn)控規(guī)劃、姿態(tài)調(diào)整、力度感知等功能中起到重要作用。

通過裝配六維力傳感器，人形機(jī)器人將實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的自主操作，能夠直接響應(yīng)指令，執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)。

作為人形機(jī)器人中的關(guān)鍵零部件，六維力傳感器的關(guān)鍵性能參數(shù)直接影響人形機(jī)器人的運(yùn)作效果。

1、靈敏度：靈敏度決定了傳感器對(duì)力和力矩變化的響應(yīng)程度。高靈敏度的傳感器可以更準(zhǔn)確地檢測(cè)到微小的力變化，這對(duì)于需要精細(xì)操作的任務(wù)非常重要。

2、精度：精度反映了傳感器測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。它包括了測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性和與理論值的接近程度。高精度的傳感器可以提供更可靠的數(shù)據(jù)，從而提高機(jī)器人操作的準(zhǔn)確性。

3、串?dāng)_：串?dāng)_指標(biāo)用來衡量多維力傳感器各測(cè)量方向間的耦合影響。低串?dāng)_可以減少不同測(cè)量方向之間的相互干擾，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。

4、非線性：力傳感器的非線性指的是力傳感器輸出信號(hào)與輸入的實(shí)際力之間不是線性關(guān)系的一種特性。理想情況下，力傳感器的輸出信號(hào)與輸入力成正比，即輸出信號(hào)與輸入力之間的關(guān)系可以用一條直線表示。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于各種原因(如材料的非線性、結(jié)構(gòu)變形、電氣特性變化等)，力傳感器的輸出信號(hào)往往不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，這就形成了非線性誤差。

5、遲滯：遲滯是指?jìng)鞲衅髟诩虞d和卸載過程中輸出信號(hào)的差異，它影響測(cè)量結(jié)果的一致性。

6、零點(diǎn)：零點(diǎn)穩(wěn)定性是指在沒有外力作用時(shí)傳感器輸出信號(hào)的穩(wěn)定性，它影響傳感器在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中的可靠性。

7、分辨率：分辨率是傳感器能夠區(qū)分的最小力或力矩變化，高分辨率對(duì)于執(zhí)行精細(xì)操作尤為重要。

8、過載能力：過載能力指?jìng)鞲衅髂軌虺惺艿淖畲罅Τ^其額定量程的能力，而不會(huì)對(duì)傳感器造成損壞。

9、溫漂：溫度漂移是指由于溫度變化引起的傳感器輸出信號(hào)的變化。低溫漂可以保證傳感器在不同溫度環(huán)境下的穩(wěn)定性。

10、動(dòng)態(tài)響應(yīng)：動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力決定了傳感器對(duì)快速變化的力和力矩的跟蹤能力，這對(duì)于需要快速反應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景非常重要。

這些參數(shù)共同決定了六維力傳感器的性能，進(jìn)而影響了人形機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的靈活性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；因此，為人形機(jī)器人特定部位功能，進(jìn)行六維力傳感器的性能匹配選型，是機(jī)器人廠商在設(shè)計(jì)和制造過程中不可或缺的關(guān)鍵步驟。

【海伯森HPS-FT系列六維力傳感器】

自2016年發(fā)布第一款六維力傳感器產(chǎn)品以來，海伯森持續(xù)投入研發(fā)，通過新材料應(yīng)用、技術(shù)創(chuàng)新、軟件升級(jí)等方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的不斷迭代優(yōu)化，結(jié)合市場(chǎng)大范圍拓展帶來的大量產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，今年成功推出新一代六維力傳感器產(chǎn)品HPS-FT080，廣受市場(chǎng)好評(píng)。

【關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)及解決方案】

01高精度力矩測(cè)量

挑戰(zhàn)：六維力傳感器需要在多個(gè)自由度上同時(shí)測(cè)量力和力矩，其精度要求極高。

解決方案：海伯森選擇高靈敏度和高線性度的應(yīng)變片材料，并采用優(yōu)化的布置方式，有效分離各個(gè)方向上的力和力矩，減少耦合效應(yīng)。通過先進(jìn)的制造工藝，確保應(yīng)變片與彈性體之間的牢固結(jié)合，提高測(cè)量精度。

02低溫漂和零點(diǎn)穩(wěn)定性

挑戰(zhàn)：溫度變化對(duì)傳感器輸出信號(hào)的影響顯著，必須在廣泛的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的輸出。

解決方案：海伯森在傳感器內(nèi)部集成高精度的溫度補(bǔ)償算法，使用具有熱穩(wěn)定性的材料，確保傳感器在不同溫度下輸出穩(wěn)定。通過嚴(yán)格的溫度測(cè)試和優(yōu)化，減少溫度漂移對(duì)測(cè)量精度的影響。

03高動(dòng)態(tài)響應(yīng)和抗沖擊能力

挑戰(zhàn)：傳感器需要能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)快速變化的力和力矩，同時(shí)具備良好的抗沖擊能力。

解決方案：海伯森在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用高剛性材料，并引入減振技術(shù)，提升傳感器的抗沖擊能力。通過優(yōu)化信號(hào)處理電路，確保傳感器具備高動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，能夠迅速跟蹤快速變化的力和力矩。

04低串?dāng)_和高線性度

挑戰(zhàn)：多維力傳感器各測(cè)量方向間的耦合影響（串?dāng)_）會(huì)降低測(cè)量精度。

解決方案：海伯森采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)解耦設(shè)計(jì)和高性能的嵌入式微處理器，結(jié)合復(fù)雜的補(bǔ)償算法，減少各測(cè)量方向間的耦合，確保高線性度和低串?dāng)_。

05高分辨率和靈敏度

挑戰(zhàn)：高分辨率和靈敏度是六維力傳感器的核心性能指標(biāo)，決定了傳感器能否檢測(cè)到微小的力和力矩變化。

解決方案：海伯森使用高增益、低噪聲的信號(hào)處理電路，并精益求精地設(shè)計(jì)應(yīng)變片材料和結(jié)構(gòu)，確保傳感器具備高分辨率和高靈敏度。

06過載保護(hù)和長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)

挑戰(zhàn)：傳感器在使用過程中難免會(huì)遇到超過額定量程的力，這就要求傳感器具有強(qiáng)大的過載保護(hù)能力。

解決方案：海伯森通過優(yōu)化彈性體結(jié)構(gòu)和采用先進(jìn)的力傳遞路徑設(shè)計(jì)，提高傳感器的過載保護(hù)能力。選擇高耐用性的材料和改進(jìn)制造工藝，確保傳感器的長(zhǎng)期可靠性和使用壽命。

【行業(yè)應(yīng)用】

海伯森HPS-FT系列六維力傳感器在多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中展現(xiàn)了其卓越性能和廣泛應(yīng)用：

工業(yè)機(jī)器人：在工業(yè)生產(chǎn)線上，六維力傳感器幫助工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高精度的裝配、焊接和搬運(yùn)任務(wù)。傳感器提供的實(shí)時(shí)力反饋數(shù)據(jù)，使機(jī)器人能夠精確控制力和位置，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

協(xié)作機(jī)器人：協(xié)作機(jī)器人需要與人類緊密協(xié)作，六維力傳感器確保機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)能夠感知并響應(yīng)外界的力變化，保證安全性和操作靈活性。

外骨骼機(jī)器人：在醫(yī)療康復(fù)和輔助領(lǐng)域，六維力傳感器用于外骨骼機(jī)器人的關(guān)節(jié)部位，提供力反饋數(shù)據(jù)，幫助患者進(jìn)行精準(zhǔn)的康復(fù)訓(xùn)練，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)能力。

醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人：在康復(fù)治療中，六維力傳感器用于監(jiān)測(cè)和控制康復(fù)機(jī)器人的操作力，確保治療過程的安全和有效性，為患者提供個(gè)性化的康復(fù)方案。

柔性?shī)A爪和機(jī)器人關(guān)節(jié)：在自動(dòng)化生產(chǎn)中，六維力傳感器應(yīng)用于柔性?shī)A爪和機(jī)器人關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的精細(xì)抓取和搬運(yùn)，適應(yīng)各種復(fù)雜工況。

自動(dòng)化測(cè)量與控制：在測(cè)量和控制系統(tǒng)中，六維力傳感器用于精確測(cè)量多維力和力矩，提供高精度的數(shù)據(jù)支持，應(yīng)用于風(fēng)洞測(cè)試、實(shí)驗(yàn)室研究等領(lǐng)域。

六維力傳感器是人形機(jī)器人技術(shù)進(jìn)步的核心，其通過精確測(cè)量力和力矩，賦予機(jī)器人更高的操作精度和靈活性。這些傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，為機(jī)器人執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化和自動(dòng)化不可或缺的組件。

結(jié)語：展望未來，隨著研發(fā)的持續(xù)投入及技術(shù)的不斷突破，海伯森HPS-FT系列六維力傳感器將繼續(xù)以其微型化、智能化和高性價(jià)比進(jìn)一步推動(dòng)其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，并在人形機(jī)器人的多場(chǎng)景應(yīng)用中展現(xiàn)出更加卓越的性能，不僅提升機(jī)器人的適應(yīng)性和可靠性，也將為人形機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展和智能制造的創(chuàng)新貢獻(xiàn)關(guān)鍵力量。

作為中國(guó)領(lǐng)先的高端智能傳感器企業(yè)，海伯森技術(shù)（深圳）有限公司專注于高性能工業(yè)傳感器的技術(shù)創(chuàng)新和探索，具備光、機(jī)、電、算技術(shù)綜合應(yīng)用于傳感器產(chǎn)品的研發(fā)能力和規(guī)?；a(chǎn)能力，主營(yíng)產(chǎn)品包括3D閃測(cè)傳感器、3D線光譜共焦傳感器、點(diǎn)光譜共焦傳感器、六維力傳感器、激光對(duì)刀儀、超高速工業(yè)相機(jī)、激光對(duì)針傳感器等。