作者 | 陽誠投研團隊

一、引言

今年11月，特斯拉機器人官號發(fā)布視頻顯示，Optimus機器人已實現(xiàn)穩(wěn)定接住拋來的網球并流暢放下的動作，手部協(xié)調性幾乎媲美人類。今年12月，華為全球具身智能產業(yè)創(chuàng)新中心宣布啟動運營，同時與多家機器人企業(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器人領域的技術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，作為機器人感知的核心器件，多維力傳感器正迎來市場規(guī)模擴張的黃金時期。

二、 技術介紹

（一）力傳感器的原理和實現(xiàn)

力學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換成電信號，進而檢測張力、拉力、壓力、重量、扭矩、內應力和應變等力學量。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變/形變檢測系統(tǒng)兩大部分，由力敏元件、轉換元件和信號處理單元等具體元件組成。當有力作用時，力施加于傳感器本體單元上，并引起本體單元的應變或形變，檢測系統(tǒng)可感知本體的應變或形變，通過電路將其轉化為相應電壓，繼而通過測量電壓值來表征力的大小，并轉換成可用輸出信號，最終實現(xiàn)力的測量。

資料來源：《于人共融機器人的關節(jié)力矩測量技術》，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測量物體在三個空間方向和三個旋轉方向上的力與力矩，適用于力作用點隨機并對測量精度要求較高的場景。這一特性對于機器人產業(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)勢和技術難點

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隨機的力，并提供更全面且更多維度的力/力矩數(shù)據。同時，六維力傳感器能通過高精度的聯(lián)合加載標定，獲得強大的非線性擬合能力，其內部算法會解耦各方向力和力矩間的干擾，進而增加測量的準確性。高精度的六維力傳感器耦合誤差可以實現(xiàn)不超過0.5%的標準，哪怕常規(guī)產品也可以將誤差控制在2%-5%的范圍內；然而，如果使用多個一維力傳感器組合解耦，則會造成一般的耦合誤差達到20%以上，將嚴重影響測量精度。

（2）結構緊湊，適應狹窄空間

由于六維力傳感器體積小、結構緊湊，因此一個六維力傳感器所需的空間會小于六個一維力傳感器。小體積的六維力傳感器可適配機器人關節(jié)等狹小空間，從而降低機器人結構設計難度。

（3）協(xié)調同步

使用多個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計算出三個方向的力和力矩的特點能夠很好的解決這一問題，因此有效提高了同步性。

2、技術難點

（1）解耦算法的復雜性

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的不同。

（2）結構設計與材料使用