力傳感器行業(yè)專(zhuān)題研究：國(guó)內(nèi)企業(yè)正逐步替代外資

力傳感器行業(yè)專(zhuān)題研究：國(guó)內(nèi)企業(yè)正逐步替代外資1力傳感器是力控的關(guān)鍵部件，六維力傳感器測(cè)量信息最為全面精準(zhǔn)1.1六維力傳感器是維度最高的力覺(jué)傳感器力覺(jué)傳感器，顧名思義就是感知并度量力的傳感器。按照測(cè)量維度，力覺(jué)傳感器可以分為一至六維力傳感器。能測(cè)幾個(gè)維度，它就是幾維力傳感器。最常見(jiàn)的是一維、三維和六維力傳感器，二維和五維的力傳感器較少。（1）一維力傳感器：如果力的方向和作用點(diǎn)是固定的，此時(shí)可以選擇用一維力傳感器進(jìn)行測(cè)量。我們可以通過(guò)安裝定位，使被測(cè)量力F的方向完全與標(biāo)定坐標(biāo)軸（OZ軸）重合，這樣就可以對(duì)力進(jìn)行精確測(cè)量。代表產(chǎn)品有稱(chēng)重傳感器、壓力傳感器等。當(dāng)力的方向與傳感器的測(cè)量軸線(xiàn)平行但不重合，此時(shí)傳感器的測(cè)量結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。（2）三維力傳感器：如果力F的作用點(diǎn)P始終與傳感器的標(biāo)定參考點(diǎn)O保持重合，力F的方向在三維空間中隨機(jī)變化，那么用三維力傳感就能完成測(cè)量任務(wù)。因?yàn)楸粶y(cè)量的力可以分解為三維力傳感器標(biāo)定坐標(biāo)系下的三個(gè)正交分量（Fx、Fy、Fz），三維力傳感器的三個(gè)測(cè)量單元可以分別對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)力的作用點(diǎn)遠(yuǎn)離傳感器，這個(gè)力在經(jīng)過(guò)正交分解并平移至三維力傳感器的校準(zhǔn)中心后，傳感器既要承受力Fx/Fy/Fz三分量的作用，又要承受Mx/My/Mz三個(gè)彎矩的作用，這種情況下，三維力傳感器的測(cè)量結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)較大偏差。（3）六維力傳感器：如果力的方向和作用點(diǎn)都在三維空間內(nèi)隨機(jī)變化，此時(shí)應(yīng)該選擇用六維力傳感器進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)榭臻g中任意作用點(diǎn)上的力可以在六維力傳感器的標(biāo)定坐標(biāo)系內(nèi)，分解為沿標(biāo)定坐標(biāo)軸的三方向分力（FX、FY、FZ）和繞標(biāo)定坐標(biāo)軸的三方向力矩（MX、MY、MZ）。這類(lèi)傳感器更適用于參考點(diǎn)的距離較遠(yuǎn)，且隨機(jī)變化情景，測(cè)量精度要求較高。六維力傳感器是維度最高的力覺(jué)傳感器，它能給出最為全面精準(zhǔn)的力覺(jué)信息。六維力傳感器，又叫六維力/力矩傳感器、六軸力傳感器、F/T傳感器，是一種特殊的力傳感器，能夠同時(shí)測(cè)量中性坐標(biāo)系（OXYZ）內(nèi)的三個(gè)力（FX、FY、FZ）和三個(gè)力矩（MX、MY、MZ）。六維力傳感器一般分成固定端（機(jī)器人端）和加載端（工具端），傳感器的內(nèi)部算法會(huì)解耦各方向力和力矩間的干擾，使力的測(cè)量更為精準(zhǔn)。根據(jù)傳感元件的不同，六維力/力矩傳感器主要分為:應(yīng)變片式、光學(xué)式以及壓電/電容式。目前，市場(chǎng)應(yīng)用的六維力/力矩傳感器大部分是基于應(yīng)變式的測(cè)量?；趬弘姟㈦娙莺凸鈱W(xué)等原理測(cè)量的傳感器有一定的理論研究和實(shí)驗(yàn)，下游尚未得到廣泛應(yīng)用。每種類(lèi)型的六維力傳感器都具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和適用范圍，隨著相關(guān)研究的不斷深入，不同測(cè)量機(jī)理的傳感器將會(huì)發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)被應(yīng)用到各種場(chǎng)合，進(jìn)而推動(dòng)六維力傳感器向多元化方向發(fā)展。經(jīng)過(guò)對(duì)穩(wěn)定性、剛度、動(dòng)態(tài)特性、成本與信噪比五個(gè)維度的比較，硅應(yīng)變傳感器綜合性能優(yōu)異。硅應(yīng)變片的穩(wěn)定性、信噪比、動(dòng)態(tài)特性要好于金屬應(yīng)變片，剛度上兩者差異不大，成本上金屬略?xún)?yōu)，但這幾年硅應(yīng)變片的工藝有了提升和改進(jìn)，綜合成本也在大幅降低。六維力/力矩傳感器的研發(fā)難度非常大。它不是三個(gè)一維力傳感器和三個(gè)扭矩傳感器結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單疊加，它的非線(xiàn)性力學(xué)特征明顯，要考慮多通道信號(hào)的溫漂、蠕變、交叉干擾、數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性，再加之六維聯(lián)合加載標(biāo)定的復(fù)雜性，六維力傳感器的技術(shù)難度可謂是一維力傳感器難度的六次方。六維力傳感器面臨兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：全方位機(jī)械過(guò)載保護(hù)和動(dòng)態(tài)性能。機(jī)械過(guò)載保護(hù)是指作用到傳感器的力超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，為避免傳感器損壞而增加的一種附屬結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也提出了基于不同結(jié)構(gòu)的機(jī)械過(guò)載保護(hù)裝置，但由于保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜且加工精度要求較高等限制，生產(chǎn)出具有全方位機(jī)械過(guò)載保護(hù)裝置的六維力傳感器的成熟產(chǎn)品仍有難度。傳感器性能指標(biāo)包括靜態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。在實(shí)際的力測(cè)量過(guò)程中，被測(cè)信號(hào)大多是動(dòng)態(tài)信號(hào)，如機(jī)器人打磨拋光時(shí)的接觸力、物體高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的稱(chēng)重和炮彈發(fā)射過(guò)程時(shí)的后座力等信號(hào)，這些信號(hào)屬于快速時(shí)變信號(hào)，動(dòng)態(tài)性能較差的傳感器很難跟蹤測(cè)量這些信號(hào)，所以必須在充分了解傳感器的動(dòng)態(tài)性能后方能選擇合適的傳感器來(lái)進(jìn)行測(cè)量。除了優(yōu)化自身結(jié)構(gòu)、形狀等方法提高動(dòng)態(tài)性能外，一些國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償濾波器、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等智能算法來(lái)提高傳感器的動(dòng)態(tài)性能，取得了良好的效果。國(guó)外對(duì)六維力/力矩傳感器的研究起步較早。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)六維力傳感器結(jié)構(gòu)都做了大量的研究與改進(jìn)，目的是提高傳感器的靈敏度和抗過(guò)載能力，減少維間耦合誤差，改善動(dòng)態(tài)性能，從而更好地輔助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化控制。1.2力傳感器是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)主動(dòng)柔順控制的核心部件六維力測(cè)量技術(shù)屬于平臺(tái)型技術(shù)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的環(huán)境、載荷、安裝、通訊、算力、動(dòng)力學(xué)特性等需求不同，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，六維力傳感器的產(chǎn)品形態(tài)和技術(shù)特點(diǎn)也有較大區(qū)別。目前，六維力傳感器主要應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)的碰撞測(cè)試、輪轂、座椅等零部件測(cè)試以及航空航天、生物力學(xué)、醫(yī)療領(lǐng)域、科研實(shí)驗(yàn)、機(jī)器人與自動(dòng)化等領(lǐng)域。在汽車(chē)領(lǐng)域，六維力/力矩傳感器被廣泛地用在汽車(chē)部件和系統(tǒng)級(jí)測(cè)試、發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力總成測(cè)試、車(chē)輛和試驗(yàn)廠(chǎng)測(cè)試、總裝和最終測(cè)試。它們?cè)诖_定新車(chē)和部件設(shè)計(jì)的完整性和優(yōu)化方面都能發(fā)揮重要作用，同時(shí)還有助于保證效率、安全性和正確的功能。航空航天領(lǐng)域是六維力傳感器最早的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，可用于測(cè)量風(fēng)洞試驗(yàn)、飛機(jī)、衛(wèi)星、火箭等飛行器各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的六維力信息，通過(guò)這些信息，飛行器可以更加準(zhǔn)確地感知環(huán)境，控制姿態(tài)，完成各項(xiàng)任務(wù)。隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用的深入，六維力和力矩傳感器還可以用于飛機(jī)制造、飛行器著陸和起飛過(guò)程的監(jiān)測(cè)、機(jī)械臂控制、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。六維力傳感器的應(yīng)用能夠提高航空航天系統(tǒng)的性能、安全性和可靠性。在醫(yī)療手術(shù)和康復(fù)領(lǐng)域，手術(shù)機(jī)器人的力感知可作為力反饋的依據(jù)以提升手術(shù)的安全性。根據(jù)臨床場(chǎng)景的不同，手術(shù)機(jī)器人主要分為腔鏡機(jī)器人、骨科機(jī)器人、穿刺機(jī)器人、經(jīng)自然腔道機(jī)器人、泛血管機(jī)器人等五類(lèi)機(jī)器人。目前，協(xié)作機(jī)械臂+六維力傳感器的組合已廣泛應(yīng)用于血管介入手術(shù)機(jī)器人、外科手術(shù)機(jī)器人、醫(yī)療檢測(cè)機(jī)器人及遠(yuǎn)程操控機(jī)器人等;中國(guó)手術(shù)機(jī)器人行業(yè)處于早期發(fā)展階段，增長(zhǎng)潛力較大。根據(jù)GGII預(yù)計(jì)，未來(lái)3-5年，骨科機(jī)器人和泛血管手術(shù)機(jī)器人將占手術(shù)機(jī)器人市場(chǎng)的20%以上。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的深入，六維力傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景將會(huì)更加廣闊，六維力傳感器產(chǎn)品將逐漸成為類(lèi)似應(yīng)用場(chǎng)景中的剛需。柔順控制可解決很多傳統(tǒng)位置控制難以解決的問(wèn)題，有利于擴(kuò)展機(jī)器人的功能。在許多交互任務(wù)中需要機(jī)器人與對(duì)象或環(huán)境發(fā)生接觸，兩者接觸時(shí)，會(huì)在接觸面之間產(chǎn)生相互作用力，只靠位置控制可能導(dǎo)致很大的誤差。由于采用位置控制的機(jī)器人可通過(guò)結(jié)構(gòu)化環(huán)境的設(shè)置，依靠快速、精準(zhǔn)的位置控制預(yù)設(shè)編程完成“固定軌跡”的任務(wù)。而在執(zhí)行接觸任務(wù)時(shí)，末端執(zhí)行器與規(guī)劃軌跡之間的微小偏差就可能導(dǎo)致機(jī)械臂與物體表面脫離接觸或在接觸面上施加過(guò)強(qiáng)的壓力；對(duì)于機(jī)器人的高剛性結(jié)構(gòu)，微小的位置誤差可能會(huì)導(dǎo)致非常大的作用力甚至災(zāi)難性的后果。所以為了實(shí)現(xiàn)交互任務(wù)，機(jī)器人需要表現(xiàn)出柔順性。柔順力控主要是從力傳感器獲得力信號(hào)，再將其轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的控制信號(hào)，使機(jī)器人響應(yīng)此信號(hào)而動(dòng)作。人機(jī)協(xié)作要以機(jī)器人的柔順控制作為前提。當(dāng)與機(jī)器人產(chǎn)生交互的外界環(huán)境發(fā)生改變，機(jī)器人應(yīng)對(duì)這種改變產(chǎn)生順應(yīng)性變化，這就是所謂的柔順性。如讓機(jī)器人末端執(zhí)行器在受到環(huán)境擾動(dòng)時(shí)能保持與環(huán)境的恒定接觸力，或是機(jī)器人順應(yīng)操作人員施加的外部牽引力，以運(yùn)動(dòng)到操作人員期望的位置。柔順控制主要分為主動(dòng)柔順控制和被動(dòng)柔順控制。被動(dòng)柔順控制主要依靠一些機(jī)械裝置（如減震器、彈簧等）使機(jī)器人表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境的柔順特性，主動(dòng)柔順控制依靠控制策略令末端產(chǎn)生需要的剛度、阻尼或力作用以達(dá)到柔順的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，僅有少數(shù)的機(jī)器人在與環(huán)境接觸中具有非常有限的主動(dòng)柔順能力。(1)被動(dòng)柔順控制：借助某些機(jī)械裝置的物理上的柔順性，對(duì)接觸力產(chǎn)生被動(dòng)的適應(yīng)。如彈簧、阻尼等構(gòu)成的柔順裝置，可以靠彈簧形變吸收或者阻尼損耗機(jī)器人與環(huán)境產(chǎn)生接觸時(shí)產(chǎn)生的能量。但當(dāng)前被動(dòng)柔順控制方法在應(yīng)用效果上仍存在著多種不足，如結(jié)構(gòu)剛度降低、機(jī)器人關(guān)節(jié)的重量增長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增加。在此背景之下，主動(dòng)柔順控制則成為了現(xiàn)今研究者們開(kāi)展柔順控制研究的首要方式。(2)主動(dòng)柔順控制：需要機(jī)器人獲取對(duì)力信息和位置信息的反饋，利用力與位置的反饋信息結(jié)合相應(yīng)算法去主動(dòng)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)或者作用力。機(jī)器人實(shí)現(xiàn)主動(dòng)柔順控制的方式主要有力/位混合控制、零力控制和阻抗控制這三種控制理論。力/位混合控制：這種理論模型有位置反饋環(huán)和力反饋環(huán)，機(jī)器人在進(jìn)行任務(wù)的過(guò)程中，可以把機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作空間分解為位置、力兩個(gè)相互正交且獨(dú)立的子空間。在力空間內(nèi)，通過(guò)力控制方法確保實(shí)際接觸力最大程度的接近期望接觸力；在位置空間內(nèi)，通過(guò)位置控制方法保證機(jī)器人能夠沿期望軌跡運(yùn)動(dòng)，通過(guò)力和位置控制策略協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)末端作用力的主動(dòng)柔順控制過(guò)程。零力控制：直接示教又稱(chēng)拖動(dòng)示教是目前人機(jī)協(xié)作的主要方式之一，即人類(lèi)操作者直接通過(guò)手動(dòng)拖動(dòng)機(jī)器人來(lái)進(jìn)行示教任務(wù)。而零力控制便是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人拖動(dòng)示教的最核心技術(shù)。目前零力控制主要有兩種實(shí)現(xiàn)方法：基于位置的零力控制以及基于直接力矩控制的零力控制。阻抗控制：根據(jù)機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置（或速度）和接觸力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)控制器調(diào)整位置（速度）誤差或剛度系數(shù)來(lái)控制機(jī)器人末端執(zhí)行器的接觸力。阻抗控制理論根據(jù)控制原理可以分為基于位置的阻抗控制（導(dǎo)納控制）和基于力的阻抗控制。六維力/力矩傳感器是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)柔順化、智能化操作的關(guān)鍵傳感設(shè)備。只具有位置反饋將難以滿(mǎn)足柔順控制的需要，在機(jī)器人控制中加入力反饋環(huán)節(jié)勢(shì)在必行。機(jī)器人力覺(jué)傳感器是模仿人類(lèi)四肢關(guān)節(jié)功能的機(jī)器人獲得實(shí)際操作時(shí)的大部分力信息的裝置，是機(jī)器人主動(dòng)柔順控制必不可少的，它直接影響著機(jī)器人的力控制性能。在機(jī)器人力控解決方案中，目前應(yīng)用最為廣泛的力覺(jué)傳感器就是六維力傳感器。目前，六維力傳感器主要用于檢測(cè)、預(yù)防、控制、示教、測(cè)量、保護(hù)等場(chǎng)景，通常安裝在機(jī)器人的底座或者末端，可以提供應(yīng)用過(guò)程中的力交互信息，對(duì)于下游客戶(hù)而言有效且可靠的數(shù)據(jù)至關(guān)重要。未來(lái)，人形機(jī)器人力控技術(shù)的發(fā)展將呈現(xiàn)出多信息融合(觸覺(jué)、力覺(jué)和視覺(jué)等)，主要通過(guò)配備(AI、視覺(jué)、力覺(jué)傳感器等)傳感器得以實(shí)現(xiàn)，尤其在手腕、腳踝關(guān)節(jié)等處更適用六維力矩傳感器，這將為六維力傳感器在人形機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)巨大的發(fā)展空間。1.3力傳感器與電流環(huán)的區(qū)別目前市面上絕大部分執(zhí)行器的力控方式分為兩種：一為電流環(huán)力控，一為傳感器閉環(huán)力控。電流環(huán)力控是一種比較容易實(shí)現(xiàn)的常規(guī)力控方式，主要通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)內(nèi)部電流大小實(shí)現(xiàn)力控，實(shí)現(xiàn)難度較低，可以實(shí)現(xiàn)5%-15%精度范圍內(nèi)力控；但其運(yùn)動(dòng)速度慢，不能反向傳動(dòng)，無(wú)法滿(mǎn)足一些精度要求更高的場(chǎng)景需求，使用一段時(shí)間后，機(jī)械磨損會(huì)帶來(lái)誤差，精度進(jìn)一步降低。電流環(huán)適用于直驅(qū)電機(jī)(DirectDriveMotor)或者帶小減速比(ReductionRatio<10)的應(yīng)用場(chǎng)景，諸如小型阻抗控制的人機(jī)交互的機(jī)械臂和小型四足等。電流環(huán)以提高電流的穩(wěn)定性能來(lái)提高系統(tǒng)性能，是一種將輸出電流采用正反饋或負(fù)反饋的方式接入處理環(huán)節(jié)的方法。環(huán)路間相互作用，對(duì)信號(hào)進(jìn)行匯總、分析、修正，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制。當(dāng)力矩來(lái)到減速器端并嘗試推動(dòng)減速器反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于靜摩擦力的作用，減速器無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。因而需要繼續(xù)增大外力矩直至超過(guò)減速器的最大靜摩擦力，減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并推動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)電流環(huán)才感知到外力矩。進(jìn)一步，電流環(huán)通過(guò)電流反饋和辨識(shí)的動(dòng)力學(xué)模型估計(jì)外力。電流環(huán)根據(jù)實(shí)現(xiàn)原理，分為開(kāi)環(huán)力控和閉環(huán)力控兩類(lèi)。開(kāi)環(huán)力控直接讓機(jī)器人工作在力矩模式下，電機(jī)提供機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所需的重力，摩擦力，慣性力等。這樣用戶(hù)只需很小的外力即可讓機(jī)器人按照所需的軌跡運(yùn)動(dòng)。閉環(huán)力控會(huì)存在如下一個(gè)力反饋回路，它通過(guò)算法估計(jì)出用戶(hù)的牽引力矩，再通過(guò)阻抗控制，讓電機(jī)輸出一個(gè)輔助力矩，幫助用戶(hù)拖動(dòng)機(jī)器人，完成示教工作。由于反饋回路的存在，它對(duì)機(jī)器人建模和系統(tǒng)辨識(shí)的精度要求較低。電流環(huán)一般處在運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)（三環(huán)控制系統(tǒng)）中最內(nèi)層，向外依次為速度環(huán)和位置環(huán)，這三環(huán)構(gòu)成3個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋PID（比例、積分、微分）調(diào)節(jié)系統(tǒng)。最內(nèi)的PID環(huán)就是電流環(huán)，電流環(huán)是控制的根本，任何模式都必須使用。此環(huán)完全在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部進(jìn)行，通過(guò)霍爾裝置檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器給電機(jī)的各相的輸出電流，負(fù)反饋給電流的設(shè)定進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，從而達(dá)到輸出電流盡量接近等于設(shè)定電流，電流環(huán)是控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的，所以在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)算最小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)最快。環(huán)路間相互作用，對(duì)信號(hào)進(jìn)行匯總、分析、修正，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制。伺服電機(jī)可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，按照位置、力矩或速度指令精確地控制機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，內(nèi)嵌的編碼器將伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，完成閉環(huán)控制。電流環(huán)、力矩傳感器/六維力傳感器均是實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的自適應(yīng)柔性控制的方案。就二者對(duì)比而言，電流環(huán)其優(yōu)點(diǎn)在于成本低，不需要額外的傳感設(shè)備，而缺點(diǎn)在于精度較低，響應(yīng)較慢，適用場(chǎng)景有限。力矩傳感器是性能更佳，但成本相對(duì)更高的方案。響應(yīng)精度和速度上，電流環(huán)力控比力矩傳感器要低。力矩傳感器感知中，施加在連桿上的外力能夠直接傳導(dǎo)到傳感器上，而電流環(huán)感知?jiǎng)t是力矩通過(guò)傳感器后，持續(xù)向后傳遞到減速器端，當(dāng)外