六維力傳感器——人形機器人的力覺

導(dǎo)讀：六維力傳感器可同時測量3個力分量和3個力矩分量，是最完整的多維力傳感器形式；而人形機器人主要由旋轉(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器人上的應(yīng)用趨勢。

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

就在不久之前，特斯拉展示的第二代人形機器人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，從而實現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)的自主操作，如搬運物品、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。

人形機器人的設(shè)計制造目的是為了與人工工具和環(huán)境進行交互，從而輔助甚至替代人類的生產(chǎn)生活。在工業(yè)領(lǐng)域，人形機器人可以在裝配線、倉儲管理、精細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，人形機器人可以幫助人類完成日常任務(wù)，提高生活質(zhì)量；而實現(xiàn)/提升柔順控制，對人形機器人對于復(fù)雜地形的通過能力、人機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，用此信號去控制機器人，使之響應(yīng)這個變化而動作。

六維力傳感器是一種特殊的力覺傳感器，可以測量物體在笛卡爾坐標(biāo)系下三個軸向的力和力矩，是目前最完整的多維力傳感器形式；其為機器人提供了類似于人類觸覺的功能，使得機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)雜和精細的任務(wù)，是機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)變片來檢測力或力矩引起的微小形變，其運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，其形狀變化會導(dǎo)致應(yīng)變片電阻值的變化。

2、信號轉(zhuǎn)換與放大：應(yīng)變片檢測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，這些電信號隨后被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

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

4、標(biāo)定和校準(zhǔn)：為了確保測量的準(zhǔn)確性，六維力傳感器需要進行精確的標(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自由度上都能準(zhǔn)確測量力和力矩。

目前，業(yè)內(nèi)對實現(xiàn)/提升人形機器人柔順控制的共識，是將六維力傳感器安裝在人形機器人的手腕、腳踝和靈巧手等部位，讓其持續(xù)檢測人形機器人與環(huán)境之間的多維交互力和力矩，并最終在運控規(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，人形機器人將實現(xiàn)更高級別的自主操作，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)直接影響人形機器人的運作效果。

1、靈敏度：靈敏度決定了傳感器對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)確地檢測到微小的力變化，這對于需要精細操作的任務(wù)非常重要。

2、精度：精度反映了傳感器測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。它包括了測量結(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量方向間的耦合影響。低串?dāng)_可以減少不同測量方向之間的相互干擾，提高測量的準(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與輸入的實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與輸入力成正比，即輸出信號與輸入力之間的關(guān)系可以用一條直線表示。但在實際應(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：遲滯是指傳感器在加載和卸載過程中輸出信號的差異，它影響測量結(jié)果的一致性。

6、零點：零點穩(wěn)定性是指在沒有外力作用時傳感器輸出信號的穩(wěn)定性，它影響傳感器在長時間運行中的可靠性。

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，高分辨率對于執(zhí)行精細操作尤為重要。

8、過載能力：過載能力指傳感器能夠承受的最大力超過其額定量程的能力，而不會對傳感器造成損壞。

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

這些參數(shù)共同決定了六維力傳感器的性能，進而影響了人形機器人在執(zhí)行任務(wù)時的靈活性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；因此，為人形機器人特定部位功能，進行六維力傳感器的性能匹配選型，是機器人廠商在設(shè)計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、軟件升級等方式實現(xiàn)產(chǎn)品的不斷迭代優(yōu)化，結(jié)合市場大范圍拓展帶來的大量產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)驗，今年成功推出新一代六維力傳感器產(chǎn)品HPS-FT080，廣受市場好評。

【關(guān)鍵技術(shù)難點及解決方案】

01高精度力矩測量

挑戰(zhàn)：六維力傳感器需要在多個自由度上同時測量力和力矩，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，有效分離各個方向上的力和力矩，減少耦合效應(yīng)。通過先進的制造工藝，確保應(yīng)變片與彈性體之間的牢固結(jié)合，提高測量精度。

02低溫漂和零點穩(wěn)定性

挑戰(zhàn)：溫度變化對傳感器輸出信號的影響顯著，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)格的溫度測試和優(yōu)化，減少溫度漂移對測量精度的影響。

03高動態(tài)響應(yīng)和抗沖擊能力

挑戰(zhàn)：傳感器需要能夠?qū)崟r響應(yīng)快速變化的力和力矩，同時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)化信號處理電路，確保傳感器具備高動態(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)：多維力傳感器各測量方向間的耦合影響（串?dāng)_）會降低測量精度。

解決方案：海伯森采用先進的結(jié)構(gòu)解耦設(shè)計和高性能的嵌入式微處理器，結(jié)合復(fù)雜的補償算法，減少各測量方向間的耦合，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、低噪聲的信號處理電路，并精益求精地設(shè)計應(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過載保護和長壽命設(shè)計

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

解決方案：海伯森通過優(yōu)化彈性體結(jié)構(gòu)和采用先進的力傳遞路徑設(shè)計，提高傳感器的過載保護能力。選擇高耐用性的材料和改進制造工藝，確保傳感器的長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)機器人：在工業(yè)生產(chǎn)線上，六維力傳感器幫助工業(yè)機器人實現(xiàn)高精度的裝配、焊接和搬運任務(wù)。傳感器提供的實時力反饋數(shù)據(jù)，使機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)作機器人：協(xié)作機器人需要與人類緊密協(xié)作，六維力傳感器確保機器人在執(zhí)行任務(wù)時能夠感知并響應(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器人的關(guān)節(jié)部位，提供力反饋數(shù)據(jù)，幫助患者進行精準(zhǔn)的康復(fù)訓(xùn)練，增強運動能力。

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

柔性夾爪和機器人關(guān)節(jié)：在自動化生產(chǎn)中，六維力傳感器應(yīng)用于柔性夾爪和機器人關(guān)節(jié)，實現(xiàn)對工件的精細抓取和搬運，適應(yīng)各種復(fù)雜工況。

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

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

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、智能化和高性價比進一步推動其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，并在人形機器人的多場景應(yīng)用中展現(xiàn)出更加卓越的性能，不僅提升機器人的適應(yīng)性和可靠性，也將為人形機器人的進一步發(fā)展和智能制造的創(chuàng)新貢獻關(guān)鍵力量。

作為中國領(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、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，主營產(chǎn)品包括3D閃測傳感器、3D線光譜共焦傳感器、點光譜共焦傳感器、六維力傳感器、激光對刀儀、超高速工業(yè)相機、激光對針傳感器等。