海伯森六維力傳感器--人形機器人的力覺(jué)

導讀：六維力傳感器可同時(shí)測量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；而人形機器人主要由旋轉關(guān)節、線(xiàn)性關(guān)節、控制與感知系統、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用趨勢。

6月14日召開(kāi)的特斯拉2024股東大會(huì )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(chǎng)預計在明年部署超過(guò)一千個(gè)，甚至數千個(gè)人形機器人。

（△圖源網(wǎng)絡(luò )）

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(guò)六維力傳感器，Optimus能夠精確感知和調整與環(huán)境的交互力，從而實(shí)現復雜任務(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使Optimus在工廠(chǎng)和服務(wù)環(huán)境中表現出色，顯著(zhù)提高了任務(wù)的完成質(zhì)量和效率。

人形機器人的設計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(lèi)的生產(chǎn)生活。在工業(yè)領(lǐng)域，人形機器人可以在裝配線(xiàn)、倉儲管理、精細操作等方面替代人類(lèi)，提高生產(chǎn)效率，降低人力成本；在家庭服務(wù)、醫療康復和公共服務(wù)等領(lǐng)域，人形機器人可以幫助人類(lèi)完成日常任務(wù)，提高生活質(zhì)量；而實(shí)現/提升柔順控制，對人形機器人對于復雜地形的通過(guò)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，使之響應這個(gè)變化而動(dòng)作。

六維力傳感器是一種特殊的力覺(jué)傳感器，可以測量物體在笛卡爾坐標系下三個(gè)軸向的力和力矩，是目前最完整的多維力傳感器形式；其為機器人提供了類(lèi)似于人類(lèi)觸覺(jué)的功能，使得機器人能夠感知和適應外部環(huán)境的變化，從而完成更加復雜和精細的任務(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冃ぷ?，即通過(guò)彈性體上的應變片來(lái)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、應變效應：當彈性體受到力或力矩作用時(shí)，其形狀變化會(huì )導致應變片電阻值的變化。

2、信號轉換與放大：應變片檢測到的微小電阻變化通過(guò)電荷放大器放大，并轉化為電信號，這些電信號隨后被轉換成數字信號。

3、數據處理與解耦：通過(guò)數據采集系統進(jìn)行采集，并進(jìn)行模數轉換（A/D轉換）。隨后，控制系統中的軟件算法對數據進(jìn)行處理，包括解耦算法，以分離各個(gè)方向上的力和力矩，確保測量結果的準確性。

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

目前，業(yè)內對實(shí)現/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，并最終在運控規劃、姿態(tài)調整、力度感知等功能中起到重要作用。

通過(guò)裝配六維力傳感器，人形機器人將實(shí)現更高級別的自主操作，能夠直接響應指令，執行復雜任務(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程度。高靈敏度的傳感器可以更準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果的準確性。它包括了測量結果的重復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據，從而提高機器人操作的準確性。

3、串擾：串擾指標用來(lái)衡量多維力傳感器各測量方向間的耦合影響。低串擾可以減少不同測量方向之間的相互干擾，提高測量的準確性。

4、非線(xiàn)性：力傳感器的非線(xiàn)性指的是力傳感器輸出信號與輸入的實(shí)際力之間不是線(xiàn)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(xiàn)表示。但在實(shí)際應用中，由于各種原因(如材料的非線(xiàn)性、結構變形、電氣特性變化等)，力傳感器的輸出信號往往不是嚴格的線(xiàn)性關(guān)系，這就形成了非線(xiàn)性誤差。

5、遲滯：遲滯是指傳感器在加載和卸載過(guò)程中輸出信號的差異，它影響測量結果的一致性。

6、零點(diǎn)：零點(diǎn)穩定性是指在沒(méi)有外力作用時(shí)傳感器輸出信號的穩定性，它影響傳感器在長(cháng)時(shí)間運行中的可靠性。

7、分辨率：分辨率是傳感器能夠區分的最小力或力矩變化，高分辨率對于執行精細操作尤為重要。

8、過(guò)載能力：過(guò)載能力指傳感器能夠承受的最大力超過(guò)其額定量程的能力，而不會(huì )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)境下的穩定性。

10、動(dòng)態(tài)響應：動(dòng)態(tài)響應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的應用場(chǎng)景非常重要。

這些參數共同決定了六維力傳感器的性能，進(jìn)而影響了人形機器人在執行任務(wù)時(shí)的靈活性、穩定性和準確性；因此，為人形機器人特定部位功能，進(jìn)行六維力傳感器的性能匹配選型，是機器人廠(chǎng)商在設計和制造過(guò)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(lái)，海伯森持續投入研發(fā)，通過(guò)新材料應用、技術(shù)創(chuàng )新、軟件升級等方式實(shí)現產(chǎn)品的不斷迭代優(yōu)化，結合市場(chǎng)大范圍拓展帶來(lái)的大量產(chǎn)品應用經(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(chǎng)好評。

【關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)及解決方案】

01高精度力矩測量

挑戰：六維力傳感器需要在多個(gè)自由度上同時(shí)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(xiàn)性度的應變片材料，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。通過(guò)先進(jìn)的制造工藝，確保應變片與彈性體之間的牢固結合，提高測量精度。

02低溫漂和零點(diǎn)穩定性

挑戰：溫度變化對傳感器輸出信號的影響顯著(zhù)，必須在廣泛的溫度范圍內保持穩定的輸出。

解決方案：海伯森在傳感器內部集成高精度的溫度補償算法，使用具有熱穩定性的材料，確保傳感器在不同溫度下輸出穩定。通過(guò)嚴格的溫度測試和優(yōu)化，減少溫度漂移對測量精度的影響。

03高動(dòng)態(tài)響應和抗沖擊能力

挑戰：傳感器需要能夠實(shí)時(shí)響應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：海伯森在結構設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(guò)優(yōu)化信號處理電路，確保傳感器具備高動(dòng)態(tài)響應能力，能夠迅速跟蹤快速變化的力和力矩。

04低串擾和高線(xiàn)性度

挑戰：多維力傳感器各測量方向間的耦合影響（串擾）會(huì )降低測量精度。

解決方案：海伯森采用先進(jìn)的結構解耦設計和高性能的嵌入式微處理器，結合復雜的補償算法，減少各測量方向間的耦合，確保高線(xiàn)性度和低串擾。

05高分辨率和靈敏度

挑戰：高分辨率和靈敏度是六維力傳感器的核心性能指標，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，并精益求精地設計應變片材料和結構，確保傳感器具備高分辨率和高靈敏度。

06過(guò)載保護和長(cháng)壽命設計

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

解決方案：海伯森通過(guò)優(yōu)化彈性體結構和采用先進(jìn)的力傳遞路徑設計，提高傳感器的過(guò)載保護能力。選擇高耐用性的材料和改進(jìn)制造工藝，確保傳感器的長(cháng)期可靠性和使用壽命。

【行業(yè)應用】

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

工業(yè)機器人：在工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)上，六維力傳感器幫助工業(yè)機器人實(shí)現高精度的裝配、焊接和搬運任務(wù)。傳感器提供的實(shí)時(shí)力反饋數據，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(lèi)緊密協(xié)作，六維力傳感器確保機器人在執行任務(wù)時(shí)能夠感知并響應外界的力變化，保證安全性和操作靈活性。

外骨骼機器人：在醫療康復和輔助領(lǐng)域，六維力傳感器用于外骨骼機器人的關(guān)節部位，提供力反饋數據，幫助患者進(jìn)行精準的康復訓練，增強運動(dòng)能力。

醫療康復機器人：在康復治療中，六維力傳感器用于監測和控制康復機器人的操作力，確保治療過(guò)程的安全和有效性，為患者提供個(gè)性化的康復方案。

柔性?shī)A爪和機器人關(guān)節：在自動(dòng)化生產(chǎn)中，六維力傳感器應用于柔性?shī)A爪和機器人關(guān)節，實(shí)現對工件的精細抓取和搬運，適應各種復雜工況。

自動(dòng)化測量與控制：在測量和控制系統中，六維力傳感器用于精確測量多維力和力矩，提供高精度的數據支持，應用于風(fēng)洞測試、實(shí)驗室研究等領(lǐng)域。

六維力傳感器是人形機器人技術(shù)進(jìn)步的核心，其通過(guò)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(dòng)態(tài)響應能力，為機器人執行復雜任務(wù)提供了強有力的技術(shù)支持，是實(shí)現機器人智能化和自動(dòng)化不可或缺的組件。

結語(yǔ)：展望未來(lái)，隨著(zhù)研發(fā)的持續投入及技術(shù)的不斷突破，海伯森HPS-FT系列六維力傳感器將繼續以其微型化、智能化和高性?xún)r(jià)比進(jìn)一步推動(dòng)其在各個(gè)領(lǐng)域的應用，并在人形機器人的多場(chǎng)景應用中展現出更加卓越的性能，不僅提升機器人的適應性和可靠性，也將為人形機器人的進(jìn)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(zhuān)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)綜合應用于傳感器產(chǎn)品的研發(fā)能力和規?；a(chǎn)能力，主營(yíng)產(chǎn)品包括3D閃測傳感器、3D線(xiàn)光譜共焦傳感器、點(diǎn)光譜共焦傳感器、六維力傳感器、激光對刀儀、超高速工業(yè)相機、激光對針傳感器等。