3. 力传感器与感知

在机器人力控系统中，力传感器是“感知入口”。没有可靠的力/力矩测量，后续的柔顺控制、力位混合控制、碰撞检测与装配策略都无从谈起。本节围绕三个问题展开：用什么测（传感器类型）、为什么能测（工作原理）、怎样把信号变成可用的力值（采集与标定）。

一、常见力/力矩传感器类型

按测量维度与安装位置，机器人常用的力感知器件可分为以下几类：

• 单轴力传感器：只测一个方向的拉力或压力，常见于夹爪指尖、末端推压机构，成本低、响应快。
• 六维力/力矩传感器：同时测量 Fx、Fy、Fz 三个力与 Mx、My、Mz 三个力矩，是力控机器人最核心的感知器件，通常安装在手腕与末端执行器之间。
• 关节力矩传感器：集成在关节减速器输出端或谐波减速器内部，用于关节级力矩闭环，典型用于协作机器人与直驱关节。
• 电流/电流环估计力：不增加硬件，通过电机电流乘以力矩常数估算关节力矩，成本最低但精度受摩擦、温漂影响大。
• 触觉/压力阵列传感器：以电容、压阻或压电阵列形式覆盖指面，用于抓取接触分布感知，而非精确力值。

选型时需权衡量程、分辨率、过载能力、刚度、耦合误差与安装接口。六维力传感器虽然信息最全，但价格高、标定复杂，且自身刚度会引入末端柔性，需在控制中补偿。

二、工作原理：从应变到电信号

绝大多数高精度力/力矩传感器基于应变式原理。弹性体在受力后产生微米级形变，粘贴其上的金属箔应变片随之伸缩，电阻发生变化。四个应变片组成惠斯通电桥，将电阻差转换为毫伏级差分电压：

Vout = Vex × (ΔR / R) × K
其中：Vex 为桥压（常见 5V 或 10V）
      ΔR/R 为应变引起的相对电阻变化
      K 为桥路增益系数（全桥约为 1）

六维力传感器通常采用十字梁、Stewart 并联结构或圆筒式弹性体，通过多组应变片布置，使六个维度的载荷在桥路中形成可解耦的电压组合。除应变式外，还有压电式（适合动态力、不能测静态）、电容式（灵敏度高、易受湿度影响）、光学式（抗电磁干扰、用于特殊环境）等。

三、信号采集链路

典型六维力传感器信号链如下：

1. 激励与桥路：提供稳定桥压，桥压波动会直接按比例影响输出，因此需用低噪声基准源。
2. 仪表放大器：将毫伏级差分信号放大到 0～5V 或 ±10V，共模抑制比需大于 100dB。
3. 抗混叠滤波：截止频率一般设为采样率的 1/2.5 以下，抑制高频机械噪声。
4. ADC 采样：常用 16 位或 24 位 Σ-Δ 型 ADC，采样率 1～10kHz，满足力控带宽（通常 100～500Hz）。
5. 数字解耦与温度补偿：在固件或上位机中完成耦合矩阵运算与零点温漂修正。

采集时要注意共地与屏蔽：传感器信号地与控制器地应单点连接，屏蔽层接机壳地，避免伺服驱动器 PWM 噪声串入。若使用 EtherCAT 或 CANopen 力传感器，还需关注总线周期与时间戳同步。

四、标定方法：把电压变成可信的力

标定的本质是求取从传感器原始电压到六维力/力矩的映射关系。常用方法有：

工程中最常用的是“静态砝码 + 重力补偿”组合：先用砝码建立各维增益，再用姿态变化法求工具重力与质心，最后在控制器中做实时重力补偿。标定后应保存零点偏置、耦合矩阵、温度系数三组参数，并在每次更换末端工具后重新执行。

五、典型场景与常见误区

场景：协作机器人做轴孔装配，六维力传感器安装在法兰与夹爪之间。装配前先空载采零点，再让机器人以 5mm/s 接触工件，力控环根据 Fz 与 Mx/My 调整姿态。若传感器未做重力补偿，夹爪自身重量会在姿态变化时产生 10～20N 的虚假力，导致装配失败。