3. 力传感器与UR内置力估计
在UR Force Mode柔顺装配工程中，力信息的来源有两条完全不同的路径：一条是外置六维力/力矩传感器，直接测量末端执行器与工件之间的接触力；另一条是UR机器人内置的关节力矩估计，通过电机电流推算各关节力矩，再映射到末端。理解这两条路径的差异、适用边界以及如何把它们统一到同一个坐标系下，是后续力控参数整定的前提。
一、六维力传感器选型：先看量程与分辨率，再看机械接口
六维力传感器（Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz）的选型不是“精度越高越好”，而是要在量程、分辨率、刚度、过载能力和安装尺寸之间取得平衡。装配任务中，接触力通常在几十牛以内，但插拔瞬间的冲击可能达到数倍于稳态力。选型时建议按以下顺序判断：
- 量程：以装配任务中可能出现的最大冲击力为基准，留出2～3倍安全余量。例如稳态插入力约20 N，冲击峰值可能到60 N，则Fz量程选200 N较为稳妥。
- 分辨率：柔顺装配需要感知0.5～2 N级别的力变化，分辨率应优于0.1 N，否则微调阶段会“感觉不到”接触。
- 刚度与耦合：传感器刚度不足会引入弹性变形，导致位置控制与力控制相互干扰；维间耦合误差一般要求小于2% F.S.。
- 机械接口：法兰尺寸需与UR末端法兰（ISO 9409-1-50-4-M6）匹配，或通过过渡法兰连接，同时注意线缆走线不能限制关节运动。
一个常见的教学示例参数：选用某型六维力传感器，量程Fx/Fy=200 N、Fz=400 N、Mx/My/Mz=10 N·m，分辨率0.05 N，耦合误差≤1% F.S.，通过URCap或RTDE以500 Hz读取。这些参数属于示例设定，实际选型需以传感器手册和任务实测为准。
二、UR内置关节力矩估计原理
UR机器人没有在关节上安装力矩传感器，而是通过电机电流估计关节力矩。其基本链路是：电机驱动器测量电流 → 电流乘以电机转矩常数得到电机输出力矩 → 经过减速器传动比折算到关节侧 → 扣除重力、惯性、摩擦等动力学项 → 得到“外部力矩估计”。
UR控制器内部维护一个动力学模型，包含各连杆质量、质心位置和惯性张量。当机器人运动时，控制器计算理论所需力矩，再与实际电流推算的力矩比较，差值即被认为是外力引起的关节力矩。这个估计值可以通过RTDE的actual_current或URCap的力模式接口间接获取。
因此，在UR Force Mode工程中，内置估计更多作为“安全层”和“粗引导层”，而六维力传感器作为“精控层”。两者不是替代关系，而是互补关系。
三、传感器标定与坐标系对齐
六维力传感器安装后，必须完成两项工作：零点标定和坐标系对齐。零点标定是在无外力状态下采集传感器输出，将其作为偏置扣除。坐标系对齐则是确定传感器坐标系与UR工具坐标系（TCP）之间的旋转关系。
标定过程可以按以下步骤执行：
- 将机器人置于无接触姿态，确保末端无负载或已知负载，采集200～500帧数据，计算各通道均值作为零点偏置。
- 安装已知质量的标准负载（如1 kg砝码），改变机器人姿态使重力方向在传感器坐标系中变化，记录多组姿态下的力/力矩读数。
- 利用重力矢量在传感器坐标系中的投影关系，解算传感器坐标系相对于基坐标系的旋转矩阵。
- 将旋转矩阵写入UR的TCP配置或力控插件的坐标变换参数中，使力读数与工具运动方向一致。
坐标系对齐的验证方法：在工具Z轴方向施加一个已知力，观察传感器Fz读数是否与施加力一致，Fx/Fy应接近零。若偏差较大，说明旋转矩阵或零点偏置需要重新标定。
四、两条路径的协同使用建议
在实际工程中，建议把六维力传感器安装在UR末端法兰与夹爪之间，作为精控层；同时开启UR内置的力估计作为安全层。当内置估计检测到异常力矩（如碰撞）时，立即触发保护停止；而六维力传感器则用于插孔阶段的力反馈调节。两者通过RTDE或URCap插件同步读取，时间戳对齐误差应控制在5 ms以内。
标定完成后，建议保存一份标定记录，包含零点偏置值、旋转矩阵、标定日期和验证残差。每次更换末端工具或传感器后，必须重新执行零点标定和坐标系对齐，否则力控方向会出现系统性偏差。