六维力/力矩传感器/关节力传感器 关键技术研究及应用

摘要

六维力/力矩传感器是能够同步测量空间三个正交力（Fₓ、Fy、Fz）和三个力矩（Mx、My、Mz）的高精度传感设备，作为机器人实现柔顺化、智能化操作的关键传感设备，在工业制造、医疗健康、航空航天等领域发挥着不可替代的作用。本文综述了六维力/力矩传感器的关键技术原理、性能指标、设计挑战及应用进展，并探讨其未来发展趋势。核心技术创新在于弹性体结构设计、信号解耦算法及先进制造工艺的结合，使得传感器在精度、紧凑性和环境适应性方面持续突破。随着人形机器人产业的快速发展，六维力/力矩传感器正从“高端装备标配”走向“全行业普惠技术”，推动各行业从“位置控制”向“力控智能”的跨越。

关键词：六维力/力矩传感器；弹性体设计；解耦算法；人形机器人；力控智能

1 引言

六维力/力矩传感器是一类能够检测空间六维力和力矩全部信息的重要传感器。作为机器人“感知世界”的核心载体，其以其高价值量（占机器人总成本约16%）和高技术壁垒，成为人形机器人实现精准环境交互与柔顺控制的核心部件。近年来，随着应变片技术、解耦算法及MEMS（微机电系统）工艺的进步，六维力/力矩传感器在精度、紧凑性和成本控制方面取得显著突破，为机器人力控应用开辟了新的可能性。本文旨在深入探讨其关键技术研究现状及广泛应用，并对未来发展进行展望。

2 六维力/力矩传感器的技术原理与性能指标

2.1 基本工作原理

六维力/力矩传感器的核心功能是同步测量空间坐标系中的三维力（Fₓ、Fy、Fz）和三维力矩（Mx、My、Mz）。其工作原理基于弹性体形变：当外部载荷作用时，特殊几何结构（如十字梁、球形或层叠结构）的弹性体发生形变，通过材料形变将复杂外力分解为6个独立分量，最大程度减少交叉干扰。粘贴于弹性体关键位置（如梁侧、孔周）的应变片或集成压电/光纤传感元件，构成惠斯通电桥网络，将应变转化为电信号。不同电桥组合响应特定方向的载荷变化，最后通过标定实验建立的数学模型（标定矩阵）将多路电桥信号映射为六维力/力矩。

2.2 关键性能指标

1. 串扰（交叉干扰）：衡量维度间信号耦合程度，优秀传感器需将串扰控制在≤1%FS（满量程）以内。
2. 精度与准度：精度指重复测量误差，准度指与真值的偏差。目前国产产品准度已达0.5%FS