人形机器人零部件行业专题报告:为什么强调力控?

发表时间: 2024-01-20 作者: 火狐电竞游戏官方网站

  机器人运动控制的目的是使机器人能够按照人类的指令,完成复杂的动作任务和自 主决策。我们设计并生产机器人的最大的目的就是使机器人能代替人类从事特定任务, 因此能说,运动控制是机器人研究中的核心所在。 机器人运动控制的本质是对伺服电机来控制,而伺服系统一般有三种控制方式, 分别是转矩控制、位置控制和速度控制。

  转矩控制:是指伺服驱动器仅对电机的转矩来控制,原理是通过电流环控制 电机转矩。电流环处于最内侧,此环完全在伺服驱动器内部进行,通过霍尔装 置,检测驱动器给电机的各相的输出电流,负反馈给电流的设定进行PID调节, 进而达到输出电流尽量接近等于设定电流。

  速度控制:是指驱动器仅对电机的转速和转矩来控制,原理是通过电流环和 速度环控制位置。通过检验测试的伺服电机编码器的信号来进行负反馈 PID 调节, 环内 PID 输出直接就是电流环的设定,所以速度环控制包括速度环和电流环。

  位置控制:是指驱动器对电机的转速、转角和转矩来控制,原理是通过电流 环、速度环和位置环控制位置。位置环是最外环,可在驱动器和伺服电机编码 器间构建也可以在外部控制器和电机编码器或最终负载间构建,要根据实际情 况来定。由于位置控制环内部输出就是速度环的设定,位置控制模式下系统进 行了所有 3 个环的运算,此时的系统运算量最大,动态响应速度也最慢。

  转矩控制在机器人运动控制中的地位愈发重要。在三种控制方式中,传统机器人一 般会使用位置控制,比如机械臂会沿着事先规划好的轨迹在封闭、确认的空间中运 动。但是随机器人应用场景的多样化,转矩控制的重要性愈发明显。 柔性控制能帮助机器人适应更多场景需求。一般而言,位置和速度控制可以认为是 “硬约束”,即机器人只能在设定区间中运行,而转矩控制是“软约束”或“柔性控 制”,机器人能根据场景需求而不断调整作用力的大小。举个例子,机器人行走在 不规则且未知的路面上,由于路面情况未知无法做事先的建模预测或者由于不规则 路面状态太多而无法做精确的建模,这时如果使用纯位置控制的话,就无法规划处 一条合适的位置轨迹,此时我们必须引入力控,做到实时的动态控制。

  目前针对机器人硬件层面的力反馈测量主要有三种方式,应变片式力矩传感器、电 磁式力矩传感器和弹性体,而应变片式和电磁式都可以归属于力传感器。 力矩传感器:将力矩传感器安装在脚掌和踝关节、机械手和腕关节之间,用于 测量末端执行器与外界环境交互的受力情况。 电流环:通过电机的电流闭环做力闭环反馈控制,适用于直驱电机或减速比较 小的执行器。

  那么,这三种测量方式具体适用在哪些场景中呢?我们认为,这与整个执行器方案 的设计具有密切关系。 目前针对机器人行业的常用执行器方案有三种,包括高刚度的常规方案、SEA、本 体驱动器。三种方案的核心区别其实在于对力矩的测量上,常规方案使用基于应变 片原理的力矩传感器测量力反馈,SEA 带有刚度更低的弹性体,因此一般使用电磁 式或应变片式测量,而本体驱动器则使用电环流的方案并取消了传感器的配置。

  常规方案:使用力矩传感器测量执行器中的力反馈是目前主流方案,也是技术最为 成熟的路线。除了成本昂贵、安装复杂以及部分性能问题外,应变片式传感器在机 器人实际应用中的表现显著优于其他两者。这一方案我们会在接下来第二章重点介 绍。 SEA 方案:通过弹性体测量扭矩,一般会使用电磁传感器或应变片式测量扭矩。至 于使用哪种方案,会综合考虑到成本,刚度、分辨率等因素。比如在国外学者的研 究中,两种方式在 SEA 驱动器的实际应用中表现出各自的优劣势。对于 电磁式而言,虽然其可以克服应变片式存在的线性误差、零漂、温漂以及成本昂贵 等的缺点,但他在刚度和分辨率等方面存在较大问题。

  因为在要求高刚度水平的系统中,电磁式编码的分辨率会被迫降低,而应变片式则 能通过调整仪器放大器的增益来补偿这一缺点。因此在下表中可以发现,虽然两者 的分辨率大相径庭,但应变式的刚度是电磁式的 10 倍。换句话来说,在保持一定分 辨率的情况下,电磁式的刚度过低会导致扭矩能力降低以及过低的过载安全系数, 最终或使得机器人执行器在实际运作过程容易受损。值得一提的是,部分应用 SEA 方案的四足机器狗,为了同时保持高刚度和高分辨率,一般会使用 3 个编码器,且 为价格较昂贵的 19 位磁编。 简而言之,弹性体刚度是区分两种方案的标尺。在低刚度偏柔性的机器人关节中, 可以使用电磁式,在中刚度且对分辨率要求并不高的情况下也可以使用电磁式,而 在高刚度要求下主要使用应变片式。

  本体驱动方案:用电流环替代昂贵的传感器是机器人节省成本的一个重要途径,因 此在这里大家最大的疑问应该是,为什么电流环不适用于上面两种驱动器方案? 理论上来讲,电流环可以用在常规方案和 SEA 方案中,但前提条件是减速器的减 速比不能太高。在减速比较高的配备谐波减速器的执行器中,使用电流环测量力反 馈最大的问题在于无法克服启动扭矩精确识别的难点。具体来说,减速比越大,意 味着反驱力的透明度越低,增速启动扭矩就越高,输出端就越难转动,从机器人的 表现上来看就是启动时拖拽比较费劲,而电流环对启动扭矩的观测弱于传感器,最 终导致前者无法精确反馈力矩信息,进而使得控制器无法输出准确扭矩。简单来说, 由于减速器静摩擦力,需要较大的外力,才能使电流环检测到,而力传感器在这一 点上显著优于电流环。 换句话来说,要保持较好的力控性能和成本相对可控,电流环在常规方案和 SEA 方 案中,更多适用于小负载的机器人关节。

  力矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测,通过将扭力 的物理变化转换成精确的电信号,从而进行测量和监测。 一个完整的传感器结构需要由上法兰、下法兰、弹性体、支撑台、和密封盖组成。 上法兰外接机械手臂末端内接弹性体,下法兰和支撑台采用一体式设计可以增强传 感器的刚度,支撑台内留有空间和单线孔方便敏感元件布置和走线. 工作原理

  以电阻应变片式传感器为例,传感器的工作方式大致路径是:外界加载的力/力矩使 弹性体产生形变,粘贴在内梁的应变片组成的桥路将弯曲位移信息转化为可以被测 量的模拟信号,随后进入数据采集模块,先对来自传感头模块的模拟信号预处理,即将电阻应变片采集的信号进行放大和滤波以适应转换器的转换量程,随后通过 ADC 将模拟电压信号转换成数字信号,转换后的信号通过 USB 接口至上位机,最 后通过计算机对采集数据分析处理。 因此,一个完整的六维力传感器的传感器系统不只是机械结构框架,而是基于结构 感知平台设计的一套完整的系统,包括传感器模块和数据采集电路模块。传感模块 部分由六维力传感器弹性体和电阻应变电桥组成。数据采集模块由放大滤波模块、 数据采集模块和 USB 接口模块组成。

  应变片的工作原理基于机械应变引起的电阻变化的概念。应变片通常由细线或箔组 成,通常由铜等高导电材料制成,附着在柔性背衬材料上。当机械应变施加到应变 片上时,线或金箔会发生变形,导致其长度和横截面积发生变化,而这种尺寸的改 变导致线或箔的电阻发生相应的变化。 具体而言,每个应变片均由柔性基板绝缘的金属箔组成,两根引线使 电流通过压力表,当被测物体的表面拉伸或收缩时,电阻的变化就会被测量到。电 阻的变化与被测物体表面的长度变化成正比,通过等式(电阻变化量/原有电阻=应 变片系数*拉伸长度)测量出电阻的变化。

  进一步而言,惠斯通电桥对于应变片形成的电阻变化进行放大并输出电信号。惠斯 通电桥是一种可以精确测量电阻的仪器。惠斯通电桥由四个电阻器(R1、R2、R3 和 R4)组成,它们以菱形连接,直流电源连接在电路的顶部和底部点(电路中的 C 和 D)之间。该电桥用于通过将未知电阻与已知电阻值进行比较来非常精确地找到未 知电阻。当应变片因形变而导致电阻发生变化时,惠斯通电桥电路就不平衡,这种 不平衡会产生一个小的电输出信号,该信号与施加的应变成正比。 按照应变片在惠斯通电桥使用的数量划分,一般可以将惠斯通电桥分为四分之一桥、 半桥和全桥。 四分之一桥:四分之一桥是由一个应变片和三个固定电阻构成,主要用于测量 单轴。该系统易于配置,因此广泛用于一般应力或应变测量。 半桥:对于半桥系统,将 2 个应变片连接到电桥上,每个应变片连接到相邻或 相对的电桥上,其他为固定电阻。其中一个应变片用作温度补偿的虚拟应变片, 其中两个应变片都用作主动应变片。半桥系统用于消除目标应变以外的应变分 量。 全桥:全桥系统有 4 个应变片。该电路确保了应变片传感器的大输出,改善了 温度补偿,消除了目标应变以外的应变分量。全桥电路提供更高的灵敏度和最 小的温度变化误差。

  应变片可分为金属式和半导体式两大类:1)金属式:丝式、箔式、薄膜式;2)半 导体式:薄膜式、扩散式。根据基底材料不同又可分为纸基、胶基和金属片基等。 丝式应变片:将直径 0.015~0.05mm、长度 0.2~200mm 范围的金属丝,形状弯曲后,用粘合剂粘贴在基底上而成。电阻丝两端焊有引出线,使用时只 要将应变片贴于被测弹性体上,就可构成应变式传感器。 箔式应变片:它的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚度一般在 3 m 至 10m 之间。与丝式应变片相比,箔式应变片表面积大,散热性好,允许 通过较大的电流。由于箔式应变片很薄,因此具有较好的可挠性,灵敏度系数 较高。箔式应变片还能够准确的通过需要制成任意形状,适合批量生产。 金属薄膜应变片:采用真空蒸镀或溅射等方法,在薄的基底材料上制成一层金 属电阻材料薄膜,然后用蚀刻技术制成各种形状的栅,以形成应变片。薄膜厚 度比箔栅还要薄,一般在 0.1m 以下,其灵敏系数比箔式还要高,允许电流 密度大,工作温度范围较广。

  横梁结构:该结构的特点是一个形状像横杆的弹性元件,应变片放置在横梁和柔性 支撑横梁上。外圈通常通过施加在内圈上的外力保持固定,从而导致变形。 横梁结构紧凑,由于其整体结构提供了高刚度,但受到耦合效应的影响,制造起来 具有挑战性。而且横梁结构的弹性体设计同样具备挑战性。这种结构传感器重复性 较差,刚度和灵敏度达不到最优。另外该结构不具备过载保护能力,不适合重载工 况和瞬间冲载荷高的工作环境。 平行结构:该结构是由一个上部平台和一个下部固定底座组成,由六个或多个带有 球形接头的四肢连接。 与横梁结构相比,并联结构基于运动学和几何学解析找到柔度矩阵。

  力传感器的分类通常基于其工作原理、测量类型、输出信号、测力维数类型等因素。 工作原理:根据工作应用的物理原理的不同,分为应变式、压电式、电磁式、 光纤式、容量式等。 测量类型:可以分为压力传感器、拉力传感器、扭矩传感器等。 输出信号:可以分为模拟输出力传感器和数字输出力传感器。测力维数:可以分为一至六维传感器,其中一维、三维和六维力传感器较为常 用。 我们在这里重点介绍常用的应变式传感器和六维力传感器。

  定义:核心零件是应变片,应变片通常由一薄薄的金属片或金属膜组成,能够精确 地测量弹性体的微小变形。它通常被粘贴在弹性体的表面上,当弹性体发生变形时, 应变片的电阻值会发生变化。

  相较于其他传感器,应变片式因其精度高、宽量程以及快速响应等特点而被广泛采 用,目前主要应用于各种工业和实验应用,例如桥梁和建筑物的结构监测,和机器 部件的力学测试。 高精度: 应变片式压力传感器具有高度灵敏的测量能力,能够提供精确的压力 测量结果。其可靠性和稳定性使其成为需要高精度测量的应用的理想选择。 宽量程: 应变片式压力传感器可根据具体应用的需要进行定制,具备较宽的压 力量程范围。它可以适应从微小压力到高压力的广泛测量范围,满足不同应用 的需求。 耐用性: 应变片式压力传感器通常采用高强度和耐腐蚀的材料制成,具备较高 的耐久性和可靠性。它们能够在恶劣的工作环境下长时间稳定运行,并具有较 长的使用寿命。 快速响应: 由于其结构简单、质量轻巧,应变片式压力传感器能够实现快速响 应。它对于快速变化的压力信号具有良好的捕捉能力,适用于需要实时响应和 控制的应用。 良好的线性性能: 应变片式压力传感器在一定范围内表现出较好的线性响应特 性,使得其输出信号与输入压力之间存在良好的线性关系。这对于进行精确的 压力测量和数据分析非常重要。

  定义:能够同时测量三个正交方向上的力(Fx, Fy, Fz)和三个绕这些轴的力矩(Mx, My, Mz),可以理解为测量物体在三维空间中的三个平移度量(X、Y、Z 轴上的移 动)和三个旋转度量(绕 X、Y、Z 轴的旋转)的传感器。它可以测量一个物体在空 间中的所有可能运动,包括平移和旋转,因此也被称为六自由度(6-DOF)传感器。 六维力传感器采用了先进的解耦算法,能够有效且精确地修正三个方向上的力和弯 矩之间的耦合误差。由于能够消除弯矩对力测量的干扰,这使得六维力传感器在力 的测量准确性方面,远超三维力传感器。

  相较于一维/三维,六维传感器具备测量精度高、结构紧凑、响应迅速等特点。 安装方便:集成度高,将六个传感器合并为一个,简化了安装过程,仅需 4-8 颗螺丝钉即可固定,节省了安装时间。 同步性优越:能够实时并且同步地测量六个方向的力和力矩,避免了由于时间 差导致的测量误差,提高了测量的可靠性和准确性。节省空间:占用空间小,为在空间有限的场合进行高精度的多维度测量提供了 可能。耦合误差低:高精度产品的耦合误差可以控制在 1%以内,即使是常规 产品,耦合误差也能维持在 2%-5%之间,大大优于多个一维力传感器组合的方 案。 多维度测量:提供了全方位的力和力矩信息,对于需要综合分析物体在多个方 向上的受力情况的应用场景具有重要价值。六维力传感器以其安装简便、高度 同步、小空间占用、低耦合误差和多维度测量的能力,成为多个领域中理想的 力和力矩测量工具。

  衡量传感器性能的指标有很多,包括灵敏度、精度、非线性误差、解耦误差等等。 其中,以灵敏度、精度、工作频带和测量范围为核心指标度量。 灵敏度:灵敏度是指传感器在稳态工作情况下,输出量的变化量和输入量的变化量 的比值。提高灵敏度,则与被测量变化相对应的输出信号才会更大,从而有利于后 续信号处理。但灵敏度并非越高越好,因为随着灵敏度的提高,测量值中更多的引 入了与测量值无关的周边量,相应的测量稳定性变差。 精度:传感器的精度性能指标指的是传感器的测量精度,理想的传感器应具有较好 的精度性能。此外,因六维加速度传感器能够同时测量三维线加速度和三维角加速 度,为了确定各通道间测量精度能力的差异性,需测量六维加速度传感器的精度各 向同性指标。

  工作频带:传感器的工作频带代表了传感器可测量信号的频率范围,理想的传感器 应该具有足够宽的工作频带。其中,工作频带的下限受限于电荷放大器的下限截止 频率,上限受限于传感器的固有频率,而且为了远离共振区的影响,一般传感器的 上限频率取传感器固有频率的 1/3-1/5。 测量范围:传感器的测量范围主要受制于弹性球铰链的强度,即在测量范围内,要 保证弹性球铰链不会因受交变的应力的作用而发生疲劳破坏。

  从上述的传感器核心指标可以看出,精度是力传感器最为重要的衡量指标,它决定 着机器人在运动控制过程中对作用力的感知和反馈能力。而影响精度的因素很多, 较为重要且解决技术难度较高的主要是维间耦合和无效负载两个因素。

  问题:六维力传感器在加工装配完成后,理想情况下在只受到来自该维度力/力矩 加载时,其余维度不会产生输出信号。然而,由于传感器自身结构以及加工误差等 因素的影响,导致某一方的作用力都会对其余五个方向的输出信号产生影响,这就 是维间耦合。由于耦合误差的存在,大大降低了传感器的测量精度,难以消除的维 间耦合是影响传统力觉感知系统精度提高的主要因素,甚至引起机器人控制系统的 误动作。 进一步而言,几乎所有传统机器人多维力传感器都存在不可消除的维间耦合,而且 部分耦合还有非线性的特征。非线性的维间耦合,不仅表现为各力/力矩通道的输出 电压-加载力/力矩呈现出非线性关系,而且各通道的维间耦合也不完全是线性的。 可以说,在维间耦合中,非线性的维间耦合要比线性的更难处理,因此非线性的解 耦也是目前力传感器的重要技术难点。

  解决方案:现有的解耦方法主要包括结构解耦和软件解耦。前者从硬件入手,通过 弹性体等核心部件的设计和制造优化,设法从根源上消除维间耦合,后者则是从软 件入手,通过合适的解耦算法降低或消除耦合误差。简单来说,前者实现难度较大 且制造成本高,后者则成本低且灵活性高。

  结构解耦:非线性耦合产生的主要原因之一就是机械加工存在误差和应变片的 精确贴片位置难以保证。因此在生产制造过程中,优化应变片和弹性体的生产 是从硬件端解耦的一大途径。 应变片的生产流程包括基作、涂胶光刻、阻值调整、引线焊接等、灵敏系数测 定以及最终的贴片工序。其中较为重要的工序主要是开头和结尾,即开头的结构设 计和刻图制版和结尾的灵敏系数测定以及贴片。

  生产:传统制造工艺中刻图制片、涂胶光刻、基作、粗细腐蚀、阻值调整、引 线焊接、涂复盖层、质量检查等工序多为手工操作和控制,人为的因素对产品质量 影响很大,而且应变计成功率低,均一性差。 而美国 VMM 公司和德国 HBM 公司的应变计生产工艺,自动化程度都很高,几乎 每道工序都采用计算机自动控制和处理。关键工序如基作、光刻腐蚀、精细调 阻,引线焊接、质量检测等都在自动化程度很高的专用设备上进行,制造工艺的可 重复性好,工艺兑现率高。因此应变计的各项技术指标优良,一致性和稳定性好, 批次产品质量几乎无差别。 灵敏系数:灵敏系数是电阻应变计的重要参数,,许多生产厂家都采用等应力悬臂梁 进行测试,其结果是灵敏系数分散大,准确度低。因此灵敏系数对厂商的自动加载 测量装置有着较高的要求。 贴片:对于一般的传感器,比如一维力传感器等基本可以实现自动化贴片,但是由 于六维力传感器的应变片数量较多且体积较小,当前的自动贴片机无法完成这一任 务,因此大部分依然是通过人工手动贴片。贴片工艺的差异,会导致同一批次产品 性能和质量也有差异,厂商只能通过后期的校准进行弥补。因此,从这个角度来看, 贴片工艺这一难点不会成为厂商竞争的“硬约束”。 总结以上三个核心步骤,可以发现,目前在应变片的生产和组装流程中,造成厂商 之间产品差异的主要在于应变片的前道生产工序。

  弹性体:对于电阻应变片式测力传感器来说,弹性体结构形状与相关尺寸对测力传 感器性能影响极大。可以说,测力传感器性能主要取决于其弹性体形状及相关尺寸。 测力传感器弹性体设计不合理,弹性体加工精度多高、粘贴电阻应变片品质多好, 测力传感器都难以达到较高测力性能。测力传感器设计过程中,对弹性体进行合理 设计至关重要。 一般说来,普通机械零件和构件只须满足足够大安全系数下强度和刚度即可,对受 力条件下零件或构件上应力分布情况不必严格要求。而对于弹性体来说,需要满足 机械强度和刚度要求以外,必须保证弹性体上粘贴电阻应变片部位应力与弹性体承 受载荷保持严格对应关系;同时,提高测力传感器测力灵敏度,还应使贴片部位达 到较高应力水平。 由此可见,弹性体设计过程中必须满足以下两项要求:1)贴片部位应力(应变)应 与被测力保持严格对应关系;2)贴片部位应具有较高应力(应变)水平。

  软件解耦:软件解耦会用到解耦算法,所谓的解耦算法,实质上是求取广义力 向量和传感器输出信号之间精确的函数关系,以实现对各维力的准确测量。由于六维力矩传感器内部的弹性体结构较为复杂,存在众多因素影响传感器的实 际静态特性和理论值之间存在一定的误差,因此通过采用静态标定实验的方法 来获得传感器真实的静态特性。 进一步而言,静态解耦算法包括线性解耦和非线性解耦(区别在于认定传感器 系统是线性还是非线性),前者应用已经较为广泛,但精度不高。而实际上传感 器输出的波形较为复杂,并呈现非线性,因此非线性算法解耦是当前的一大难 点。 a) 线性解耦:目前针对线性耦合误差的算法较为成熟,一般会使用克拉默法 则或最小二乘法。当传感器标定数据线性度较好时,一般会采用这两种方 法进行解耦,其解耦效率高,且结果较为准确。 b) 非线性解耦:目前学界研究出多种非线性解耦算法,包括 BP ( Back Propagation) 神经网络、RBF(Radial Basis Function,径向基函数) 神经网络、 支持向量机、遗传算法等。

  而无论是进行线性解耦还是非线性解耦,在解耦前都需要利用标定装置进行标定和 检测,并利用标定数据求解标定矩阵。因此,标定装置的性能决定了标定数据的准 确性,为后续高精度解耦奠定了基础。 标定:通过对六维样本空间中的样本点进行精确加载,建立传感器信号与力和 力矩的映射关系,获得解耦算法的数学模型和参数。标定是获得传感器的固定 参数。 检测:通过加载已知理论真值的载荷并同时记录传感器测量结果的方式,统计、 比较测量结果和理论真值的差异,获得传感器的精度和准度。检测是衡量标定 的效果。

  标定和检测都需要用到标定装置进行,在现有的标定装置中,六维联合加载设备是 十分重要且稀缺的标定装置之一。六维联合加载设备可以对力传感器实现正交三方 向力和力矩的同时精准加载,只有在传感器的标定和检测过程中,用这种六维联合 加载的方式才能实现 0.5%FS 以内的准度。六维联合加载设备是高精度六维力传感 器研发和生产的必备条件 六维联合加载设备的研发涉及到空间光学定位、载荷位移补偿、机电一体化等多项 综合技术,有上百个 Know How,非常依赖工程经验。一旦某个细节考虑不周全, 加载效果就会不理想,加载设备自己产生的耦合误差可能超过 1%FS,这势必无法 标定出高准度的六维力传感器。值得一提的是,由于目前还没有标准产品可以直接 采购,所以该设备一般由六维力传感器的厂商自行研制。因此,六维联合加载设备 是目前构成市场上六维力传感器差异的核心原因之一,也是设计和生产六维力传感 器的重要技术门槛。

  问题:影响传感器精度的第二个因素是无效负载。无效负载是指在传感器读数中, 除了真实施加的有效负载力外存在的额外负载,无效负载会导致传感器的实际读数 和真实读数发生偏离。一般而言,造成无效负载的因素有二: 一是传感器以及整个机器人关节自身的重力会对读数产生影响; 二是在没有任何外力作用下,环境(比如温度、振动、压力和湿度等)造成的 传感器输出值的基准值(即零点)发生漂移,也就是所谓的零漂。 在实际的测量应用中,传感器的初始读数为机器人通电时的零点和工具的重力之和 构成,因此初始读数的准确性是非常重要的,毕竟误差会导致最终结果的不准确, 最终影响机器人对作用力的信息反馈。因此重力实时补偿与传感器零点处理是较为 重要的处理步骤。

  解决方案:对于工具重力负载,目前一般可通过算法解耦。而对于零点漂移而言, 产生零点漂移的原因很多,任何元件参数的变化(包括电压源电压的波动),都将造 成输出电压漂移。实践证明,温度变化是产生零点漂移的主要原因,也是最难克服 的因素。这是由于半导体元器件的导电性对温度非常敏感,而温度又很难维持恒定。 对于一般的传感器而言,可通过温度补偿(用另外一个元器件的温漂来抵消电路的 漂移)、差动式放大电路等方法抑制零漂问题。 但六维力传感器零点温度漂移与一般传感器不同,其关键是六维力传感器是一种复 杂结构,任一部分温度分布不均或温度梯度不对称,均会产生热应力使某些桥路输 出变化。加工引起的不对称性对温度漂移影响很大,因此需要从弹性体等核心部件 的设计和生产过程入手,通过硬件端的优化抑制零漂。对于六维力矩传感器而言, 抑制零漂对弹性体的制造工艺同样有着较高要求。

  从传感器的生产工艺流程可以看出,弹性体的制造加工和应变片的生产组装是两个 较为重要的步骤。

  首先是应变片的生产。应变片涉及到的原材料包括钢材、铝材、箔材、电线电 缆等,其中钢材、铝材以及电线电缆基本能实现国内采购,但是箔材基于材料 的特殊性,现在仍然以进口为主。 其次是弹性体的制造。一般由传感器厂商采购上游钢材或铝材,按照传感器设 计,将材料进行机械加工,成为满足应变测试用的弹性元件。因此,弹性体的 供应商一般是传感器厂商。

  国外应变片生产技术较为领先,其中以美国 Vishay、德国 HBM、日本的 NMB 为代 表性企业。国内厂商方面,中航电测是我国综合实力、产品品类相对较强的应变片 生产厂商,但在产品精度等性能方面与国际水平仍然有一定差异。 Vishay:成立于 1962 年,总部位于美国宾夕法尼亚州,是世界最大的无源半导体器 件、应变片及称重传感器的最大制造商之一,目前集团已经有 69 个制造基地,遍 布全球 17 个国家。是国际公认的电阻箔技术、传感器和基于传感器的适用于特定工 业应用系统方案的制造商。作为其四大运营事业部之一,Micro-Measurements (MM) 致力于开发、生产和销售高精度应变测量产品,提供 Advanced Sensors(AS 应变片)、 应力分析应变片和应变式传感器、应变片安装附件等。

  HBM:公司成立于 1950 年,公司总部位于德国达姆斯达特市,公司的创办人霍丁 格先生是世界上应变测量的先驱之一。当前有 3个生产基地以及遍布全世界范围内 30 多个销售代理机构的跨国公司。公司的主要客户遍布全球,世界上很多著名的衡器及测量方面的公司都与公司有密切的合作关系。HBM 产品范围涵盖传感器、应变 片、放大器、数据采集系统以及用于结构耐久性测试和分析的软件。 作为全球领先的应变片制造商,HBM 的应变片种类繁多,适合多种不同的应力测试 测量应用,有超过 6000 种应变片可供选择。HBM 有超过 65 年的应变片设计和制 造经验。

  NMB:成立于 1951 年,总部位于日本东京,多年来美蓓亚已经形成了模具、轴承、 电脑配件、精密电机、应变计、应变式传感器等多类产品系列。于 1994 年在中国投 资设立了第一个独资生产基地--上海美蓓亚精密机电有限公司,截止至 2023 年 3 月, 美蓓亚三美已在上海、苏州、珠海、青岛等地拥有了 16家工厂和 2 个技术中心,销售分支机构遍布 17 个城市。2022 财年中国地区营业额 2259 亿日元,占集团总营业 额 17.5%。

  中航电测:公司在国内起步早、起点高,从事电测产品已有三十多年的历史,具有 国际水平的设计能力、接近国际水平的工艺装备及工艺制造技术,常温电阻应变计 技术指标已达到世界水平。公司具有应变计、传感器、系统结构、数据采集、信号 处理、产品加工、特种工艺等一系列研发、设计及生产技术。 箔材热处理技术:公司的箔材热处理技术为自主研发,通过对热处理炉的结构 改造,提高了炉腔内温度场均匀性和箔材性能的一致性,降低了应变计热输出 的分散。加强处理炉的密封性,保证高温下处理箔材不受影响;采用了进口的 温度控制仪,保温温度精度在0.1℃。 不锈钢传感器制造技术及负滞后应变计制作技术:除美国 Vishay 测量集团及 德国 HBM 公司外,公司为国内本土唯一可以批量生产高性能不锈钢传感器 (采用沉淀硬化型不锈钢为原料)的企业。 ZTC(温度零点)、STC(温度灵敏度)补偿技术:ZTC、STC 是传感器温度 性能的主要指标,该性能的检测、补偿需要较高的温度基准、力值基准、以及 稳定的检测作保证,公司的这些基准在同行业中属于领先水平。 贴片技术:目前公司所掌握的贴片技术主要的工艺参数,已经固化到批量生产 工艺中,批量生产的传感器已完全具备 OIMLC3 级的能力,小批量可以达到 C4 级的能力。

  六维力矩传感器从应变片生产、弹性体设计、参数标定等一系列环节都需要较高的 技术工艺,国外比如 ATI、OnRobot 等在该行业已经深耕多年,能够实现大量程、 高精度、高准度等性能优势,而我国在该领域起步较晚,当前正积极入局的包括宇 立、柯力等国内优秀企业。 ATI:美国 ATI Industrial Automation 是全球范围内优质机器人零部件供应商,专门 从事制造用于工业自动化和机器人的高性能产品。ATI 公司在全球范围内为工业自 动化、机器人以及相关领域提供了一系列的解决方案。它们为不同类型的制造和自 动化应用设计并生产多种传感器和附件。ATI 专注于机器人零部件的开发与制造, 核心产品涵盖:多维力传感器、顺从性介质连接器、伺服驱动设备、材料去除工具 以及机器人防碰撞传感器等。这些产品广泛应用于机器人、航空航天、生物医药、 自动化、电子产业、学术研究和核工程等多个领域。特别是在力/力矩传感器方面, ATI 的产品被认为处于业界领先,用于测量和分析机器人和其他工业自动化设备的 力和力矩,帮助提高制造过程的精度、效率和安全性。在 2021 年 ATI 被 Novanta 公 司以 2.24 亿美元的价格收购。

  ATI 在全球六维力传感器市场中以其广泛的产品系列和高性能保持领先地位。在 2022 年,公司的营业收入达到约 5280 万美元。ATI 目前提供的六维力传感器产品 有:Axia 系列、Nano 系列、Mini 系列、Gamma 系列、Delta 系列和 Omega 系列等, 同时提供根据客户需求的定制服务。这些产品的量程从 32N 到 40000N,3Nm 到 6000Nm,能够满足大部分六维力传感器的应用需求。

  OnRobot:丹麦 OnRobot 是机器人末端执行器和协作机器人配件行业中国际龙头企 业,主要专注于开发和制造先进的机器人末端执行器(End-of-Arm Tooling,EOAT), 为工业自动化领域提供解决方案。由四家专业的机器人技术公司合并而成,这四家 公司分别是 Perception Robotics(专门生产机器夹爪),OptoForce(专门生产机器人 力/扭矩传感器),On Robot(专门生产电动夹持器)和 Purple Robotics(专门生产双 真空夹持器)。OnRobot 致力于推动协作机器人技术的发展,其产品设计旨在使机器 人更加智能、灵活,并易于使用。OnRobot 提供的产品主要包括各种类型的机器人 夹具、传感器和软件等。这些产品应用于多个领域,如包装、装配、材料搬运和机 器上下料等。OnRobot 还提供软件解决方案,以便用户更加直观和便捷地进行机器 人编程和控制。 OnRobot 提供一系列完整的产品,为工业机器人提供多样化的工具和软件解决方案, 满足了机器人在不同应用场景中的需求。公司的产品谱系极为丰富,包括:电动夹 爪、真空夹爪、磁性夹爪、Gecko 夹持技术、力/扭矩传感器、2.5D 视觉系统、电动 螺丝刀、砂光机和工具更换器等。这些产品被广泛应用于各种工业环境和场合,如 机床管理、材料搬运、材料去除、质量检测和机械装配等领域,展现了其多样性和实用性。通过提供这些先进的工具和软件,OnRobot 强化了工业机器人的功能性和 灵活性,使之能更好地适应和满足各种工业应用的需求。

  柯力传感:柯力传感自 1995年成立以来,一直致力于应变式传感器、仪表和物联网 系统等领域的研发、制造和销售,是一家国家级重点高新技术企业,是国内最重要 的称重元件制造和销售企业之一。作为国内应变式传感器的领军企业,公司的主营 业务涵盖了应变式传感器、仪表的研制、生产和销售,以及系统集成和各种先进系 统和服务的提供,如不停车检测系统、无人值守一卡通智能称重系统、制造业人工 智能系统、企业数字化建设软件开发服务、移动资产管理系统和物流分拣系统等。 柯力传感在应变式传感器领域的深耕让其市场份额达到 25%。柯力传感连续 14 年 保持国内称重传感器市场的第一的地位。作为国内应变式传感器的龙头企业,以其 强大的研发实力、先进的技术水平和庞大的生产规模,在国内市场中占有约 25%的 市场份额。公司目前多维力系列产品仍处于研发和小批量试制阶段。柯力传感在深 圳成立了专门的机器人传感器事业部,专注于开发多维力传感器,如三维和六维力 传感器。这些传感器可以应用于多个领域,包括机器手臂的运动和工作载荷监测、 曲面研磨抛光、加工中心精雕加工和医疗设备精密测控,且具备高精度、高灵敏度、 强抗偏载能力和小维间耦合等优势。尽管这些多维力系列产品目前还处于小批量试 制阶段,但公司正基于现有的高端力学传感器,如微型、扭矩和多维力传感器,加 快研发速度,并积极寻找与各大机器人制造商的合作机会。

  宇立仪器:由原美国 FTSS 的总工程师黄约博士创建的公司,是全球知名企业 ABB的战略供应商,其产品被世界各地的机器人广泛使用。宇立在机器人打磨、组装以 及力控产品方面享有国际声誉。美敦力 (Medtronic) 所生产的腹部手术机器人采用 了宇立的传感器,意味着宇立的产品已经符合医疗设备生产的高标准。作为全球领 先的六轴力传感器供应商,宇立的产品广泛应用于多个领域,包括机器人与自动化、 汽车碰撞测试、汽车耐久测试、生物力学和通用试验设备。 目前宇立已建设了 4500 平米的生产基地,拥有完善的生产体系,包括机械加工、洁 净传感器生产、组装和测试车间。宇立仪器起初主要从事汽车碰撞假人领域的研发 与生产,打破了国外品牌的垄断,逐渐发展成为一个集研发、生产为一体的高科技 企业。与 ABB、库卡、安川、富士康等国际顶级机器人企业建立了合作关系,客户 涵盖了汽车安全、汽车耐久、机器人自动化和医疗等多个领域。其主要产品包括多 轴力传感器,例如六维力传感器、三维力传感器、一维力传感器和关节扭矩传感器, 力控打磨设备如 iGrinder 智能浮动力控和一套完整的机器人智能打磨设备,以及汽 车测试设备,如汽车耐久测试力传感器、汽车碰撞假人力传感器、碰撞力墙和辅助 驾驶测试系统 ADAS。

  当前六维力传感器市场规模尚小,但未来有极大的成长潜力。2019年全球力传感器 市场价值为 18 亿美元,预计到 2025 年将达到 25.3 亿美元,在 2020-2025 年的预测 期内复合年增长率为 5.9%。根据高工机器人产业研究所(GGII)的数据, 2022 年 中国市场六维力/力矩传感器销量达到 8360 套。假设六维力传感器销售均价为 2 万 元,则 2022 年中国六维力传感器市场规模约为 1.7 亿元。 从总体出货量观察,目前六维力/力矩传感器市场的基数仍然较小,还未形成显著的 规模效应。但随着更多的参与者加入以及下游细分市场的认知不断提高,六维力/力 矩传感器市场有望经历快速的发展期。在此期间预计会出现多个技术路线的发展, 产品矩阵的完善,产品成本的减少,以及国产化率的提升。

  如我们在《人形机器人专题(上篇)》所提到,机器人以其卓越的性能优势,正在逐 渐替代某些传统工业机器人的角色。尽管传统工业机器人已能满足工业制造中的大 多数需求,但人形机器人能够填补其无法触及的领域,主要是那些需要更高灵活性 的工种。例如,在搬运、焊接、组装、检测等多个应用场景中,传统机器人的应用 受到其可移动性差和安装条件高的限制,特别是在需要高度灵活性和特定长尾需求 的场合,其表现尤为不足。这些传统型态的工业机器人,尽管可进行功能开发来满 足特定需求,但需经过专业人员的编程、测试和开发,整个流程缺乏灵活性。与此 同时,尽管协助机器人易于操作和编程,却只适用于简单任务,并且由于属于轻量 级,其负载能力有限。综上所述,传统工业机器人在灵活性和易用性方面存在明显 短板,难以满足一些特定和灵活性要求较高的工业需求。 人形机器人将成为传统工业机器人不可或缺的补充,他们的主要优势体现在出类拔 萃的灵活性和移动能力。与人类一样,他们可以迅速并灵活地在各种工厂场景中移 动,能够在任务执行中通过大模型训练迭代,实现自主决策,以针对各种工作和场 景做出实时反馈。借助更高级别的自主决策能力和超越的移动性,人形机器人能够 有效地弥补传统工业机器人的缺陷,并可以替代一些原本由人执行的任务,展现在 工业环境中的应用潜力巨大。

  由于成本优势,机器人有潜力部分取代人力。尤其在劳动力成本高昂的海外市场, 机器人代替人工的经济效益变得更加明显。以美国为例,除了基本薪酬外,劳动成 本还包括税费、福利、保险、培训费用和由于法律法规风险可能产生的潜在成本。 基于简单的成本对比,即使在机器人的价格和运行成本都计入考虑,其运行成本仍 然远远低于人力成本。因此,尽管不可能完全取代人力,机器人的经济性和效率仍 将推动它在某些领域替代传统劳动力,尤其是在那些价值不高的职位上。这反映了 机器人在未来工业场景中替代传统劳动力的巨大潜力和价值。 因此,随着人形机器人产业的 0-1 爆发放量,我们大家都认为,六维传感器作为机器人的 重要零部件,将充分受益。

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