Q:六維力矩傳感器的技術(shù)難點在哪里?

A:六維力矩傳感器技術(shù)難度主要體現(xiàn)在其能夠同時測量三個方向的力(三維力)以及圍繞 XYZ 軸旋轉(zhuǎn)的三個扭矩(三維扭矩)要實現(xiàn)這一目標，需要將三個一維力傳感器與三個扭矩傳感器結(jié)合設(shè)計，其中基礎(chǔ)原理依賴于應(yīng)變片和電橋兩個核心元件。應(yīng)變片會因為受力產(chǎn)生形變從而改變電阻值，而電橋則通過比較不同臂上的電壓差來計算出應(yīng)變片的形變程度，進而推算出所受力的大小和方向。

Q:六維力矩傳感器是什么，為何在人形機器人中備受關(guān)注?

A:六維力矩傳感器是一種用于測量力和扭矩的傳感器，它是機器人中不可或缺的組成部分，相當于人形機器人的神經(jīng)系統(tǒng)。在人形機器人中，六維力傳感器用于腳踝和手腕處，用于感知和控制機器人行走、動作等動態(tài)過程。根據(jù)我們的測算，一臺人形機器人中大約需要四個六維力傳感器，總價值量在 4000 到 8000 元之間，這顯示了其較高的附加價值和市場需求。

Q:六維力矩傳感器的工作原理具體是怎樣的?

A:六維力矩傳感器的工作原理基于應(yīng)變片和電橋技術(shù)。當傳感器受力發(fā)生形變時，應(yīng)變片的電阻值會發(fā)生相應(yīng)變化，通過測量電壓變化可計算出形變程度，進而得知所受力的大小和方向。電橋的作用是將多個應(yīng)變片組成的網(wǎng)絡(luò)與測量電壓連接起來，通過比較各臂上的電壓差來精確測量力的大小和扭矩的分布。在實際應(yīng)用中，六維力傳感器會根據(jù)具體需求采用單臂式或雙臂式電橋結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)對復雜動態(tài)力矩的有效檢測與控制。

Q:為什么這個傳感器可以測量六維力?

A:因為傳感器設(shè)計為十字架結(jié)構(gòu)，它不僅在 XYZ 三個軸上有感應(yīng)，而且通過側(cè)面放置的應(yīng)變片可以感知扭轉(zhuǎn)或扭曲等其他三個維度的力，因此能夠全面反映物體在三維空間中的受力情況。

Q:六維傳感器的基本工作原理是什么?

A:六維傳感器基于十字架梁結(jié)構(gòu)，其中在每個面片上貼有應(yīng)變片。當上下拉伸該結(jié)構(gòu)體時，由于面片與梁的緊密貼合，若梁因受力發(fā)生形變，則應(yīng)變片會同步發(fā)生形變，從而導致電壓變化，通過檢測這些電壓變化可以得知不同方向上的力大小，實現(xiàn)六維力的測量。

Q:六維傳感器的應(yīng)用場景有哪些?

A:這種傳感器主要應(yīng)用于柔順控制領(lǐng)域，例如協(xié)作機器人中當與外界接觸時能敏感感知并響應(yīng)力的變化,實現(xiàn)被動柔順控制。此外，由于其高靈敏度和精度，也廣泛應(yīng)用于航空、仿生醫(yī)學核設(shè)備以及手術(shù)機器人等高端領(lǐng)域。

Q:六維力傳感器制作難點在哪里?

A:六維力傳感器難以制作的主要原因在于它的高度敏感性，需要能精確感知各個方向上的力。這種敏感性在實際應(yīng)用中帶來了解耦設(shè)計的挑戰(zhàn)，即當在某一方向施加力時，其他方向也會產(chǎn)生相應(yīng)形變(耦合現(xiàn)象)，而要準確反推出每個獨立方向的壓力(解耦)則變得極為困難，尤其是當需要處理多個軸向數(shù)據(jù)時。

Q:如何解決六維力矩傳感器的解耦問題?

A:為了解耦問題，目前主要有兩種方法。一種是通過結(jié)構(gòu)解耦即通過精心設(shè)計傳感器結(jié)構(gòu)來降低集成度，理論上可以通過四十多個獨立的一維傳感器實現(xiàn)六維力矩的效果，但這種方法會導致體積增大。另一種方法則是尋求更高集成度的解決方案，雖然目前還沒有明確說明具體實現(xiàn)方式，但暗示了未來可能通過更先進的技術(shù)來解決解耦難題。

Q:六維力矩傳感器在設(shè)計上如何通過結(jié)構(gòu)改進來降低生產(chǎn)難度?

A:我們可以通過設(shè)計非鏡像的三梁結(jié)構(gòu)來改善六維力傳感器的布局，使其在中間狀態(tài)時也能降低結(jié)構(gòu)的復雜性，從而在一定程度上降低生產(chǎn)難度。

Q:算法結(jié)構(gòu)對六維力矩傳感器技術(shù)難度的影響是什么?

A:算法結(jié)構(gòu)導致了額外的技術(shù)難度，因為解耦算法需要解決一個具有不確定解的非線性方程組。傳感器的非線性問題以及標定過程中的一致性要求高，都是該領(lǐng)域內(nèi)重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。

Q:為什么六維力矩傳感器的生產(chǎn)加工要求如此之高?

A:六維傳感器上貼有四十多個芯片，生產(chǎn)過程極其復雜，對一致性的要求極高。如果一致性低，解耦算法在不同產(chǎn)品批次間可能無法適用，這要求整個生產(chǎn)過程必須保證極高的加工精度和一致性。

Q:六維力矩傳感器為何成本高昂?

A:主要原因在于其生產(chǎn)和標定過程中的低效與復雜性，傳感器需要人工在顯微鏡下操作完成貼音面片等工序，且標定設(shè)備要求極高，這些因素共同推高了六維力傳感器的成本。

Q:六維力矩傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些?

A:六維力傳感器主要應(yīng)用于高端機器人領(lǐng)域，如協(xié)作機器人、人形機器人、汽車和航空領(lǐng)域，以及手術(shù)機器人等，這些領(lǐng)域?qū)鞲衅骶_度要求非常高。

Q:六維力矩傳感器在中國市場的銷售情況及未來前景如何?

A:盡管目前中國市場銷量規(guī)模不大，但增長迅速，2022 年增長了 57%，預計隨著技術(shù)進步、成本下降以及自動化設(shè)備的升級未來市場規(guī)模將會有較大發(fā)展空間。

Q:上市公司中哪些公司在涉足六維力矩傳感器領(lǐng)域，并有哪些進展?

A:柯力傳感投資了一家醫(yī)美機器人公司，其產(chǎn)品將大量使用六維傳感器，有望帶動相關(guān)技術(shù)的量產(chǎn)，柯力傳感的六維傳感器已送至華為試用；中航電測、東華測試和安培龍等公司也在研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品，各自取得了一定進展。該行業(yè)正因交叉應(yīng)用而展現(xiàn)出巨大的發(fā)展空間和可能性。

Q:為什么人形機器人的手腳部分需要使用六維力傳感器?

A:人形機器人在運動過程中需要精確感知來自各個方向的力以確保穩(wěn)定性，六維力矩傳感器能更好地模擬人類感知環(huán)境并實現(xiàn)精準調(diào)控，因此在手腳部分使用六維力矩傳感器至關(guān)重要。