六维力传感器结构组成、核心参数、技术壁垒及应用场景有哪些？

高性能、高壁垒的力传感器。

1. 什么是六维力传感器？

根据海伯森技术有限公司官方账号，六维力传感器主要是利用应变计 和电荷放大器将机械力矩转化为电信号。通常包含一个弹性体和多个应变 计。当传感器受到力或力矩时,弹性体的形状会发生微小变化,导致应变计电 阻值的微小变化。这些变化被电荷放大器放大并转化为数字信号,以便在计 算机上处理和记录。

六维力传感器包含感应结构和数据处理结构两部分，工作原理为应变 效应。其中感应结构具体分为上台（内圈）、下台（外圈）、测力梁（弹性体）、 应变片、应变电桥、信号调理电路，数据处理结构包括数据采集及 A/D 转 换和数据处理模块等。工作原理为应变效应，即：（1）载荷→弹性应变。在 载荷作用下，弹性体发生与所受载荷成一定关系的微小应变；（2）弹性应变 →应变片电阻值变化。粘贴于弹性体上的应变片发生与弹性体相同的弹性 应变，因此应变片电阻值发生改变；（3）应变片电阻值变化→电压输出。一 般采用电位计式电路和惠斯通电桥电路这两种测量电路将电阻变化转变为 电压输出，一般应用惠斯通电桥电路；（4）电压输出→力/力矩信息输出。六维力/力矩传感器的载荷包含三维力和三维力矩，且传感器的输出电压也 包含六个通道的电压分量。通过数据采集及 A/D 转换，对传感器的输出电 压进行采集及数据处理。由于弹性体的机械结构、传感器的机械加工精度、 应变片粘贴技术以及测量方法等原因，使得几乎每个施加在传感器上的力/ 力矩都会对所有的输出信号产生影响，即存在维间耦合，因此并不能得到本 通道载荷的准确值，需要经过特定的解耦算法得到准确的力/力矩信息。最 终实现从最初的载荷到力/力矩信号的变换过程。

2.参数较多，其中串扰、精度和准度为核心参数

根据俊德科技官网，六维力/力矩传感器的主要参数包括：满量程、满 量程输出、灵敏度、解耦矩阵、非线性、迟滞、串扰、零点、精度、分辨率、 过载能力、温漂、准度。

根据坤维科技官方公众号，体现六维力/力矩传感器综合性能的关键指 标有串扰、精度和准度。串扰指标用来衡量多维力传感器各测量方向间的耦 合影响，可以反映测量误差水平。比较优秀的串扰指标在 1%FS 左右，2- 5%FS 比较常见。分别对六维力传感器的六个测量方向精确加载至各自的额 定载荷，记录六个方向的测量结果。如载荷组 1 中，仅仅对 Fx 方向加载到 额定载荷，并且假设加载方向和载荷值是非常准确的，所以 Fx 是 100%FS， 其它方向是 0%FS。表格右侧 Fy、Fz、Mx、My、Mz 的测量结果就是在 Fx 作用下的串扰。因为此时 Fy、Fz、Mx、My、Mz 的理论真值都是 0。Fy、 Fz、Mx、My、Mz 测量结果就体现了 Fx 对其它五个测量方向的耦合干扰情 况。多维力传感器的厂商往往选择表格中最大串扰值作为其 datasheet 中的 串扰指标。但是对于六维力传感器，如果对 Fx 方向不加载，对另五个方向 加载到100%FS，此时Fx的输出结果并不是其他五个方向串扰结果的叠加， 此时 Fx 的输出结果往往大于产品 datasheet 中的串扰指标。

根据坤维科技官方公众号，常用精度和准度这两个指标描述六维力传 感器具体的测量误差水平。多维力传感器精度衡量的是测量结果之间的重复性，其检定方法是，在相同环境条件下，在额定载荷范围内，进行多次重 复联合加载相同一组载荷后，计算得到的传感器测量值的标准差，并除以量 程。多维力传感器准度衡量的是测量结果与理论真值的偏离程度。其获得的 方法是，对传感器进行多组多维联合加载，计算得到的传感器测量值与所加 载荷理论真值之间的标准偏差，并除以量程。其中，准度涵盖了滞后、线性、 蠕变等误差因素，更能体现产品的综合性能，是多维力传感器最为核心的技 术指标之一。

3. 技术壁垒：硬软件解耦与六维联合加载

根据坤维科技官方公众号，对于六维力传感器而言，标定需要同时考 虑六个维度。一般来说，校准和标定的方法和内容基本相同、设备一致，都 需要采用六维联合加载的方式，即三方向的力和三方向的力矩同时加载。六 维联合加载标定的样本空间过于复杂，一维力传感器只需 9 个样本点来标 定，六维力传感器的样本空间则包含 531441 个样本点。

根据坤维科技官方公众号，采用六维力联合加载标定/检测能使传感器 准度更好、串扰更低。六维力传感器在承受多个维度力的同时作用时，非线 性特征显著，而六个维度的线性模型单纯叠加无法精确描述，因此多样本的 六维联合加载具有三点优势：（1）交叉样本点可以使传感器的受力情况模拟 更接近真实的使用情况；（2）有利于考察传感器在多维载荷同时作用下的非 线性力学特性，进而有效改善传感器结构的设计；（3）基于传感器非线性力 学特性做的标定，可以大幅优化解耦算法的数学模型。

六维力/力矩传感器提升性能、降低误差的关键是消除维间耦合。理想 的六维力传感器每个通道的输出只与本通道的加载力/力矩相关，与其他通 道无关。但实际上由于弹性体的机械机构、传感器的机械加工精度、应变片 粘贴技术、测量方法等原因，使得每个施加在传感器的力/力矩都会对其它 输出信号产生影响，即维间耦合。只有解决维间耦合问题，才能实现六维力 /力矩的精确衡量。在平衡静/动态性能同时，消除维间耦合的解耦方法常见 有两种： （1）硬件解耦：六维力/力矩传感器的结构受到其应用场合的限制，而 弹性体的形式和布置将直接影响到传感器的灵敏度、刚度、线性度、动态性 能、维间耦合等，传感器性能的优劣很大程度上由此决定。其中，浮动梁结 构和滑移结构就是典型的机械解耦形式。 （2）软件解耦：利用软件算法实现解耦。由于不同通道的输入、输出 数据之间并不总是线性的，因此人工神经网络算法逐渐取代前者被广泛应 用于多维力传感器的静态解耦中，其中基于 BP 神经网络的非线性解耦算法 最为常见。

根据坤维科技官方公众号，六维联合加载设备目前还没有标准产品可 以直接采购，一般都是由六维力传感器的厂商自行研制的。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，这将 无法标定出高准度的六维力传感器。

4.六维力传感器应用场景广泛，下游产业多

六维力/力矩传感器以其能够感知外力和外力矩的全部信息而成为最重 要的一类力传感器，根据海伯森技术，目前广泛应用于汽车行业的碰撞测试、 轮毂、座椅等零部件测试以及基于力触觉的人机交互、类人机器人、生物医 学研究、医疗机械、航空航天等领域。具体应用如下： 工业制造：（1）机器人控制。六维力传感器可以通过测量机器人末端的 力和力矩，帮助机器人实现高精度的控制与操作；（2）质量检测。在制造商 进行质量检测时，六维力传感器可以用于测试产品的强度、耐久性和固定性 等指标；（3）加工过程监控。六维力传感器可以用于检测切削力、刀具磨损 情况并及时反馈数据给操作者；（4）设备测试。六维力传感器可以被嵌入到 各类设备用来测试这些设备对压力和扭矩的响应和稳定性；（5）汽车工业。 在汽车制造中，六维力传感器可以用于测试引擎、变速器、转向装置等各种 零部件的性能，协助汽车制造商开发更节能、更安全、更可靠的车辆。

科研实验：（1）材料性能测试。六维力传感器可以用于测量材料在受力 作用下的强度、刚度、塑性变形等性能参数，以便科研工作者进行材料性能 评估与优化；（2）生物医学研究。六维力传感器可以用于测量生物组织或细 胞在不同力作用下的变形、应力分布等参数，探索生物系统的机制和性质； （3）机器人技术研究。六维力传感器被嵌入到机器人的末端执行器，实现 高精度机器人控制与操作；（4）航空航天工程研究。六维力传感器可以用于 测试航空航天器在不同状态下的受力情况，以检测其设计是否合理，并提供 数据支持以便优化；（5）物理实验。六维力传感器可以用于测量物体位置、 方向、速度、加速度等参数。

医疗领域：（1）手术辅助系统。可以用于手术机器人帮助医生更加准确、 安全的手术操作；（2）运动康复、功能性评估。六维力传感器可以用于测量 运动康复患者的肌肉力量、关节稳定性等参数来评估其康复情况，并根据测 试结果制定治疗方案；（3）步态分析、姿势评估。六维力传感器可以被用于 步态分析系统和姿势评估系统，来帮助医生诊断和治疗运动障碍、神经损伤 以及脊柱侧弯、平衡障碍等问题。