圆筒弹簧测力计怎么看

报告出品方：招商证券

以下为报告原文节选

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一、六维力/力矩传感器是精密力控的刚需

力/力矩传感器是高精度的主动柔顺控制方案。柔顺控制是指使机器人感受、应对外界环境变化的控制方式，可分为主动柔顺控制和被动柔顺控制。主动柔顺控制通过获取对力信息和位置信息的反馈，结合相应算法实现控制，控制精度高；被动柔顺控制则主要依靠一些机械装置（如减震器、弹簧等），控制精度低。

主流的主动柔顺控制方案有两种，即电流环和力/力矩传感器。电流环力控是较容易实现的常规力控方式，通过调节电机内部电流大小实现精度为 5%-15%的力控，运动速度慢，不能反向传动，无法满足精度要求高的场景需求，且使用一段时间后，机械磨损会带来误差，造成精度进一步降低，因此适用于直驱电机或小减速比的应用场景，如小型阻抗控制的机械臂和小型四足等。而在力传感器控制方式中，施加在连杆上的外力能直接传导到传感器上，能够精准检测外力变化，控制精度更高。

根据测力的维数，力/力矩传感器可分为一维力传感器、三维力传感器、六维力传感器。

一维力传感器：测定一个方向的力。用于待测力的方向与标定坐标轴重合的场景，常见的压力传感器、称重传感器都属于一维力传感器。若待测力与标定坐标轴成一定夹角，或作用点不在标定参考点，则会产生测量偏差。

三维力传感器：测定三个正交方向的力。如果待测力的方向时刻变化，但力的作用点与传感器标定参考点重合，用三维力传感器能完成测量任务。三维力传感器将给出待测力在 x，y，z 轴的三个分量 Fx，Fy，Fz。

六维力传感器：同时测量三维空间坐标系（OXYZ）内的三个力（Fx、Fy、Fz）和三个力矩（Mx、My、Mz）。六维力传感器一般用在固定端（机器人端）和加载端（工具端），传感器的内部算法会解耦各方向力和力矩间的干扰，使力的测量更为精准。

六维力/力矩传感器是实现复杂、精密作业的刚需。在复杂、精细作业场景下，机器人末端工具或工件与外界环境的接触力需要被精确地感知，控制系统据此修正机器人的运动，以保证机器人作业质量。此时六维力/力矩传感器对机器人实现柔顺化、智能化操作起到关键作用。目前六维力/力矩传感器主要用于铸件打磨抛光、工件装配等工业生产领域，协作机器人、康复机器人等医疗服务领域，航空航天、深海及核环境等国防领域。

二、产品特点：复杂性高、解耦难度大

六维力/力矩传感器主要的机械组成部分是弹性体和应变片。六维力传感器由弹性体、应变片、电桥、信号调理器和输出接口等组成。当物体受到外力作用时，传感器的弹性体会发生变形，变形程度与受力大小和方向有关，因此弹性体负责将物体受到的力和力矩转化为应变。应变片贴在弹性体上，检测到弹性体的应变后，电阻值发生相应变化。电桥将应变片的阻值变化转换成电信号，信号调理器对电信号进行放大、滤波、线性化等处理，输出接口将处理后的信号输出。

应变片根据敏感元件的不同可分为金属和半导体两类。金属应变片主要包括丝式、箔式和薄膜式，温度稳定性较好，精度高，适用于弹性形变（对应小量程）的测量。半导体应变片灵敏度更高（通常是丝式与箔式的数十倍），横向效应小且机械滞后小，适用于动态测量及塑性形变（对应大量程）测量，但在较大应变下非线性误差显著。

应变片测量原理是构造惠斯顿电桥，将电阻变化转换为电压变化，其四个桥臂或分支由电阻 R1 至 R4 组成。根据电阻变化的数量，惠斯顿电桥一般可分为单臂式，双臂式和全桥式，即 4 片应变片可构成一个方向的惠斯顿电桥全桥。

六维力/力矩传感器主要性能参数包括：量程、过载能力、分辨率、重复精度、串扰、准度等。

部分指标存在矛盾关系，如刚度和灵敏度（分辨率），为保证系统的高可靠性，其刚度必须相应提高，此时灵敏度将相应下降，反之亦然，因此难以兼顾可靠性和灵敏度。例如 ATI Nano25 系列的传感器的力和力矩的分辨率分别在 1/16N 和1/1320N·m（量程为 500N 和 3N·m），而 Omega85 系列的传感器的力和力矩的分辨率分别在 3/7N 和 5/374N·m（量程为 3800N 和 80N·m）。

量程：衡量传感器能测量的力/力矩的范围。

过载能力：衡量传感器能承受多大的力/力矩而不发生规定性能指标的永久性改变。在实际应用场景中，六维力传感器过载的主要原因是传感器受到的力矩超出量程范围。

分辨率：衡量传感器可以感知的最小可能变化。

串扰：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。

准度：衡量传感器测定值与实际值的差异。准度是滞后、线性、蠕变等误差因素综合影响后表现出来的结果，准度指标能体现产品的综合性能。

精度：又称重复精度，该指标衡量传感器重复测量同一值时的重复性。在大多数情况下，重复精度比分辨率更为重要。

零漂：零点漂移，指传感器在没有输入信号时，其输出值逐渐发生变化的现象。

温漂：温度漂移，指传感器在外界温度变化情况下输出量发出的变化。测试时先将传感器置于一定温度下，将其输出调至零点或某一特定点，使温度上升或下降一定的度数，再读出输出值，前后两次输出之差即为温度稳定性误差。

六维力/力矩传感器的主要难点在于降低各个方向之间的耦合干扰。六维力/力矩传感器不是 3 个一维力传感器和 3 个扭矩传感器的简单叠加，它的非线性力学特征明显。具体体现为：如果仅对 Fx 方向加载到额定载荷，并且假设加载方向和载荷值是准确的，Fx 方向的理论示数应为 100%FS，其它方向应为 0%FS。但实际情况下，Fx 示数并非 100%FS，其他方向的测量结果也非零，这就是 Fx 对其它五个测量方向的耦合干扰，即非线性力学。3 个力和 3 个力矩同时互相影响，解耦难度就会指数级上升。

降低耦合干扰的方式：

结构解耦：在结构设计上尽可能减小不同维度间耦合。目前，六维力传感器中弹性体的结构主要包括垂直筋式、十字梁式、轮辐式、E 型膜式、压电式、圆筒式及应用很广的并联结构式。

算法解耦：建立电信号与待测力、力矩间的正确映射。算法解耦可分为线性解耦方法和非线性解耦方法。常见的线性解耦方法包括：直接求逆法和最小二乘法；常见的非线性解耦方法包括：BP 神经网络、径向基函数神经网络、支持向量机、遗传算法和优化小波神经网络等。

标定也是决定精度的关键因素之一。影响六维力传感器测量精度的因素除了传感器弹性体的机械材料、结构、几何尺寸外，还有传感器标定系统的精度。标定是指传感器在制造和装配完成后，进行严格的试验来确定传感器的性能，建立起传感器的电输出与加载力/力矩的对应关系，即使用标准输入量的值来正确解释输出量的值，为测量系统建立起正确的输出刻度。六维力传感器设计制造完成后，精度主要取决于标定系统的精度。标定的性能指标主要是静态指标，如线性度、迟滞、重复性、灵敏度等。

标定的关键设备是六维联合加载设备。如果以普通的一维加载设备对六维力传感器的不同方向分开标定，不同维度间的耦合干扰就未被考虑，标定出来的传感器准度较差，串扰较大，无法达到 0.5%FS 的高精度要求。六维联合加载设备可以同时加载正交三个方向的力和三个方向的力矩，实现 0.5%FS 以内的准度。

六维联合加载设备需要自制，壁垒较高。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，非常依赖工程经验。若加载效果不理想，加载设备自身产生的耦合误差可能超过 1%FS，无法标定出高准度的六维力传感器。六维联合加载设备非标性强，一般是传感器企业自研自产，制造成本昂贵。

结合以上内容，我们总结六维力/力矩传感器的难点如下：

（1）几乎所有多维力传感器都存在不可消除的维间耦合，给传感器的标定、解耦、精度提高带来极大的困难。为了从结构上尽可能降低耦合，往往会设计复杂的机械本体结构，导致很难用经典力学知识来建立精确理论模型，给感知系统的建模、信息获取与处理带来一定的困难。

（2）部分耦合有非线性的特征，虽然目前已有一系列能有效消除维间耦合的非线性解耦方法（即算法解耦），但往往比较复杂，而且计算量很大，所需计算时间较长，给实时检测带来限制。

（3）传统的感知系统都基于简化的模型或者设计师的经验来进行设计，各维差异性显著，很难达到精度一致。

（4）为进行准确的标定，需要用到六维联合加载设备，六维联合加载设备非标性强，一般是传感器企业自研自产，制造成本昂贵，壁垒高。

三、人形机器人是未来最重要下游

1、下游多，定制化程度高，市场空间小

六维力/力矩传感器下游应用非常广泛，包括机器人与自动化，汽车行业，医疗手术和康复领域，航天航空领域等。各个下游所要求的量程、分辨率、精度、温漂等具体性能不同，需要进行针对性的设计研发，因此定制化程度较高。

机器人：主要用于高精度抛光打磨、铁削、焊接及高精密装配等场景的多关节机器人以及对传感性能要求更高的协作机器人，它们确保了机械臂在执行精细操作如组装和焊接时的高度精确度与力反馈控制。

汽车工业：被广泛地用在汽车部件和系统级测试、发动机和动力总成测试、车辆和试验广测试、总装和最终测试。它们在确定新车和部件设计的完整性和最优化方面都能发挥重要作用，同时还有助于保证效率、安全性和正确的功能。

医疗：在微创手术和机器人辅助的手术中发挥着至关重要的作用，它们帮助医生感知人体各个方面的实时参数，包括力量、重量等，从而实现更精细、高质量的手术操作，从而提升手术的安全性和成功率。

航空航天：可用于测量风洞实验、飞机、卫星、火箭等飞行器各种运动状态下的六维力信息，飞行器可以更加准确地感知环境，控制姿态，完成各项任务；随着航空航天技术的发展，六维力/力矩传感器还可以用于飞机制造、飞行器着陆和起飞过程的监测、机械臂控制、结构健康监测等领域，大大提高航空航天系统的性能、安全性和可靠性。

六维力/力矩传感器市场规模较小。据高工机器人产业研究所（GGII）数据，2022年中国市场六维力传感器销量为 8360 套，同比增长 57.97%，其中机器人行业销量达 4840 套。假设六维力/力矩传感器销售均价为 2~3 万元，则 2022 年中国六维力传感器市场规模约 2 亿元。在不考虑人形机器人需求的情况下，2027 年国内六维力/力矩传感器市场规模有望达到 15 亿元。

单价昂贵是六维力/力矩传感器无法大批量使用的主要原因。根据《机器人多维力传感器》及爱采购网数据，进口六维力/力矩传感器的价格约为 10000 美元/台，FUTEK 实验用大型六维力传感器价格在 10 万-20 万之间，国产大多数在 2 万元左右。

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