常州先成传感器有限公司--六维力传感器

1.背景介绍在前一篇文章中，我们从力检测方法和力控制理论两个角度讨论了力控制的发展历史。力控制的理论比较完善，但是交互力检测的方式差别很大。目前的两种方法是铰接式单轴扭矩传感器和端部式六轴扭矩传感器。本文主要分析了这两种方法的优缺点。

2.端部式六轴，这是目前使用泛的方法。这四个家族的机器人都有自己的力控制包，它们的实现是基于在机械臂末端安装六轴/三轴力传感器。这种力检测方法简单直接。然而，它有一个主要的原则缺陷：非定位模式。这个词的意思是检测元件的检测量不同于执行元件的检测量，即力的检测是在末端实现的，但实际执行元件(即电机)离末端很远，与机器人的机械体是分离的。这种非定位模式会限制机器人控制的动态性能，而且机体惯性大，带宽低。因此，基于末端检测力模式的力控制响应慢，带宽低。在刚性环境中稳定性也低。

3.关节力矩传感器安装在机械臂关节减速器的输出端，可以带来两个好处：解耦机械臂的动力学模型，有利于基于动力学的位置控制；有利于实现力的控制。这里主要讨论后者。前面我们提到了非共位模式的问题，关节力矩传感器(力检测元件)与电机(关节执行器)非常接近，从理论上消除了机械手机械惯性的影响，可以提高力控制的性能。这个结论在上个世纪就有了，联合转矩控制的类似关键词。但是，为什么这种武力控制的方式会被四大家族“忽视”

本文结合笔者的亲身经历对此原因进行了逆向分析：机械臂的布线问题(电源线和编码器线)是困扰国产机械臂稳定性的主要因素。如果在接头处增加扭矩传感器，走线的难度会进一步增加；而且传统工业机械臂的交流电机是非中空结构，没有UR那么容易。结构：在关节处安装扭矩传感器会增加关节结构的复杂性，降低关节传动链的刚度。传感器本身的支撑也是一个难题。范围：首先我们比较一下ATI在六个方向的范围。大致可以看出，力的范围会达到扭矩范围的40倍左右。

这说明力的偏心度不能太大，否则容易造成扭矩过载。这就要求对于端部六轴力控制，端部载荷的偏心是有限的，传感器的扭矩范围能够满足要求。我们来看看单轴关节扭矩传感器的量程。以尤利传感器为例，量程可达300纳米。假设传感器安装在25 kg载荷的工业机械臂上，臂跨1.5m，满载时，载荷施加在两轴上的扭矩高达375Nm，不考虑机械臂本身的重量和惯性矩。因此，铰接式扭矩传感器不能应用于中等范围及以上的机械臂。

现在，关节传感器也用于像iiwa这样负载小的轻型机械臂。从控制原理来看，iiwa的控制方式从关节位置输出升级为关节力矩输出，这是一个很大的进步。但这种光臂的位置控制精度低，更容易出现共振现象，控制要求更高，只能应用于力较小的力控制场合。虽然iiwa的控力效果很好，但在相同情况下，其控力效果是否优于末端六轴仍不得而知，因为对于轻型手臂，机构本身的动力学引起的非共位模态现象应该也比较弱。铰接式扭矩传感器可以控制近似全臂力，我们可以实现

4.结论铰接单轴很难成为力控制的通用解决方案，这可能是四大家族没有采用这种策略的原因。