一、機器人的力控都有哪些方式？

1.1 力(li)覺屬于機器(qi)人感知系(xi)統的重要組成部分(fen)之一

機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)感(gan)(gan)知(zhi)層是(shi)憑借感(gan)(gan)知(zhi)技術通過獲取(qu)和(he)(he)分析力(li)覺(jue)(jue)、觸(chu)覺(jue)(jue)、視覺(jue)(jue)、位(wei)(wei)置等(deng)信息(xi)，實(shi)現對(dui)于 外部(bu)環境和(he)(he)狀態的(de)(de)理(li)解，為(wei)(wei)人(ren)(ren)(ren)(ren)機(ji)的(de)(de)智能交互和(he)(he)柔(rou)性(xing)作(zuo)(zuo)(zuo)業(ye)提(ti)供(gong)決(jue)策依據(ju)，是(shi)目前機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)實(shi)現 智能自(zi)主操作(zuo)(zuo)(zuo)的(de)(de)關鍵技術。在(zai)眾多(duo)的(de)(de)感(gan)(gan)知(zhi)方(fang)式中(zhong)，力(li)觸(chu)覺(jue)(jue)感(gan)(gan)知(zhi)系(xi)統能檢測機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)末端(duan)執行 器(qi)(qi)操作(zuo)(zuo)(zuo)工件時(shi)所產生的(de)(de)三(san)維力(li)/力(li)矩、接(jie)觸(chu)信息(xi)，為(wei)(wei)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)提(ti)供(gong)力(li)覺(jue)(jue)感(gan)(gan)知(zhi)環境，是(shi)系(xi)統完 成操作(zuo)(zuo)(zuo)作(zuo)(zuo)(zuo)業(ye)的(de)(de)重要條件之一。 力(li)覺(jue)(jue)傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)主要布(bu)置在(zai)手腕(wan)、關節(jie)等(deng)多(duo)部(bu)位(wei)(wei)。區別于垂直單(dan)方(fang)向壓覺(jue)(jue)力(li)感(gan)(gan)知(zhi)，機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)力(li)覺(jue)(jue) 感(gan)(gan)知(zhi)是(shi)指機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)作(zuo)(zuo)(zuo)業(ye)過程中(zhong)對(dui)來自(zi)外界(jie)大(da)部(bu)分力(li)的(de)(de)感(gan)(gan)知(zhi)，是(shi)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)主動柔(rou)順(shun)控制必不可少(shao) 的(de)(de)環節(jie)，它直接(jie)影響著機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)的(de)(de)力(li)控制性(xing)能，分布(bu)在(zai)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)的(de)(de)腕(wan)部(bu)、軀干(gan)關節(jie)、腳部(bu)、手 指等(deng)部(bu)位(wei)(wei)。

1.2 力控是機器人實現柔順控制的前提

機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人的(de)(de)運動(dong)(dong)控(kong)制(zhi)可(ke)以分為位置控(kong)制(zhi)、速度控(kong)制(zhi)、力控(kong)。工業界傳(chuan)統(tong)的(de)(de)機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人都使用(yong)位置 控(kong)制(zhi)，在位置控(kong)制(zhi)下(xia)，工業機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人會嚴格按(an)照預先設定(ding)好(hao)的(de)(de)位置軌跡進行活動(dong)(dong)，但是，若 機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人的(de)(de)運動(dong)(dong)過程中(zhong)受到了障(zhang)礙物(wu)的(de)(de)阻攔，會導致機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人位置追蹤(zong)誤(wu)差變大，這種情(qing)況下(xia) 機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人會“出力”追蹤(zong)預設的(de)(de)運動(dong)(dong)軌跡，導致機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人與障(zhang)礙物(wu)之間產生巨大的(de)(de)內力，無法 完成柔順控(kong)制(zhi)。

相比位置控制，力控對于機器人的柔順控制更加重要。現在常用的機器人位置控制可以使 機器人在與環境無相互作用力或相互作用力可忽略不計時完成任務，如噴涂、焊接等。然 而在如拋光或打磨等應用場(chang)景中，僅使用位(wei)置控(kong)制(zhi)(zhi)將不能(neng)滿足任務(wu)需求。這(zhe)時(shi)需要引(yin)(yin)入末 端執(zhi)行器將力(li)/力(li)矩(ju)作為反饋量進行控(kong)制(zhi)(zhi)，智(zhi)能(neng)調整運動(dong)軌(gui)跡(ji)，實(shi)現機器人的(de)柔順控(kong)制(zhi)(zhi)。 比如： 1）工業機器人：在工業機械(xie)臂(bei)表(biao)面(mian)拋(pao)(pao)光的(de)場(chang)景下(xia)，表(biao)面(mian)處于不規則(ze)的(de)狀(zhuang)態，需要嚴格(ge)地(di) 控(kong)制(zhi)(zhi)末端拋(pao)(pao)光件與表(biao)面(mian)接觸力(li)的(de)大小，因此需要不斷獲得末端執(zhi)行器的(de)力(li)反饋，進行動(dong)態 力(li)反饋控(kong)制(zhi)(zhi)。 2）人形機器人：波士頓(dun)動(dong)力(li)的(de) Atlas 在不規則(ze)的(de)雪地(di)路面(mian)上行走時(shi)，路面(mian)情況無法通過(guo) 提前(qian)建模預測，這(zhe)種(zhong)情況下(xia)，如果通過(guo)位(wei)置控(kong)制(zhi)(zhi)，無法規劃出一(yi)條(tiao)合理的(de)位(wei)置軌(gui)跡(ji)，必須 引(yin)(yin)入力(li)控(kong)，才(cai)能(neng)實(shi)現動(dong)態控(kong)制(zhi)(zhi)。

1.3 機器(qi)人的柔順力控有哪些方(fang)案？

柔(rou)(rou)(rou)順(shun)(shun)(shun)控(kong)制(zhi)(zhi)指機(ji)(ji)(ji)(ji)器人與(yu)環境進(jin)行物(wu)理交互時，通(tong)過(guo)采(cai)取一(yi)些新(xin)的(de)柔(rou)(rou)(rou)順(shun)(shun)(shun)元(yuan)件(jian)，或者設(she)(she)計新(xin)的(de)控(kong) 制(zhi)(zhi)策(ce)(ce)略使(shi)得機(ji)(ji)(ji)(ji)器人具有柔(rou)(rou)(rou)順(shun)(shun)(shun)性(xing)(xing)，采(cai)用相關(guan)柔(rou)(rou)(rou)性(xing)(xing)輔助元(yuan)件(jian)使(shi)機(ji)(ji)(ji)(ji)器人展(zhan)現(xian)柔(rou)(rou)(rou)順(shun)(shun)(shun)特性(xing)(xing)的(de)方式(shi)通(tong)常(chang) 被稱為(wei)(wei)被動柔(rou)(rou)(rou)順(shun)(shun)(shun)，而通(tong)過(guo)設(she)(she)計相關(guan)柔(rou)(rou)(rou)順(shun)(shun)(shun)控(kong)制(zhi)(zhi)策(ce)(ce)略作用于機(ji)(ji)(ji)(ji)器人使(shi)機(ji)(ji)(ji)(ji)器人展(zhan)現(xian)柔(rou)(rou)(rou)順(shun)(shun)(shun)特性(xing)(xing)的(de)方 式(shi)通(tong)常(chang)被稱為(wei)(wei)主動柔(rou)(rou)(rou)順(shun)(shun)(shun)。 根據南京航空航天大學段(duan)晉軍博士的(de)分(fen)析來看，機(ji)(ji)(ji)(ji)器臂柔(rou)(rou)(rou)順(shun)(shun)(shun)控(kong)制(zhi)(zhi)方式(shi)分(fen)為(wei)(wei)被動柔(rou)(rou)(rou)順(shun)(shun)(shun)控(kong)制(zhi)(zhi)和(he) 主動柔(rou)(rou)(rou)順(shun)(shun)(shun)控(kong)制(zhi)(zhi)，主動柔(rou)(rou)(rou)順(shun)(shun)(shun)控(kong)制(zhi)(zhi)又分(fen)為(wei)(wei)直接力(li)控(kong)、間(jian)接力(li)控(kong)、混合(he)位置/力(li)控(kong)。

1.3.1 被動(dong)柔(rou)順控(kong)(kong)制：機械臂的(de)被動(dong)柔(rou)順控(kong)(kong)制是(shi)在機械臂的(de)末端安裝一個機械彈性結構 （彈簧(huang)、阻尼），通過機械臂的(de)彈性來實現力(li)控(kong)(kong)的(de)功能。這類力(li)控(kong)(kong)方式(shi)工藝簡單、成本(ben)低 廉、對于機械臂無特(te)殊要求，但是(shi)力(li)控(kong)(kong)精度(du)(du)無法保證，機械臂擁(yong)有復雜的(de)結構，有非線(xian)性 的(de)摩擦力(li)、傳動(dong)間隙，導(dao)致期(qi)望剛度(du)(du)無法精確獲得，適(shi)用(yong)于對于力(li)控(kong)(kong)精度(du)(du)要求較(jiao)低的(de)場景(jing)。

1.3.2 主動(dong)(dong)(dong)柔(rou)(rou)順(shun)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)：主動(dong)(dong)(dong)柔(rou)(rou)順(shun)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)需要機(ji)(ji)器人(ren)(ren)(ren)獲(huo)取(qu)對力(li)(li)(li)(li)(li)信(xin)息(xi)和位置(zhi)信(xin)息(xi)的(de)反饋，利用力(li)(li)(li)(li)(li) 與位置(zhi)的(de)反饋信(xin)息(xi)結(jie)合相應算法(fa)去主動(dong)(dong)(dong)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)機(ji)(ji)器人(ren)(ren)(ren)運動(dong)(dong)(dong)或者作用力(li)(li)(li)(li)(li)，分為(wei)直接(jie)(jie)力(li)(li)(li)(li)(li)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)和間(jian)接(jie)(jie) 力(li)(li)(li)(li)(li)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)、混(hun)合位置(zhi)/力(li)(li)(li)(li)(li)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)。 間(jian)接(jie)(jie)力(li)(li)(li)(li)(li)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)：間(jian)接(jie)(jie)力(li)(li)(li)(li)(li)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)不(bu)是(shi)(shi)(shi)單(dan)純(chun)的(de)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)力(li)(li)(li)(li)(li)或者控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)位置(zhi)，而是(shi)(shi)(shi)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)力(li)(li)(li)(li)(li)與位置(zhi)的(de)相對關系(xi)，使(shi) 得(de)與機(ji)(ji)械(xie)臂的(de)末端(duan)彈性結(jie)構通過軟件算法(fa)來實(shi)(shi)現力(li)(li)(li)(li)(li)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)。間(jian)接(jie)(jie)力(li)(li)(li)(li)(li)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)根據控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)原(yuan)理的(de)不(bu)同又分 為(wei)導納控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)和阻(zu)抗控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)。 1）導納：導納控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)廣泛應用于實(shi)(shi)現機(ji)(ji)器人(ren)(ren)(ren)的(de)主動(dong)(dong)(dong)柔(rou)(rou)順(shun)從(cong)而完成(cheng)拖(tuo)動(dong)(dong)(dong)示教，其(qi)主要原(yuan)因(yin)是(shi)(shi)(shi) 導納控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)器能夠(gou)建(jian)立(li)環(huan)(huan)境(jing)與機(ji)(ji)器人(ren)(ren)(ren)之(zhi)間(jian)的(de)動(dong)(dong)(dong)態(tai)關系(xi)，利用虛擬剛(gang)度、阻(zu)尼、慣性參(can)數(shu)創(chuang)建(jian) 從(cong)力(li)(li)(li)(li)(li)到運動(dong)(dong)(dong)的(de)映(ying)射。通過調(diao)(diao)節(jie)上述(shu)三種(zhong)參(can)數(shu)，改變機(ji)(ji)器人(ren)(ren)(ren)柔(rou)(rou)順(shun)特性，使(shi)機(ji)(ji)器人(ren)(ren)(ren)服從(cong)人(ren)(ren)(ren)類施 加的(de)力(li)(li)(li)(li)(li)并做出(chu)相應的(de)運動(dong)(dong)(dong)。 2）阻(zu)抗：阻(zu)抗控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)是(shi)(shi)(shi)將(jiang)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)器等效為(wei)阻(zu)抗系(xi)統，輸(shu)入位置(zhi)輸(shu)出(chu)力(li)(li)(li)(li)(li)。是(shi)(shi)(shi)由 Hogan 于 1985 年提出(chu)的(de)主動(dong)(dong)(dong)柔(rou)(rou)順(shun)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)策略，是(shi)(shi)(shi)目前柔(rou)(rou)順(shun)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)使(shi)用較(jiao)多的(de)方(fang)法(fa)之(zhi)一(yi)。阻(zu)抗控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)本質為(wei)建(jian)立(li) 機(ji)(ji)器人(ren)(ren)(ren)在(zai)與環(huan)(huan)境(jing)交互(hu)過程中(zhong)所(suo)受(shou)外界環(huan)(huan)境(jing)交互(hu)力(li)(li)(li)(li)(li)與機(ji)(ji)器人(ren)(ren)(ren)姿態(tai)之(zhi)間(jian)的(de)映(ying)射關系(xi)，從(cong)而實(shi)(shi)現 根據外界交互(hu)力(li)(li)(li)(li)(li)調(diao)(diao)節(jie)機(ji)(ji)器人(ren)(ren)(ren)姿態(tai)的(de)功能，進而實(shi)(shi)現機(ji)(ji)器人(ren)(ren)(ren)的(de)主動(dong)(dong)(dong)柔(rou)(rou)順(shun)。

直(zhi)接力(li)(li)(li)控(kong)(kong)(kong)：相(xiang)比于(yu)間接力(li)(li)(li)控(kong)(kong)(kong)，直(zhi)接力(li)(li)(li)控(kong)(kong)(kong)更適合(he)于(yu)不考(kao)慮人機交互安(an)全性的(de)(de)場(chang)景，比如打磨 場(chang)景，需要精(jing)確的(de)(de)力(li)(li)(li)輸出在某個表面。這種(zhong)力(li)(li)(li)控(kong)(kong)(kong)方式主要包括(kuo)電(dian)流(liu)環、基(ji)于(yu)一維(wei)(wei)力(li)(li)(li)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)、 基(ji)于(yu)六維(wei)(wei)力(li)(li)(li)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)、基(ji)于(yu)關節扭(niu)矩傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)這幾種(zhong)方式。 1）電(dian)流(liu)環：電(dian)機以(yi)恒定的(de)(de)電(dian)流(liu)運轉，以(yi)產生恒定的(de)(de)加(jia)速力(li)(li)(li)矩，這類力(li)(li)(li)控(kong)(kong)(kong)無需額(e)外的(de)(de)傳(chuan)感(gan)(gan) 器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)，但(dan)是力(li)(li)(li)矩精(jing)度(du)差。2）基(ji)于(yu)一維(wei)(wei)力(li)(li)(li)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)：在機械臂(bei)的(de)(de)末端(duan)加(jia)裝(zhuang)一維(wei)(wei)力(li)(li)(li)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)感(gan)(gan)知外力(li)(li)(li)，僅適用(yong)于(yu)的(de)(de)控(kong)(kong)(kong)制一 個方向的(de)(de)力(li)(li)(li)，相(xiang)對更好的(de)(de)控(kong)(kong)(kong)制精(jing)度(du)。 3）基(ji)于(yu)六維(wei)(wei)力(li)(li)(li)矩傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)：精(jing)度(du)遠高(gao)于(yu)一維(wei)(wei)力(li)(li)(li)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)。 4）關節扭(niu)矩傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)：主要應用(yong)于(yu)機械臂(bei)的(de)(de)關節處，精(jing)度(du)介于(yu)電(dian)流(liu)環和力(li)(li)(li)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)之間。

混合位(wei)置(zhi)/力(li)控：通過位(wei)置(zhi)反(fan)饋回路(lu)對力(li)反(fan)饋回路(lu)進(jin)(jin)行(xing)調節進(jin)(jin)而(er)控制末(mo)端(duan)執行(xing)器與環(huan)境的 交互(hu)力(li)，并將該算法應用于磨拋(pao)任務當中。

1.4 歷史上(shang)不(bu)同力控方案的機(ji)器人都有哪(na)些案例？

被動柔順控(kong)制案例：Starl ETH 機器人

被動(dong)柔順(shun)控制(zhi)指的(de)(de)是(shi)在力(li)覺控制(zhi)的(de)(de)末端執(zhi)行器(qi)環(huan)節安(an)裝一個(ge)機(ji)(ji)械彈(dan)(dan)性(xing)結構（彈(dan)(dan)簧、阻尼(ni)）， 進而實現力(li)控，Starl ETH 機(ji)(ji)器(qi)人屬于這類(lei)力(li)控方式(shi)，根據 StarlETH 機(ji)(ji)器(qi)人的(de)(de)相(xiang)關論文 表明(ming)，Starl ETH 內部的(de)(de)核心元件是(shi)高(gao)柔順(shun)性(xing)系(xi)列彈(dan)(dan)性(xing)制(zhi)動(dong)器(qi)，這種設計實現了扭(niu)矩的(de)(de)可 控性(xing)，并且能夠對(dui)接頭角(jiao)度、電機(ji)(ji)角(jiao)度、彈(dan)(dan)簧的(de)(de)偏轉實現精準測(ce)量(liang)。 Starl ETH 機(ji)(ji)器(qi)人的(de)(de)關鍵(jian)元件為輕質(zhi)高(gao)阻尼(ni)球型腳，通過內部的(de)(de)力(li)敏電阻器(qi)感(gan)(gan)受(shou)力(li)的(de)(de)變化(hua)， 前端的(de)(de)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)還(huan)包括 IMU 感(gan)(gan)受(shou)角(jiao)速(su)度和加速(su)度來控制(zhi)運動(dong)。

主動柔順(shun)控制(zhi)之阻抗案例：優必(bi)選、HYQ

1）優(you)必選：優(you)必選仿生機(ji)器(qi)人通(tong)過提取關節力矩(ju)或電流(liu)計算(suan)機(ji)器(qi)人末端受(shou)到的一個六維 力和力矩(ju)，通(tong)過阻抗控制即可(ke)實(shi)現機(ji)器(qi)人的柔順(shun)效果。

2）HYQ：為了(le)(le)實(shi)現(xian)機(ji)器人與外界環(huan)境進行交互，需(xu)要控制機(ji)器人的(de)阻抗(kang)(kang)（接觸點的(de)運動和 接觸點力(li)之(zhi)間的(de)關系），HYQ 機(ji)器人通過控制阻抗(kang)(kang)實(shi)現(xian)了(le)(le)對于機(ji)器人的(de)腿(tui)部控制。

六維(wei)力矩傳感(gan)器在機器人實現力控

六維力矩(ju)傳感(gan)器(qi)(qi)可廣(guang)泛應用在科研(yan)、實驗室、工業(ye)機(ji)器(qi)(qi)人領域，機(ji)器(qi)(qi)人通過六維力和力矩(ju) 傳感(gan)器(qi)(qi)感(gan)受末端(duan)力反饋可實現整(zheng)體(ti)控(kong)制，這類力控(kong)是(shi)目(mu)前較(jiao)為普遍實現力反饋的路徑(jing)。

電流環(huan)實現力控案(an)例：ABB 的雙臂(bei)機(ji)器人(ren) YuMi

ABB 的(de)雙(shuang)臂機器(qi)人輕質合(he)(he)金(jin)手(shou)臂均(jun)具有 7 軸(zhou)自由度，能模擬人類肢體動作(zuo)，在大幅(fu)提升(sheng)空(kong)間(jian)利用(yong)率的(de)同時，又(you)能契合(he)(he)消費(fei)電(dian)子(zi)行業靈活(huo)敏(min)捷的(de)生產(chan)需求。ABB 力(li)(li)控(kong)方(fang)式并沒有使(shi)用(yong) 力(li)(li)傳感器(qi)，而是(shi)采(cai)用(yong)電(dian)流環的(de)方(fang)式，所用(yong)的(de)電(dian)機、減速機相對較(jiao)小(xiao)(xiao)，產(chan)生的(de)摩(mo)擦力(li)(li)也(ye)小(xiao)(xiao)， 因此動力(li)(li)學(xue)辨識(shi)相對更準一些。但是(shi)由于(yu)沒有力(li)(li)傳感器(qi)，也(ye)就無法實現精準力(li)(li)控(kong)。

力/位置混合控制：IGrinder 智能(neng)力控打磨解(jie)決方(fang)案

20 年宇立儀器和江蘇金恒聯合開發出了智能力控打磨方案，該方案為典型的力/位混合控 制案例，該方案集成了恒力控制和位置浮動功能，內置力傳感器、位移傳感器、傾角傳感 器和電氣伺服控制系統，實時感知打磨力、浮動位置和磨頭姿態等信息，能夠自動補償機 器人姿態、軌跡偏差和磨料磨(mo)(mo)損，保證恒(heng)定(ding)的打(da)磨(mo)(mo)壓力，從而獲(huo)得打(da)磨(mo)(mo)效(xiao)果的一(yi)致性。

總結：根據上述各(ge)類機器人(ren)力(li)(li)控(kong)方式(shi)來看，主動柔(rou)順控(kong)制(zhi)已經(jing)成(cheng)為未來機器人(ren)與外(wai)界交互 必經(jing)之路，以優必選的仿(fang)生機器人(ren)為例，該產品(pin)通過阻抗(kang)控(kong)制(zhi)實現了抗(kang)性、柔(rou)順性，在受(shou) 到外(wai)力(li)(li)的情況下(xia)，仍然能(neng)夠完(wan)成(cheng)操(cao)作。而從目前主流柔(rou)順力(li)(li)控(kong)方式(shi)來看，多數的均需要使(shi) 用力(li)(li)傳感器收集力(li)(li)反饋的信號，力(li)(li)/力(li)(li)矩(ju)傳感器為各(ge)類機器人(ren)實現柔(rou)順控(kong)制(zhi)的核心部件， 因(yin)此下(xia)文我(wo)們將(jiang)重點分(fen)析力(li)(li)/力(li)(li)矩(ju)傳感器的各(ge)個種(zhong)類、成(cheng)本、格局(ju)。

二、機器人(ren)的(de)(de)力傳感器的(de)(de)種類(lei)有(you)哪些？

2.1 從檢測原(yuan)理來看，電阻(zu)應變式傳感(gan)器綜合(he)性能更優

從檢(jian)測方法來看，力傳感器可分為電(dian)阻式(shi)(shi)、電(dian)容式(shi)(shi)、電(dian)感式(shi)(shi)，光電(dian)式(shi)(shi)等。電(dian)阻應(ying)變式(shi)(shi)、電(dian) 容式(shi)(shi)兩類檢(jian)測模式(shi)(shi)優勢明顯，有望在人形機器人中得到應(ying)用。

硅(gui)/金屬箔電阻(zu)(zu)應變傳感器(qi)(qi)有望(wang)應用(yong)于人形(xing)機器(qi)(qi)人。從不同類型的(de)力矩傳感器(qi)(qi)在(zai)穩定(ding)性(xing)、 剛(gang)度、動態(tai)特性(xing)等維(wei)度的(de)比較(jiao)后，硅(gui)/金屬箔電阻(zu)(zu)應變式傳感器(qi)(qi)在(zai)穩定(ding)性(xing)、剛(gang)度、信(xin)噪比 等多個方面具有優勢，有望(wang)在(zai)人形(xing)機器(qi)(qi)人中得到(dao)應用(yong)。

2.2 從感知(zhi)維(wei)(wei)(wei)度來看，力(li)傳感器主要感知(zhi)一(yi)維(wei)(wei)(wei)、三維(wei)(wei)(wei)、六(liu)維(wei)(wei)(wei)力(li)

從(cong)力(li)(li)(li)傳(chuan)感(gan)器的(de)感(gan)知維(wei)(wei)(wei)度(du)來看(kan)，力(li)(li)(li)矩傳(chuan)感(gan)器可以分為(wei)一(yi)維(wei)(wei)(wei)到(dao)六維(wei)(wei)(wei)，測量維(wei)(wei)(wei)度(du)的(de)數量越(yue)多，產 品難度(du)越(yue)大(da)、檔(dang)次越(yue)高；從(cong)主流的(de)傳(chuan)感(gan)器的(de)測量維(wei)(wei)(wei)度(du)來看(kan)，一(yi)、三、六維(wei)(wei)(wei)力(li)(li)(li)矩為(wei)常(chang)見產品 的(de)，二、五維(wei)(wei)(wei)力(li)(li)(li)矩傳(chuan)感(gan)器相對較少：

一(yi)維(wei)(wei)力傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)：標定(ding)坐標軸為 OZ 軸，如果被測(ce)量(liang)(liang)力 F 的(de)(de)(de)方(fang)向(xiang)能(neng)完(wan)全與(yu) 0Z 軸重(zhong)合(he)，那(nei) 么(me)此(ci)時用(yong)(yong)一(yi)維(wei)(wei)力傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)就(jiu)能(neng)完(wan)成(cheng)測(ce)量(liang)(liang)任(ren)務；比(bi)如稱重(zhong)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)，只(zhi)能(neng)測(ce)量(liang)(liang)垂(chui)直于(yu)(yu)地面的(de)(de)(de) 力，就(jiu)屬于(yu)(yu)一(yi)維(wei)(wei)力矩傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)。 三(san)(san)(san)維(wei)(wei)力傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)：力 F 的(de)(de)(de)作用(yong)(yong)點(dian) P 始終與(yu)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)標定(ding)參考點(dian) O 保持(chi)重(zhong)合(he)，力 F 的(de)(de)(de)方(fang) 向(xiang)在三(san)(san)(san)維(wei)(wei)空(kong)間中(zhong)(zhong)隨(sui)機變化，這種情況下用(yong)(yong)三(san)(san)(san)維(wei)(wei)力傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)就(jiu)能(neng)完(wan)成(cheng)測(ce)量(liang)(liang)任(ren)務，它可以同時 測(ce)量(liang)(liang) Fx、Fy、Fz 這三(san)(san)(san)個(ge) F 的(de)(de)(de)分力。 六維(wei)(wei)力傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)：空(kong)間中(zhong)(zhong)任(ren)意方(fang)向(xiang)的(de)(de)(de)力 F，其作用(yong)(yong)點(dian) P 不與(yu)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)標定(ding)參考點(dian)重(zhong)合(he)且隨(sui) 機變化，這種情況下就(jiu)需要選用(yong)(yong)六維(wei)(wei)力傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)來(lai)完(wan)成(cheng)測(ce)量(liang)(liang)任(ren)務，同時測(ce)量(liang)(liang) Fx、Fy、 Fz、Mx、My、Mz 六個(ge)分量(liang)(liang)。六維(wei)(wei)力傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)內部的(de)(de)(de)算法，可以實(shi)現(xian)解(jie)耦各個(ge)方(fang)向(xiang)的(de)(de)(de)力和 力矩的(de)(de)(de)干擾，使得測(ce)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)力矩更為準確；這類傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)更適用(yong)(yong)于(yu)(yu)參考點(dian)的(de)(de)(de)距離(li)較(jiao)遠，且 隨(sui)機變化情景，測(ce)量(liang)(liang)精(jing)度要求較(jiao)高。

從(cong)人(ren)(ren)(ren)(ren)形(xing)(xing)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)的工作原理來(lai)(lai)看(kan)，我(wo)們判斷未來(lai)(lai)人(ren)(ren)(ren)(ren)形(xing)(xing)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)的手(shou)(shou)腕(wan)、腳(jiao)(jiao)踝環(huan)節(jie)(jie)需(xu)(xu)六維(wei)力(li)矩(ju)(ju)(ju)傳(chuan)(chuan) 感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)、其他(ta)關節(jie)(jie)可(ke)以適用(yong)關節(jie)(jie)扭矩(ju)(ju)(ju)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)。 末端執(zhi)(zhi)行(xing)機(ji)(ji)構（手(shou)(shou)部、腳(jiao)(jiao)部）---六維(wei)力(li)矩(ju)(ju)(ju)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)：由于(yu)人(ren)(ren)(ren)(ren)形(xing)(xing)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)末端執(zhi)(zhi)行(xing)機(ji)(ji)構主要(yao)為(wei) 手(shou)(shou)部和腳(jiao)(jiao)部，執(zhi)(zhi)行(xing)的過(guo)程中力(li)臂在幾十到幾百毫米(mi)之間(jian)，力(li)臂較大且(qie)屬于(yu)隨機(ji)(ji)變化(hua)；而對(dui) 于(yu)這兩(liang)類環(huan)節(jie)(jie)的力(li)也(ye)要(yao)求實現精(jing)確處理，因此(ci)這兩(liang)類關節(jie)(jie)所受(shou)的力(li)并非簡單的一(yi)維(wei)、三(san)維(wei) 力(li)，我(wo)們判斷這個(ge)關節(jie)(jie)需(xu)(xu)要(yao)適用(yong)六維(wei)力(li)矩(ju)(ju)(ju)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)。 其他(ta)關節(jie)(jie)---關節(jie)(jie)扭矩(ju)(ju)(ju)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)：特斯拉人(ren)(ren)(ren)(ren)形(xing)(xing)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)旋轉執(zhi)(zhi)行(xing)機(ji)(ji)構類似協(xie)作機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)關節(jie)(jie)，而 線(xian)性執(zhi)(zhi)行(xing)機(ji)(ji)構也(ye)通過(guo)滾珠絲杠(gang)完成直線(xian)運動，整體對(dui)于(yu)力(li)的感(gan)(gan)(gan)知相(xiang)對(dui)簡單，我(wo)們預計其他(ta) 關節(jie)(jie)需(xu)(xu)單軸力(li)矩(ju)(ju)(ju)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)。

三、如何看(kan)待多(duo)維力矩傳感器的壁壘、成本、格(ge)局？

根(gen)據(ju)前(qian)文的分析，機器(qi)人(ren)手部、腳部需(xu)要使用六維(wei)力矩傳(chuan)(chuan)感器(qi)，而其他關節需(xu)要使用單軸(zhou) 扭矩傳(chuan)(chuan)感器(qi)；相(xiang)比單軸(zhou)力矩傳(chuan)(chuan)感器(qi)，六維(wei)力矩傳(chuan)(chuan)感器(qi)定(ding)價較高，若(ruo)人(ren)形機器(qi)人(ren)未來想要實 現商業化(hua)落地，力矩傳(chuan)(chuan)感器(qi)的降本(ben)為必不(bu)可缺的一環(huan)，我們將重點(dian)分析六軸(zhou)力矩傳(chuan)(chuan)感器(qi)的 技術壁壘進(jin)而對于該產品的降本(ben)進(jin)行(xing)展(zhan)望。

3.1 從核心元件看壁壘：應變(bian)片性能(neng)要求(qiu)高、安(an)裝(zhuang)工藝門檻高

從工作原(yuan)理來看，電阻應(ying)(ying)變(bian)式(shi)力矩傳感(gan)器(qi)核心部件為(wei)(wei)應(ying)(ying)變(bian)片(pian)，應(ying)(ying)變(bian)片(pian)的(de)性(xing)能(neng)對(dui)于力矩傳感(gan) 器(qi)的(de)整(zheng)體性(xing)能(neng)影響至(zhi)關重(zhong)要。具體原(yuan)理為(wei)(wei)將箔應(ying)(ying)變(bian)片(pian)安裝在力矩傳感(gan)器(qi)的(de)金屬體（也叫撓(nao) 曲件）上，當(dang)施加(jia)到外力時，金屬體充當(dang)“彈簧”輕(qing)微(wei)變(bian)形，進而帶動應(ying)(ying)變(bian)片(pian)實現形變(bian)， 應(ying)(ying)變(bian)計的(de)形變(bian)會改變(bian)電阻，實現電信(xin)號(hao)的(de)反(fan)饋(kui)。

安(an)裝難度(du)大：從六(liu)維(wei)(wei)(wei)(wei)力(li)(li)矩傳(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)每(mei)個(ge)(ge)維(wei)(wei)(wei)(wei)度(du)需(xu)要至少(shao) 4 個(ge)(ge)應(ying)變片(pian)(pian)，數十個(ge)(ge)應(ying)變片(pian)(pian)的(de)(de)(de)(de)安(an)裝對(dui) 工藝(yi)提出較高要求。從全球龍頭六(liu)維(wei)(wei)(wei)(wei)力(li)(li)矩傳(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)公司(si) ATI 的(de)(de)(de)(de)產品(pin)內(nei)(nei)部構(gou)造(zao)來看(kan)，六(liu)維(wei)(wei)(wei)(wei)力(li)(li)矩 傳(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)的(de)(de)(de)(de)內(nei)(nei)部為內(nei)(nei)輪轂，通過梁與外(wai)殼來連(lian)接，每(mei)個(ge)(ge)維(wei)(wei)(wei)(wei)度(du)具有至少(shao) 4 個(ge)(ge)應(ying)變片(pian)(pian)，考(kao)慮到抗 溫(wen)漂等性能需(xu)求，單(dan)個(ge)(ge)六(liu)維(wei)(wei)(wei)(wei)力(li)(li)矩傳(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)的(de)(de)(de)(de)上(shang)可(ke)能需(xu)要 30-40 個(ge)(ge)應(ying)變片(pian)(pian)，而組裝的(de)(de)(de)(de)關鍵(jian)環節 貼片(pian)(pian)、組橋、配(pei)平、溫(wen)度(du)補(bu)償(chang)均需(xu)人工在極其狹小的(de)(de)(de)(de)空間內(nei)(nei)完成，安(an)裝工藝(yi)具有較高技術 壁壘。

應變片性(xing)能直接影響傳(chuan)感(gan)器性(xing)能：應變片是(shi)由敏(min)感(gan)柵等(deng)(deng)構(gou)成(cheng)用(yong)于測量應變的(de)元件(jian)，其原(yuan)理 是(shi)在(zai)外界力(li)的(de)作用(yong)下產生機(ji)械變形時，其電阻值相應地發生變化，因(yin)此應變片的(de)性(xing)能直接 決(jue)定(ding)了多維力(li)傳(chuan)感(gan)器的(de)靈敏(min)度、量程(cheng)、分(fen)辨(bian)率、剛性(xing)等(deng)(deng)靜動態性(xing)能指標。

3.2 從(cong)性能看壁壘：串(chuan)擾(rao)、精(jing)度、準度要求(qiu)較高，定制化研發(fa)難度大

研發(fa)難度(du)(du)大(da)：六(liu)維(wei)(wei)力(li)矩傳(chuan)(chuan)感器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)研發(fa)并非將一(yi)(yi)個(ge)三維(wei)(wei)力(li)和三個(ge)扭(niu)矩傳(chuan)(chuan)感器(qi)結構的(de)(de)(de)(de)(de)簡單疊加， 它的(de)(de)(de)(de)(de)非線性(xing)(xing)(xing)力(li)學(xue)特(te)征明(ming)顯，要考(kao)慮(lv)多通道信(xin)號的(de)(de)(de)(de)(de)溫漂、蠕變、交叉干擾(rao)(rao)、數據(ju)處理(li)的(de)(de)(de)(de)(de)實時 性(xing)(xing)(xing)，再(zai)加之六(liu)維(wei)(wei)聯合加載標定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)復雜性(xing)(xing)(xing)，六(liu)維(wei)(wei)力(li)矩傳(chuan)(chuan)感器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)難度(du)(du)遠超過單維(wei)(wei)力(li)矩傳(chuan)(chuan)感器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de) 研發(fa)難度(du)(du)。 性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)要求高：根(gen)據(ju)坤維(wei)(wei)科技公眾號，多維(wei)(wei)力(li)矩傳(chuan)(chuan)感器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)核心性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)指標為串擾(rao)(rao)、精度(du)(du)和準度(du)(du)， 國內外(wai)該(gai)指標差距(ju)較大(da)。 串擾(rao)(rao)：該(gai)指標用來衡量(liang)多維(wei)(wei)力(li)傳(chuan)(chuan)感器(qi)各測(ce)(ce)量(liang)方向間的(de)(de)(de)(de)(de)耦(ou)合影響(xiang)，可以(yi)反映測(ce)(ce)量(liang)誤差水 平，是體現產(chan)品性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)關鍵指標之一(yi)(yi)。 精度(du)(du)：該(gai)指標衡量(liang)了測(ce)(ce)量(liang)結果(guo)之間的(de)(de)(de)(de)(de)重復性(xing)(xing)(xing)。 準度(du)(du)：測(ce)(ce)量(liang)結果(guo)與理(li)論真值的(de)(de)(de)(de)(de)偏離程度(du)(du)。準度(du)(du)其(qi)實涵蓋了滯后、線性(xing)(xing)(xing)、蠕變等誤差因 素(su)，更能(neng)(neng)體現產(chan)品的(de)(de)(de)(de)(de)綜合性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)，是多維(wei)(wei)力(li)傳(chuan)(chuan)感器(qi)最為核心的(de)(de)(de)(de)(de)技術指標之一(yi)(yi)。

3.3 六(liu)維(wei)力矩傳感器的成本(ben)主(zhu)要來自于(yu)應(ying)變(bian)片和(he)人工加工成本(ben)

成(cheng)(cheng)本端(duan)：我們判斷六(liu)(liu)維(wei)(wei)力(li)矩傳感(gan)器(qi)的成(cheng)(cheng)本核心在(zai)于應(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)片(pian)(pian)(pian)、加工成(cheng)(cheng)本。 應(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)片(pian)(pian)(pian)：根(gen)據前文分(fen)析，單(dan)(dan)個六(liu)(liu)維(wei)(wei)力(li)矩傳感(gan)器(qi)所需要(yao)應(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)片(pian)(pian)(pian)的數量至少為 24 個，考 慮(lv)到抗溫漂(piao)、蠕變(bian)(bian)等需求，一般(ban)單(dan)(dan)個六(liu)(liu)維(wei)(wei)力(li)矩傳感(gan)器(qi)的應(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)片(pian)(pian)(pian)的數量約為 30-40 個； 根(gen)據淘寶價格，海(hai)外應(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)片(pian)(pian)(pian)頭部(bu)廠商(shang) HBM 單(dan)(dan)個應(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)片(pian)(pian)(pian)的價格在(zai) 100-200 元(yuan)，因此單(dan)(dan)個 六(liu)(liu)維(wei)(wei)力(li)矩傳感(gan)器(qi)應(ying)(ying)(ying)變(bian)(bian)片(pian)(pian)(pian)的成(cheng)(cheng)本在(zai) 5000-6000 元(yuan)。

加(jia)工(gong)(gong)成(cheng)本：六(liu)維(wei)力矩傳感(gan)(gan)器(qi)成(cheng)品(pin)對于精度(du)、準(zhun)度(du)要求極高(gao)，因(yin)此人工(gong)(gong)加(jia)工(gong)(gong)技術(shu)壁壘(lei)較 高(gao)，短(duan)期(qi)無法實現自動化(hua)生產，我們預計六(liu)維(wei)力矩傳感(gan)(gan)器(qi)人工(gong)(gong)成(cheng)本超過 10%。 價格端：目前海外六(liu)維(wei)力矩傳感(gan)(gan)器(qi)龍頭(tou) ATI 產品(pin)價格 4000-8000 美金之間。

展望：根據前文分(fen)析(xi)，六(liu)維力(li)矩傳感器(qi)的超 50%的成(cheng)本來(lai)自(zi)于(yu)應變(bian)片(pian)和(he)人工費(fei)用，我們認 為隨著(zhu)國(guo)產應變(bian)片(pian)的參數持續突破及加工能力(li)提升，以及人形機器(qi)人需求(qiu)爆發后(hou)，未來(lai)降(jiang) 本空間充足。

3.4 空(kong)間(jian)：22 年全球力(li)矩傳感器市場規模達(da) 80 億美元

2028 年(nian)全(quan)球(qiu)力矩傳感器市場規模將達 137 億美元。根據 imarcgroup 數據，2022 年(nian)全(quan)球(qiu)力 矩傳感器市場規模為(wei) 82 億美元，預計 2028 年(nian)將達 137 億美元，期(qi)間(jian) GAGR 達 8.9%。