一、機器人的力控都有哪些方式？

1.1 力覺屬于機器人感知系統(tǒng)的重要組成部分之一

機器人感知層是憑借感知技術(shù)通過獲取和分析力覺、觸覺、視覺、位置等信息，實現(xiàn)對于 外部環(huán)境和狀態(tài)的理解，為人機的智能交互和柔性作業(yè)提供決策依據(jù)，是目前機器人實現(xiàn) 智能自主操作的關(guān)鍵技術(shù)。在眾多的感知方式中，力觸覺感知系統(tǒng)能檢測機器人末端執(zhí)行 器操作工件時所產(chǎn)生的三維力/力矩、接觸信息，為機器人提供力覺感知環(huán)境，是系統(tǒng)完 成操作作業(yè)的重要條件之一。 力覺傳感器主要布置在手腕、關(guān)節(jié)等多部位。區(qū)別于垂直單方向壓覺力感知，機器人力覺 感知是指機器人作業(yè)過程中對來自外界大部分力的感知，是機器人主動柔順控制必不可少 的環(huán)節(jié)，它直接影響著機器人的力控制性能，分布在機器人的腕部、軀干關(guān)節(jié)、腳部、手 指等部位。

1.2 力控是機器人實現(xiàn)柔順控制的前提

機器人的運動控制可以分為位置控制、速度控制、力控。工業(yè)界傳統(tǒng)的機器人都使用位置 控制，在位置控制下，工業(yè)機器人會嚴(yán)格按照預(yù)先設(shè)定好的位置軌跡進(jìn)行活動，但是，若 機器人的運動過程中受到了障礙物的阻攔，會導(dǎo)致機器人位置追蹤誤差變大，這種情況下 機器人會“出力”追蹤預(yù)設(shè)的運動軌跡，導(dǎo)致機器人與障礙物之間產(chǎn)生巨大的內(nèi)力，無法 完成柔順控制。

相比位置控制，力控對于機器人的柔順控制更加重要。現(xiàn)在常用的機器人位置控制可以使 機器人在與環(huán)境無相互作用力或相互作用力可忽略不計時完成任務(wù)，如噴涂、焊接等。然 而在如拋光或打磨等應(yīng)用場景中，僅使用位置控制將不能滿足任務(wù)需求。這時需要引入末 端執(zhí)行器將力/力矩作為反饋量進(jìn)行控制，智能調(diào)整運動軌跡，實現(xiàn)機器人的柔順控制。 比如： 1）工業(yè)機器人：在工業(yè)機械臂表面拋光的場景下，表面處于不規(guī)則的狀態(tài)，需要嚴(yán)格地 控制末端拋光件與表面接觸力的大小，因此需要不斷獲得末端執(zhí)行器的力反饋，進(jìn)行動態(tài) 力反饋控制。 2）人形機器人：波士頓動力的 Atlas 在不規(guī)則的雪地路面上行走時，路面情況無法通過 提前建模預(yù)測，這種情況下，如果通過位置控制，無法規(guī)劃出一條合理的位置軌跡，必須 引入力控，才能實現(xiàn)動態(tài)控制。

1.3 機器人的柔順力控有哪些方案？

柔順控制指機器人與環(huán)境進(jìn)行物理交互時，通過采取一些新的柔順元件，或者設(shè)計新的控 制策略使得機器人具有柔順性，采用相關(guān)柔性輔助元件使機器人展現(xiàn)柔順特性的方式通常 被稱為被動柔順，而通過設(shè)計相關(guān)柔順控制策略作用于機器人使機器人展現(xiàn)柔順特性的方 式通常被稱為主動柔順。 根據(jù)南京航空航天大學(xué)段晉軍博士的分析來看，機器臂柔順控制方式分為被動柔順控制和 主動柔順控制，主動柔順控制又分為直接力控、間接力控、混合位置/力控。

1.3.1 被動柔順控制：機械臂的被動柔順控制是在機械臂的末端安裝一個機械彈性結(jié)構(gòu) （彈簧、阻尼），通過機械臂的彈性來實現(xiàn)力控的功能。這類力控方式工藝簡單、成本低 廉、對于機械臂無特殊要求，但是力控精度無法保證，機械臂擁有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，有非線性 的摩擦力、傳動間隙，導(dǎo)致期望剛度無法精確獲得，適用于對于力控精度要求較低的場景。

1.3.2 主動柔順控制：主動柔順控制需要機器人獲取對力信息和位置信息的反饋，利用力 與位置的反饋信息結(jié)合相應(yīng)算法去主動控制機器人運動或者作用力，分為直接力控和間接 力控、混合位置/力控。 間接力控：間接力控不是單純的控制力或者控制位置，而是控制力與位置的相對關(guān)系，使 得與機械臂的末端彈性結(jié)構(gòu)通過軟件算法來實現(xiàn)力控。間接力控根據(jù)控制原理的不同又分 為導(dǎo)納控制和阻抗控制。 1）導(dǎo)納：導(dǎo)納控制廣泛應(yīng)用于實現(xiàn)機器人的主動柔順從而完成拖動示教，其主要原因是 導(dǎo)納控制器能夠建立環(huán)境與機器人之間的動態(tài)關(guān)系，利用虛擬剛度、阻尼、慣性參數(shù)創(chuàng)建 從力到運動的映射。通過調(diào)節(jié)上述三種參數(shù)，改變機器人柔順特性，使機器人服從人類施 加的力并做出相應(yīng)的運動。 2）阻抗：阻抗控制是將控制器等效為阻抗系統(tǒng)，輸入位置輸出力。是由 Hogan 于 1985 年提出的主動柔順控制策略，是目前柔順控制使用較多的方法之一。阻抗控制本質(zhì)為建立 機器人在與環(huán)境交互過程中所受外界環(huán)境交互力與機器人姿態(tài)之間的映射關(guān)系，從而實現(xiàn) 根據(jù)外界交互力調(diào)節(jié)機器人姿態(tài)的功能，進(jìn)而實現(xiàn)機器人的主動柔順。

直接力控：相比于間接力控，直接力控更適合于不考慮人機交互安全性的場景，比如打磨 場景，需要精確的力輸出在某個表面。這種力控方式主要包括電流環(huán)、基于一維力傳感器、 基于六維力傳感器、基于關(guān)節(jié)扭矩傳感器這幾種方式。 1）電流環(huán)：電機以恒定的電流運轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生恒定的加速力矩，這類力控?zé)o需額外的傳感 器，但是力矩精度差。2）基于一維力傳感器：在機械臂的末端加裝一維力傳感器感知外力，僅適用于的控制一 個方向的力，相對更好的控制精度。 3）基于六維力矩傳感器：精度遠(yuǎn)高于一維力傳感器。 4）關(guān)節(jié)扭矩傳感器：主要應(yīng)用于機械臂的關(guān)節(jié)處，精度介于電流環(huán)和力傳感器之間。

混合位置/力控：通過位置反饋回路對力反饋回路進(jìn)行調(diào)節(jié)進(jìn)而控制末端執(zhí)行器與環(huán)境的 交互力，并將該算法應(yīng)用于磨拋任務(wù)當(dāng)中。

1.4 歷史上不同力控方案的機器人都有哪些案例？

被動柔順控制案例：Starl ETH 機器人

被動柔順控制指的是在力覺控制的末端執(zhí)行器環(huán)節(jié)安裝一個機械彈性結(jié)構(gòu)（彈簧、阻尼）， 進(jìn)而實現(xiàn)力控，Starl ETH 機器人屬于這類力控方式，根據(jù) StarlETH 機器人的相關(guān)論文 表明，Starl ETH 內(nèi)部的核心元件是高柔順性系列彈性制動器，這種設(shè)計實現(xiàn)了扭矩的可 控性，并且能夠?qū)宇^角度、電機角度、彈簧的偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)精準(zhǔn)測量。 Starl ETH 機器人的關(guān)鍵元件為輕質(zhì)高阻尼球型腳，通過內(nèi)部的力敏電阻器感受力的變化， 前端的傳感器還包括 IMU 感受角速度和加速度來控制運動。

主動柔順控制之阻抗案例：優(yōu)必選、HYQ

1）優(yōu)必選：優(yōu)必選仿生機器人通過提取關(guān)節(jié)力矩或電流計算機器人末端受到的一個六維 力和力矩，通過阻抗控制即可實現(xiàn)機器人的柔順效果。

2）HYQ：為了實現(xiàn)機器人與外界環(huán)境進(jìn)行交互，需要控制機器人的阻抗（接觸點的運動和 接觸點力之間的關(guān)系），HYQ 機器人通過控制阻抗實現(xiàn)了對于機器人的腿部控制。

六維力矩傳感器在機器人實現(xiàn)力控

六維力矩傳感器可廣泛應(yīng)用在科研、實驗室、工業(yè)機器人領(lǐng)域，機器人通過六維力和力矩 傳感器感受末端力反饋可實現(xiàn)整體控制，這類力控是目前較為普遍實現(xiàn)力反饋的路徑。

電流環(huán)實現(xiàn)力控案例：ABB 的雙臂機器人 YuMi

ABB 的雙臂機器人輕質(zhì)合金手臂均具有 7 軸自由度，能模擬人類肢體動作，在大幅提升空間利用率的同時，又能契合消費電子行業(yè)靈活敏捷的生產(chǎn)需求。ABB 力控方式并沒有使用 力傳感器，而是采用電流環(huán)的方式，所用的電機、減速機相對較小，產(chǎn)生的摩擦力也小， 因此動力學(xué)辨識相對更準(zhǔn)一些。但是由于沒有力傳感器，也就無法實現(xiàn)精準(zhǔn)力控。

力/位置混合控制：IGrinder 智能力控打磨解決方案

20 年宇立儀器和江蘇金恒聯(lián)合開發(fā)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(nèi)置力傳感器、位移傳感器、傾角傳感 器和電氣伺服控制系統(tǒng)，實時感知打磨力、浮動位置和磨頭姿態(tài)等信息，能夠自動補償機 器人姿態(tài)、軌跡偏差和磨料磨損，保證恒定的打磨壓力，從而獲得打磨效果的一致性。

總結(jié)：根據(jù)上述各類機器人力控方式來看，主動柔順控制已經(jīng)成為未來機器人與外界交互 必經(jīng)之路，以優(yōu)必選的仿生機器人為例，該產(chǎn)品通過阻抗控制實現(xiàn)了抗性、柔順性，在受 到外力的情況下，仍然能夠完成操作。而從目前主流柔順力控方式來看，多數(shù)的均需要使 用力傳感器收集力反饋的信號，力/力矩傳感器為各類機器人實現(xiàn)柔順控制的核心部件， 因此下文我們將重點分析力/力矩傳感器的各個種類、成本、格局。

二、機器人的力傳感器的種類有哪些？

2.1 從檢測原理來看，電阻應(yīng)變式傳感器綜合性能更優(yōu)

從檢測方法來看，力傳感器可分為電阻式、電容式、電感式，光電式等。電阻應(yīng)變式、電 容式兩類檢測模式優(yōu)勢明顯，有望在人形機器人中得到應(yīng)用。

硅/金屬箔電阻應(yīng)變傳感器有望應(yīng)用于人形機器人。從不同類型的力矩傳感器在穩(wěn)定性、 剛度、動態(tài)特性等維度的比較后，硅/金屬箔電阻應(yīng)變式傳感器在穩(wěn)定性、剛度、信噪比 等多個方面具有優(yōu)勢，有望在人形機器人中得到應(yīng)用。

2.2 從感知維度來看，力傳感器主要感知一維、三維、六維力

從力傳感器的感知維度來看，力矩傳感器可以分為一維到六維，測量維度的數(shù)量越多，產(chǎn) 品難度越大、檔次越高；從主流的傳感器的測量維度來看，一、三、六維力矩為常見產(chǎn)品 的，二、五維力矩傳感器相對較少：

一維力傳感器：標(biāo)定坐標(biāo)軸為 OZ 軸，如果被測量力 F 的方向能完全與 0Z 軸重合，那 么此時用一維力傳感器就能完成測量任務(wù)；比如稱重傳感器，只能測量垂直于地面的 力，就屬于一維力矩傳感器。 三維力傳感器：力 F 的作用點 P 始終與傳感器的標(biāo)定參考點 O 保持重合，力 F 的方 向在三維空間中隨機變化，這種情況下用三維力傳感就能完成測量任務(wù)，它可以同時 測量 Fx、Fy、Fz 這三個 F 的分力。 六維力傳感器：空間中任意方向的力 F，其作用點 P 不與傳感器標(biāo)定參考點重合且隨 機變化，這種情況下就需要選用六維力傳感器來完成測量任務(wù)，同時測量 Fx、Fy、 Fz、Mx、My、Mz 六個分量。六維力傳感器內(nèi)部的算法，可以實現(xiàn)解耦各個方向的力和 力矩的干擾，使得測量的力矩更為準(zhǔn)確；這類傳感器更適用于參考點的距離較遠(yuǎn)，且 隨機變化情景，測量精度要求較高。

從人形機器人的工作原理來看，我們判斷未來人形機器人的手腕、腳踝環(huán)節(jié)需六維力矩傳 感器、其他關(guān)節(jié)可以適用關(guān)節(jié)扭矩傳感器。 末端執(zhí)行機構(gòu)（手部、腳部）---六維力矩傳感器：由于人形機器人末端執(zhí)行機構(gòu)主要為 手部和腳部，執(zhí)行的過程中力臂在幾十到幾百毫米之間，力臂較大且屬于隨機變化；而對 于這兩類環(huán)節(jié)的力也要求實現(xiàn)精確處理，因此這兩類關(guān)節(jié)所受的力并非簡單的一維、三維 力，我們判斷這個關(guān)節(jié)需要適用六維力矩傳感器。 其他關(guān)節(jié)---關(guān)節(jié)扭矩傳感器：特斯拉人形機器人旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機構(gòu)類似協(xié)作機器人關(guān)節(jié)，而 線性執(zhí)行機構(gòu)也通過滾珠絲杠完成直線運動，整體對于力的感知相對簡單，我們預(yù)計其他 關(guān)節(jié)需單軸力矩傳感器。

三、如何看待多維力矩傳感器的壁壘、成本、格局？

根據(jù)前文的分析，機器人手部、腳部需要使用六維力矩傳感器，而其他關(guān)節(jié)需要使用單軸 扭矩傳感器；相比單軸力矩傳感器，六維力矩傳感器定價較高，若人形機器人未來想要實 現(xiàn)商業(yè)化落地，力矩傳感器的降本為必不可缺的一環(huán)，我們將重點分析六軸力矩傳感器的 技術(shù)壁壘進(jìn)而對于該產(chǎn)品的降本進(jìn)行展望。

3.1 從核心元件看壁壘：應(yīng)變片性能要求高、安裝工藝門檻高

從工作原理來看，電阻應(yīng)變式力矩傳感器核心部件為應(yīng)變片，應(yīng)變片的性能對于力矩傳感 器的整體性能影響至關(guān)重要。具體原理為將箔應(yīng)變片安裝在力矩傳感器的金屬體（也叫撓 曲件）上，當(dāng)施加到外力時，金屬體充當(dāng)“彈簧”輕微變形，進(jìn)而帶動應(yīng)變片實現(xiàn)形變， 應(yīng)變計的形變會改變電阻，實現(xiàn)電信號的反饋。

安裝難度大：從六維力矩傳感器每個維度需要至少 4 個應(yīng)變片，數(shù)十個應(yīng)變片的安裝對 工藝提出較高要求。從全球龍頭六維力矩傳感器公司 ATI 的產(chǎn)品內(nèi)部構(gòu)造來看，六維力矩 傳感器的內(nèi)部為內(nèi)輪轂，通過梁與外殼來連接，每個維度具有至少 4 個應(yīng)變片，考慮到抗 溫漂等性能需求，單個六維力矩傳感器的上可能需要 30-40 個應(yīng)變片，而組裝的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 貼片、組橋、配平、溫度補償均需人工在極其狹小的空間內(nèi)完成，安裝工藝具有較高技術(shù) 壁壘。

應(yīng)變片性能直接影響傳感器性能：應(yīng)變片是由敏感柵等構(gòu)成用于測量應(yīng)變的元件，其原理 是在外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值相應(yīng)地發(fā)生變化，因此應(yīng)變片的性能直接 決定了多維力傳感器的靈敏度、量程、分辨率、剛性等靜動態(tài)性能指標(biāo)。

3.2 從性能看壁壘：串?dāng)_、精度、準(zhǔn)度要求較高，定制化研發(fā)難度大

研發(fā)難度大：六維力矩傳感器的研發(fā)并非將一個三維力和三個扭矩傳感器結(jié)構(gòu)的簡單疊加， 它的非線性力學(xué)特征明顯，要考慮多通道信號的溫漂、蠕變、交叉干擾、數(shù)據(jù)處理的實時 性，再加之六維聯(lián)合加載標(biāo)定的復(fù)雜性，六維力矩傳感器的難度遠(yuǎn)超過單維力矩傳感器的 研發(fā)難度。 性能要求高：根據(jù)坤維科技公眾號，多維力矩傳感器的核心性能指標(biāo)為串?dāng)_、精度和準(zhǔn)度， 國內(nèi)外該指標(biāo)差距較大。 串?dāng)_：該指標(biāo)用來衡量多維力傳感器各測量方向間的耦合影響，可以反映測量誤差水 平，是體現(xiàn)產(chǎn)品性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。 精度：該指標(biāo)衡量了測量結(jié)果之間的重復(fù)性。 準(zhǔn)度：測量結(jié)果與理論真值的偏離程度。準(zhǔn)度其實涵蓋了滯后、線性、蠕變等誤差因 素，更能體現(xiàn)產(chǎn)品的綜合性能，是多維力傳感器最為核心的技術(shù)指標(biāo)之一。

3.3 六維力矩傳感器的成本主要來自于應(yīng)變片和人工加工成本

成本端：我們判斷六維力矩傳感器的成本核心在于應(yīng)變片、加工成本。 應(yīng)變片：根據(jù)前文分析，單個六維力矩傳感器所需要應(yīng)變片的數(shù)量至少為 24 個，考 慮到抗溫漂、蠕變等需求，一般單個六維力矩傳感器的應(yīng)變片的數(shù)量約為 30-40 個； 根據(jù)淘寶價格，海外應(yīng)變片頭部廠商 HBM 單個應(yīng)變片的價格在 100-200 元，因此單個 六維力矩傳感器應(yīng)變片的成本在 5000-6000 元。

加工成本：六維力矩傳感器成品對于精度、準(zhǔn)度要求極高，因此人工加工技術(shù)壁壘較 高，短期無法實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，我們預(yù)計六維力矩傳感器人工成本超過 10%。 價格端：目前海外六維力矩傳感器龍頭 ATI 產(chǎn)品價格 4000-8000 美金之間。

展望：根據(jù)前文分析，六維力矩傳感器的超 50%的成本來自于應(yīng)變片和人工費用，我們認(rèn) 為隨著國產(chǎn)應(yīng)變片的參數(shù)持續(xù)突破及加工能力提升，以及人形機器人需求爆發(fā)后，未來降 本空間充足。

3.4 空間：22 年全球力矩傳感器市場規(guī)模達(dá) 80 億美元

2028 年全球力矩傳感器市場規(guī)模將達(dá) 137 億美元。根據(jù) imarcgroup 數(shù)據(jù)，2022 年全球力 矩傳感器市場規(guī)模為 82 億美元，預(yù)計 2028 年將達(dá) 137 億美元，期間 GAGR 達(dá) 8.9%。