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通過獲取和分析力覺、觸覺、視覺、位置等信息，實現對于 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，是目前機器人實現 智能自主操作的關鍵技術。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、軀干關節(jié)、腳部、手 指等部位。

1.2 力控是機器人實現柔順控制的前提

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)機器人會嚴格按照預先設定好的位置軌跡進行活動，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”追蹤預設的運動軌跡，導致機器人與障礙物之間產生巨大的內力，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，如噴涂、焊接等。然 而在如拋光或打磨等應用場景中，僅使用位置控制將不能滿足任務需求。這時需要引入末 端執(zhí)行器將力/力矩作為反饋量進行控制，智能調整運動軌跡，實現機器人的柔順控制。 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)境進行物理交互時，通過采取一些新的柔順元件，或者設計新的控 制策略使得機器人具有柔順性，采用相關柔性輔助元件使機器人展現柔順特性的方式通常 被稱為被動柔順，而通過設計相關柔順控制策略作用于機器人使機器人展現柔順特性的方 式通常被稱為主動柔順。 根據南京航空航天大學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構 （彈簧、阻尼），通過機械臂的彈性來實現力控的功能。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，機械臂擁有復雜的結構，有非線性 的摩擦力、傳動間隙，導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合相應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系，使 得與機械臂的末端彈性結構通過軟件算法來實現力控。間接力控根據控制原理的不同又分 為導納控制和阻抗控制。 1）導納：導納控制廣泛應用于實現機器人的主動柔順從而完成拖動示教，其主要原因是 導納控制器能夠建立環(huán)境與機器人之間的動態(tài)關系，利用虛擬剛度、阻尼、慣性參數創(chuàng)建 從力到運動的映射。通過調節(jié)上述三種參數，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)之間的映射關系，從而實現 根據外界交互力調節(jié)機器人姿態(tài)的功能，進而實現機器人的主動柔順。

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，以產生恒定的加速力矩，這類力控無需額外的傳感 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：精度遠高于一維力傳感器。 4）關節(jié)扭矩傳感器：主要應用于機械臂的關節(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行調節(jié)進而控制末端執(zhí)行器與環(huán)境的 交互力，并將該算法應用于磨拋任務當中。

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構（彈簧、阻尼）， 進而實現力控，Starl ETH 機器人屬于這類力控方式，根據 StarlETH 機器人的相關論文 表明，Starl ETH 內部的核心元件是高柔順性系列彈性制動器，這種設計實現了扭矩的可 控性，并且能夠對接頭角度、電機角度、彈簧的偏轉實現精準測量。 Starl ETH 機器人的關鍵元件為輕質高阻尼球型腳，通過內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機器人的柔順效果。

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

六維力矩傳感器在機器人實現力控

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

電流環(huán)實現力控案例：ABB 的雙臂機器人 YuMi

ABB 的雙臂機器人輕質合金手臂均具有 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，產生的摩擦力也小， 因此動力學辨識相對更準一些。但是由于沒有力傳感器，也就無法實現精準力控。

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：根據上述各類機器人力控方式來看，主動柔順控制已經成為未來機器人與外界交互 必經之路，以優(yōu)必選的仿生機器人為例，該產品通過阻抗控制實現了抗性、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用。

硅/金屬箔電阻應變傳感器有望應用于人形機器人。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，測量維度的數量越多，產 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、六維力矩為常見產品 的，二、五維力矩傳感器相對較少：

一維力傳感器：標定坐標軸為 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；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，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，同時測量 Fx、Fy、 Fz、Mx、My、Mz 六個分量。六維力傳感器內部的算法，可以實現解耦各個方向的力和 力矩的干擾，使得測量的力矩更為準確；這類傳感器更適用于參考點的距離較遠，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、其他關節(jié)可以適用關節(jié)扭矩傳感器。 末端執(zhí)行機構（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)的力也要求實現精確處理，因此這兩類關節(jié)所受的力并非簡單的一維、三維 力，我們判斷這個關節(jié)需要適用六維力矩傳感器。 其他關節(jié)---關節(jié)扭矩傳感器：特斯拉人形機器人旋轉執(zhí)行機構類似協(xié)作機器人關節(jié)，而 線性執(zhí)行機構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，我們預計其他 關節(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 技術壁壘進而對于該產品的降本進行展望。

3.1 從核心元件看壁壘：應變片性能要求高、安裝工藝門檻高

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

安裝難度大：從六維力矩傳感器每個維度需要至少 4 個應變片，數十個應變片的安裝對 工藝提出較高要求。從全球龍頭六維力矩傳感器公司 ATI 的產品內部構造來看，六維力矩 傳感器的內部為內輪轂，通過梁與外殼來連接，每個維度具有至少 4 個應變片，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 個應變片，而組裝的關鍵環(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完成，安裝工藝具有較高技術 壁壘。

應變片性能直接影響傳感器性能：應變片是由敏感柵等構成用于測量應變的元件，其原理 是在外界力的作用下產生機械變形時，其電阻值相應地發(fā)生變化，因此應變片的性能直接 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。

3.2 從性能看壁壘：串擾、精度、準度要求較高，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構的簡單疊加， 它的非線性力學特征明顯，要考慮多通道信號的溫漂、蠕變、交叉干擾、數據處理的實時 性，再加之六維聯(lián)合加載標定的復雜性，六維力矩傳感器的難度遠超過單維力矩傳感器的 研發(fā)難度。 性能要求高：根據坤維科技公眾號，多維力矩傳感器的核心性能指標為串擾、精度和準度， 國內外該指標差距較大。 串擾：該指標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，是體現產品性能的關鍵指標之一。 精度：該指標衡量了測量結果之間的重復性。 準度：測量結果與理論真值的偏離程度。準度其實涵蓋了滯后、線性、蠕變等誤差因 素，更能體現產品的綜合性能，是多維力傳感器最為核心的技術指標之一。

3.3 六維力矩傳感器的成本主要來自于應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變片、加工成本。 應變片：根據前文分析，單個六維力矩傳感器所需要應變片的數量至少為 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變片的數量約為 30-40 個； 根據淘寶價格，海外應變片頭部廠商 HBM 單個應變片的價格在 100-200 元，因此單個 六維力矩傳感器應變片的成本在 5000-6000 元。

加工成本：六維力矩傳感器成品對于精度、準度要求極高，因此人工加工技術壁壘較 高，短期無法實現自動化生產，我們預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 產品價格 4000-8000 美金之間。

展望：根據前文分析，六維力矩傳感器的超 50%的成本來自于應變片和人工費用，我們認 為隨著國產應變片的參數持續(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 80 億美元

2028 年全球力矩傳感器市場規(guī)模將達 137 億美元。根據 imarcgroup 數據，2022 年全球力 矩傳感器市場規(guī)模為 82 億美元，預計 2028 年將達 137 億美元，期間 GAGR 達 8.9%。