机器人力传感器行业专题报告：机器人高精度力控方案核心部件
（报告出品：民生证券）
1 多维力传感器设计涉及多学科交叉，技术壁垒高
1.1 力传感器可分为一维传感器和多维传感器
1.1.1 传感器的分类
根据感力原件的不同，传感器主要分为三类：应变式力传感器、光学式传感器 以及压电式力传感器。
应变式力传感器，采用的是硅应变片或金属箔，本质是材料本身发生形变进而 转化为阻值变化；光学式传感器则是通过光栅反映形变，再转化成力；压电式传感器是将被测物理量变化转换成压电材料因受机械力产生静电电荷 或电压变化的传感器，可分为电容和压电两种，电容是通过极距的变化导致电压变 化，压电则是通过形变改变电荷。
经过稳定性、刚度、动态特性、成本与信噪比五个维度的比较可知，硅应变 传感器和金属箔传感器之间，硅应变片在稳定性、信噪比以及动态特性方面要更优， 两者刚度上相差不多，但成本上金属箔要优于硅应变片；电容传感器和压电传感器 之间，电容传感器成本最优，其他几项弱于压电传感器；光学传感器在动态特性方 便明显具有优势。
应变力传感器：电阻应变式传感器的灵敏元件主要是应变片，他是一种用来测 量物体应变的测试工具。大多数通用力传感器内部都有应变片。应变片作为电导体 牢固地附着在基片上。当基底被拉伸时，应变片将会变长。反之被压缩时，应变片 将会缩短。结果是导致应变片电阻产生变化。这就是应变测量原理，通过应变电阻 产生变换来确定应变大小。为了生产力传感器，除了应变片外还需要一个弹性体例如采用不锈钢等。应变片将牢固地黏贴在弹性体上，二者一起发生形变，因此应 变片将产生和弹性体一样的变形，这将导致电阻产生变化。惠斯通电桥输出信号将 提供这些变形信息。这样就可以计算出作用在应变片上的力的大小。这就是力传感 器的工作原理。
力传感器是机械、电子、算法、计量融合的复杂交叉学科，技术壁垒较高。多维力传感器能够实现更精细的工作需求，在机械加工，如磨削，去毛刺，打磨和 抛光中，让机器人来完成这些工作曾经是非常复杂的，需要根据空间体积进行大量 的编程，而且也需要花费大量时间来进行纠错。但是集成了多维力觉传感器后，利 用传感器的路径记录功能，操作员可以简单地抓住臂端装置并进行预期的移动。传 感器记录操作员施加的力和方向，然后机器人就可以重复操作员的动作。这将极大 地提高工作效率，同时将有助于保障操作工人的安全。
1.1.2 力传感器的生产工艺
力传感器的重要部件包含弹性体和应变片，弹性体制造质量直接影响到传感 器的测试性能指标，因此，弹性体的制造是力传感器生产的重要环节。力传感器的 生产流程主要包含弹性体加工及后处理工艺。
弹性体设计与制造：指弹性体钢杯的结构设计与机械加工，去应力热处理。此环节将确定弹性体膜片基本参数，基本决定了溅射薄膜式压力传感器的输入一 输出关系。弹性体建模与计算过程非常重要，将在下一节重点阐述。研磨与抛光：对合格的弹性体钢杯进行研磨、抛光，使表面达到光洁度要求， 然后再作进一步的减薄处理。打磨、划线：打掉弹性体上加工产生纹路及电镀层，活化金属表面，改善贴片 区表面的微观凸凹不平。划线目的为对应变计的粘贴位置进行定位，作为贴片时的 基准线。贴片：将敏感元件粘贴在弹性元件上，通过金属机械变形改变阻值，获得电信 号的改变（R→U）从而得到一个应变量。
固化、老化：将贴片后的弹性体放入一定的温度环境中，将贴片胶烘干，使应 变计与弹性体紧密粘合。老化是通过人为升温降温来消除应变计、胶水的残余应力， 以达稳定的目的。组桥走线：连接敏感元件（应变计），组成惠斯通电桥，将电信号有效地输入 输出。零点补偿、零点温度补偿：平衡桥臂电阻温度系数，使其输出满足特定要求。焊线：通过导线连接，介入外部的输入、输出。初测：测出传感器满量程的灵敏度，并进行补偿达到一个统一的标准值，以满 足多个产品互换灵敏度的一致性及便于组秤使用时角度调整。封胶、焊封：通过传感器贴片孔、补偿孔的密封，隔离外界，形成独立的内部 气候环境。重测：检测产品各项特性或指示是否符合或满足国际的要求或企业的内部控 制指标（非线性、重复误差、滞后误差、蠕变、灵敏度、零点等）。在应变式传感器工作过程中，一般由弹性体首先把被测定的重量变换成易于 转换成电量的应变量，然后配合应变计及测量电路，把应变量转换成电量，即把输入的重量转换成为输出的电量，所以弹性体在称重传感器中起着重要的作用，其制 造质量好坏直接影响到传感器的测试性能指标。
弹性体在加工中会产出各种加工应力，其加工应力的积蓄与大小会影响到传 感器的测试性能指标。因此在加工中应注意采用少应力加工工艺方法，尽量避免加 工应力积蓄或减少加工应力。在贴片、组桥、补偿、调试、封胶这几个环节上要控制环境温度、湿度、洁净 度和流程节拍。可靠性、稳定性是本产品最重要的性能，一个极小的缺陷就可能导 致产品的失效，因此要对每一个环节加强检验，才能提供给用户优质的产品。一般而言，力传感器厂商外购加工好的弹性体及应变片，因此，主要需要完成 焊接加工这一环节的工艺，目前六维力传感器等多维传感器依然以人工显微镜下 的手动贴片为主，低端的一维传感器等，部分企业积极探索自动化生产。
1.2 弹性体和应变片是力传感器的核心零部件
应变片和弹性体是力传感器的主要结构组成和成本组成部分。电阻应变片主要分为以下几类，箔式电阻片是最主要的应变片：
1)丝绕式：用电阻丝盘绕电阻片称为丝绕式电阻片，目前广泛使用的有半圆弯 头平绕式，这种电阻片多用纸底和纸盖，价格低廉，适于实验室广泛使用，缺点是 精度较差，横向效应系数较大。
2)短接式：这种电阻片的制作比较容易，在一排拉直的电阻丝之间，在预定的 标距上用较粗的导线相间地造成短路。短路接式电阻片的优点是几何形状比容易 于保证而目横向效应系数近于零。
3)箔式电阻片：它是在合金箔(康铜箔或镍铬箔)的一面涂胶形成胶底，然后在箔面上用照相腐 蚀成形法制成的，所以几何形状和尺寸非常精密，而且由于电阻丝部分是平而薄的 矩形截面，所以粘贴牢固，丝的散热性能好，横向效应系数也较低。该类应变片的 敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚度一般在 0.003-0.01mm 之间。箔 式应变片与丝式应变片比较其面积大，散热性好，允许通过较大的电流。由于它的 厚度薄，因此具有较好的可绕性，灵敏度系数较高。箔式应变片还可以根据需要制 制成任意形状，适合批量生产. 应变片的核心性能指标是灵敏系数和疲劳寿命，国内外生产的应变片主要技 术差异体现于此。一般而言，国内的应变片价格，根据中航电测招股说明书披露的 数据计算，大约在几元左右，而海外进口应变片的价格可达百元以上。应变片的灵敏系数是指:当应变计粘贴在处于单向应力状态的试件表面上，且 其纵向(敏感栅纵线方向)与应力方向平行时，应变计的电阻变化率与试件表面贴片处沿应力方向的应变(即沿应变计纵向的应变)的比值 应变片的疲劳寿命是指:在恒定幅值的交变应力作用下应变计连续工作，直至 产生疲劳损坏时的循环次数。
（1）掩模板制作：利用高精度制版设备，制作所设计的应变计图形掩膜版（底 版）。掩模版制作质量的高低直接影响应变计生产的成品率和可靠性。（2）基底胶备：通过化学反应，将高分子化工原材料合成为应变计胶粘剂。（3）箔材热处理：通过热处理炉，使敏感栅材料的内部晶体结构重新组合， 调整应变计敏感栅材料的合金成分配比以及金属的冷轧率和电阻温度系数， 从而满足应变计的性能要求，减小应变测量误差。（4）基底成形：将基底胶粘剂涂覆在敏感栅材料上，通过热固化使之成为应 变计基底。（5）光刻：利用光刻胶的感光特性，在金属箔材表面上涂覆光刻胶，通过紫 外线感光，将掩膜版的图形转移到光刻胶中，对光刻胶进行显定影，形成所需 要的应变计图形。（6）蚀刻：用蚀刻液将转印到金属箔材上的应变计图形刻出来。（7）半成品检验：对蚀刻后应变计敏感栅的质量状况进行检验。（8）阻值调整：通过机械抛光和化学腐蚀的方式，按应变计标称电阻的要求 对应变计电阻进行调整。
应变片用专用粘合剂粘接到测量对象上。测量位置上发生的应变通过粘合剂 和树脂基转移到应变传感元件。为了准确测量，应变片和粘合剂应与测量材料和操 作条件（如温度等）兼容。应变引起的电阻变化非常小。因此，对于应变测量，形成惠斯通电桥以将电阻 变化转换为电压变化。
此外，在传感器的内部有一种元器件叫做弹性体，弹敏元件是传感器的核心部 分，要求弹性元件具有较高的弹性储能般用弹性材料存储变形功而不产生永久变 形。一般优质的弹性体制作的传感器会具有优良的机械加工、热处理、抗压强度等 特性。由于受温度影响较小等特点，适当选择单性敏感原件和应变计是提高应变传 感器性能的重要途径。
1.3 多维力传感器的技术壁垒更高，高精度、抗干扰能力强
力传感器是将力的量值转换为相关电信号的器件。根据所测力的维数不同，力 传感器可被分为单轴力传感器和多轴力传感器。从后端信号输出的方式来看，可分为模拟量输出的传感器和数字量输出的传 感器，数字量输出的传感器是在模拟传感器输出的信号基础上增加放大器和后端 算法进行进一步的优化。模拟传感器工作原理：各系列称重传感器以贴有应变片的弹性体为敏感原件， 在外接激励电源后，输出与外加负荷（力）成正比例的信号。如果外部载荷作用在 传感器上，测量体将产生变形，应变计的电阻也随之改变。这样，通过电阻的变化 可测量出载荷大小。这不仅适用于扭矩传感器，也适用于称重传感器、力传感器和 其他类型的传感器。然而，扭矩传感器有一些特殊功能。
一维力传感器又称为拉压力传感器，指测量单一维数方向上的力或力矩，同理 多轴力传感器就是可以检测多个维数方向上的力或力矩。常见的一维力传感器主 要是称重传感器，可广泛用于汽车衡、配料衡、包装秤等各种电子衡器和自动称重 系统。此外，还可以选用不同形式的配套仪器，以满足计量、检测、调节及控制等 其它应用要求。此外，用于机器人关节内部的扭矩传感器区别于一般的扭矩传感器，相当于一 个简化版的六维力传感器，扭矩传感器一般分成采用内外圈结构，内外圈相对受扭力时，传感器发生弹性变形，传感器内部的应变计电阻发生变化，进而转换成电压 信号输出。
力传感器的性能指标：1）串扰：当在传感器其它方向的加载力（扭矩）至某个值（轴向力、径向力、 弯矩）时，扭矩传感器的输出除以扭矩满量程的百分比。机器人传感器抗扰能力最重要，如几个维度之间的最大串扰是多少，国内厂商 普遍能够达到 1%~2%，这一指标越小越好。2）模拟量输/数字量输出：能够采用模拟量直接输出表明六维力传感器的机械 设计水平高，不需要后续的算法对原始信号进行处理，当然也有方便客户使用而增 加数字量输出的情况。3）过载能力：传感器抵抗过载的能力。宇立的产品一般是传感器额定量程的 1.5 倍至 3 倍。过载指标越大越好，安全过载一般能做到 150%~200%，达到 200% 以上说明技术水平较优。机器人高处摔下，传感器为最主要承力部件。在安全过载 量程之内，传感器不会发生损坏，但零点会出现漂移，需重新标定。4）迟滞：在同一个负载下，加载和卸载时的信号输出在相等加载点上的最大 偏差除以满量程的百分比，这一指标越小越好。5）零点：在“零状态”时传感器的输出。零状态由客户定义，如可定义为传 感器水平放置时为零状态，也可定义为传感器竖直放置时为零状态。6）精度：传感器输出值的准确程度，通常用非线性、迟滞和串扰指标衡量。
多维力矩传感器相比于单轴力矩传感器技术壁垒更高，因为多维力传感器除 了要解决对所测力分量敏感的单调性和一致性问题外，还要解决因结构加工和工艺误差引起的维间（轴间）干扰问题、动静态标定问题以及矢量运算中的解耦算法 和电路实现等问题。六维力/力矩传感器指的是一种能够在笛卡尔坐标系中同时测 量力和力矩并且可以各三个分量的转换成为电信号的器件，用于精密装配、运动医 疗、智能制造等领域，能够实现检测、预防、测量、过程控制、示教、保护等功能。在工业自动化的趋势下，越来越需要使用机器人机械手来执行安装、焊接、研磨、 去毛刺、物体抓取/移动等工作。对操作灵活性和有效控制的需求使得必须检测机 器人机械手与其环境的相互作用力。测量的力信号不断输入机器人系统的控制单 元，并由相关执行器采取必要的措施来优化性能。多维力传感器能够进一步提升机 器人的灵敏度，从而提升执行任务的准确性，并且拓展更加精细的工作内容。
六维力传感器的工作原理：六维力传感器的每一个力对应一个矢量，它们既有 大小又有方向，它的标定都是假设传感器系统是一个线性系统，即传感器静态数学 模型满足 F=CV。V 是它的 6 路原始输出信息(列信息，单位是 V)，F 是经过计算 的 6 路力信息(列信息，力的单位是 KN，力矩的单位是 KNm)。利用施加在六维力传感器上的广义力矢量组 F 和通过数据采集上采样得到的 传感器 6 个输出信号矢量组 V 求出标定矩阵 C，传感器的输出信号是一个 6 路电 压信号组成的矢量。在不考虑传感器的非线性因素影响下，只要给传感器施加 6 个 线性无关的力矢量，并测得对应 6 个力矢量的传感器的输出电压信号矢量 V，就 可以得到一个唯一解 C。
六维传感器的标定和检测：标定是指，通过加载理论值的载荷并同时记录传感器输出的对应原始信号的方式，获得六维力传感器内部算法的各个参数。也就是建立传感器原始信号和受力 之间的映射关系。辨识与标定方法可分为静态标定与动态标定。静态标定中，让机 器人运动到几个姿态并停止，根据稳定时力矩传感器的数值与最小二乘法来标定 负载参数及传感器自身参数。这种方式忽略了运动惯性的影响。检测是指，通过加载已知理论真值的载荷并同时记录传感器测量结果的方式， 统计、比较测量结果和理论真值的差异，获得传感器的精度和准度，也就是测试传 感器的准确性。简单来说，标定是获得传感器固件参数，检测是获得传感器的精准 度。
对于六维力传感器而言，标定需要同时考虑六个维度，复杂度高，非线性效应 显著。在六维力传感器标定过程中，采用三个方向的力和三个方向的力矩同时加载 的方式，就叫做六维联合加载标定。标定解耦是六维力传感器提高精度的主要方法， 一维力传感器，比如拉压力传感器，仅仅只需要 9 个样本点来标定。同样是每个 维度取 9 个样本点，六维力传感器的样本空间就包含 531441 个样本点。使用这么多样本点进行六维联合加载标定会带来三点优势：1、交叉样本点可以使传感器的受力情况模拟更加接近于真实的使用情况。2、这样标定便于考察传感器在多维载荷同时作用下的非线性力学特性，可以 有效改善传感器结构的设计。3、这是基于传感器的非线性力学特性做的标定，可以大幅优化解耦算法的数 学模型。
例如“串扰”这个指标，他能反应六维力测量误差水平，市场上比较常见的品 牌标准值基本居于 2~5%FS，达到 1%FS 已然为优秀水准，而海伯森 HPS-CF025 的轴间串扰可做到<1%FS，可应用于精度要求高、量程要求低的场合，比如医疗 领域的手术机器人或触觉腹腔镜仪器等。除此之外，海伯森六维力产品系列均通过算法和结构的双重优化实现了低温漂、高精度和高静态过载保护，在 2000Hz 测 量频率下迟滞仅为 0.1%FS，有效提升了机器人作业的精度和稳定性，除了医疗辅 助、运动力检测和风洞测试等一些特殊的服务和应用，还可用于工业精密装配、柔 性打磨抛光等。总之，采用六维力联合加载标定，才能使传感器的准度更好、串扰更低。六维 力传感器在承受多个维度的力的同时作用时，非线性特性非常显著，六个维度的线 性模型叠加是无法精准描述这种非线性效应的。动态标定：即考虑负载运动速度等对力矩传感器的影响。这种处理方式与机器 人的动力学参数辨识类似，让机器人数个轴连续地运动，采集力矩传感器的数值与 关节角度，完成对负载及零漂的辨识。
在六维传感器中，其中的弹性力传感部件起着关键作用。应变片作为一个整体 牢固地粘合到该杆件的适当位置，形成至少六个桥式电路，从电压输出中，通过矩 阵计算确定三个力和三个力矩的大小和方向。就各种桥式电路的输出与六个力分 量的应用之间的关系而言，六维力传感器可以是耦合或解耦的。对于前者，任何力 分量的存在通常会在多个桥中产生输出。因此，这种传感器中存在交叉灵敏度，因 此校准矩阵相对复杂。至于后者，对应于特定力分量的电桥的输出不受任何其他力 分量的影响。如果是这种情况，则用于计算六个力分量的校准矩阵是对角线，其对 角线中只有非零元素。当然，由于力传感部件通常是单片的，因此在现实中无法获 得完全解耦的传感器。每个传感器都在某种程度上是耦合的。然而，在交叉灵敏度 不显著（例如，低于 2%）并且全部被忽略的情况下，可以将传感器视为具有可接 受精度的解耦传感器。
六维力传感器的内部算法，会解耦各方向力和力矩间的干扰，使力的测量更为精准。高精准度的军用六维力器，可以确保在六维度联合承载的情况下，测量值偏 差在量程的 0.3%FS 以内。所以，需要精准测量的情况下，六维力传感器的效果更 佳。
2 力传感器市场空间巨大，新兴应用开拓市场
2.1 力传感器需求不断增长，以称重传感器需求为主
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