六维力传感器如何选型？

        今天来介绍下六维力传感器如何选型。六维力传感器在机器人、航空航天、生物医学等领域得到了广泛应用，特别是在机器人领域，其在实现智能机器人“触觉”、“力觉”和“听觉”中起着关键的作用。

        作为测量机器人末端操作器和外部环境相互接触或抓取工件时所承受力和力矩的传感器，六维力传感器为机器人的力控制和运动控制提供了力感信息，对实现机器人智能化起着重要作用。

 

1、什么是六维力传感器？

        在介绍六维力传感器之前，先了解一下什么是力传感器？

        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。

        单轴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。

        六维力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。

2、六维力传感器工作原理

        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。

        ①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；

        ②光学式传感器则是通过光栅反映形变，再转化成力；

        ③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。

3、六维力传感器选型

传感器选型难点

        六维力传感器是一个相对“脆弱”的传感器，其选型与应用场景有很大的关联性，所以不同选型的难点在于应用多样性、复杂性。

        由于传感器量程和精度成反比关系，怎样选择合适量程的传感器才能使精度达到最大？

        在复杂应用场景下，传感器本体除精度外是否能适应应 用场景？

        在精密机构当中的传感器如何安装在狭小空间内，如何与机构融为一体？

 

选型要点

        在千变万化的应用环境中，选择合适的传感器至关重要，可被归纳为四个核心步骤：

        ①确定量程需求

        负载包括外部负载和加速度负载。P = Pa + Pe

        力的估算力的负载包括法兰、工具夹爪、外力（如打磨力，装配力）再用直接投影法或者二次投影法计算Fx Fy Fz

        力矩估算M = Ma + Me
                    Me = r ×Fe

        ②确定使用环境

       选择传感器时，不同的环境需要考虑不同的防护，例如在实验环境下，主要考虑的是室温、无粉尘、液体，选择传感器时选择普通传感器即可；

       在工业现场环境下，这个时候会出现粉尘、磨削液、高温等场景，需根据需求选择不同IP防护；

       在室外环境下，考虑的是风吹日晒雨淋；在水下应用中，是否是非纯净水以及水下作业时间长短；在航空航天，需要考虑超低温、真空等环境影响因素。

       ③确定机械出线需求

       不同安装环境需要考虑不同出线方式，可提供多种出线方式以供用户进行选择。

        ④确定通讯方式以及配套软件

        常见上位机包括PC，机器人，PLC等，力和力矩数据被用作数据采集源和运动控制。

 

4、应用领域

        六维力传感器的应用领域主要有以下方面：