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  • 产品名称:2023机器人力传感器专题报告:智能时代感知系统核
  • 更新时间:2024-03-15 12:10:24 来源:AYX在线 作者:ayx最新官网下载
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产品详细信息

  力控精度需求提升,六维力传感器重要性凸显。接触过程几乎贯穿了现代加工、制造业的 所有环节。因此,对以“接触载荷”为代表的力和力矩的准确、快速测量是实现加工、制造智 能化的重要保障,也是智能设备和机器人实现柔顺化操作的关键技术挑战之一。

  (1)精度提升:高精度的六维力传感器合误差可以做到 0.5%以内,常规产品也可以做到2%-5%,但是如果使用多个一维力传感器组合解耦,一般的耦合误差高达 20%以上,严重影响测量精度。

  (2) 结构紧凑: 六维力传感器体积小,结构紧凑,一个六维力传感器所需的空间小于六个一维力传感器。鑫精诚生产的六维力传感器直径最小可达 9.5mm。小体积的六维力传感器可适配机器人关节等狭小空间,降低机器人结构设计难度。

  (3) 协调同步: 使用多个一维力传感器可能出现传感器间信号不同步的问题,而六维力传感器可同时解算出三个方向的力和力矩,同步性大大提高。

  即使不需要三个方向的力矩信息,三维力传感器仍无法替代六维力传感器。部分力控算法仅需要利用三个力的数值,而不需要力矩的大小,但这并不意味着可以使用三维力传感器替代六维力传感器。在机器人等复杂机械结构中,元器件所受力的力臂变化随机且幅度大对三维力传感器的测量结果有显著影响,导致误差过大。相比之下,六维力传感器充分解耦了三个方向的力和力矩,可应对力臂多变的情况。此外,当力臂过大时,即使三维力传感器所受力未超过量程,过大的力矩也可能导致传感器材料屈服、断裂、损坏:而六维力传感器可及时感知到力矩的异常变化,进而控制机器人调整姿态以避免元器件损坏。

  ② 过载能力:衡量传感器能承受多大的力/力矩而不发生规定性能指标的永久性改变。在 实际应用场景中,六维力传感器过载的主要原因是传感器受到的力矩超出量程范围。

  ④ 精度:又称重复精度,该指标衡量传感器重复测量同一值时的重复性。在大多数情况下, 重复精度比分辨率更为重要。计算方式为:在相同环境条件下,在额定载荷范围内,对 传感器进行多次重复联合加载相同一组载荷后,计算得到的传感器测量值的标准差,并 除以量程。

  ⑤ 串扰:衡量传感器不同方向的力/力矩间的耦合干扰,是反映六维力传感器制造、标定 水平的核心指标之一。计算方式为:分别对六维力传感器的六个测量方向精确加载至各 自的额定载荷,记录六个方向的测量结果,并除以量程。取其中最大值,定为串扰指标。

  ⑥ 准度:衡量传感器测定值与实际值的差异。准度是滞后、线性、蠕变等误差因素综合影 响的结果,更能体现产品的综合性能,是力传感器最为核心的技术指标之一。计算 方式为:对传感器进行多组联合加载,计算得到的传感器测量值与所加载荷理论真 值之间的标准偏差,并除以量程。

  当前六维力传感器的主要成本来源于应变片和人工成本。随着六维力传感器需求扩大, MEMS 技术的应用有望从上述两方面大幅降低成本。

  (1) 应变片:在六维力传感器中,最少 4 片应变片可构成一个惠斯通电桥,用于测量一维力; 为测量六维力,则至少需要 4×6 = 24 片应变计;如需进一步降低耦合干扰,应变片的 需求量可达 48或 96 片。根据百度爱采购数据,海外应变片龙头厂商 HBM产品单价达 190 元,48 片应变片成本超过 9000 元;国内龙头厂商中航电测产品单价不到 10 元,48 片 应变计成本约 480 元;如未来六维力传感器得以大规模量产,厂商可选择采用 MEMS 工 艺的硅应变片,单片成本不到 1 元,48 片应变计成本仅不到 40 元。

  (2) 人工成本:当前六维力传感器生产流程仍无法完全自动化,贴片、温度补偿、测试等核 心环节均依赖人工操作,人力成本较高。采用 MEMS 的玻璃微熔固化工艺,可将贴片环 节自动化并实现大批量生产,节约人力成本。

  下游需求快速扩张将推动 MEMS 技术应用。目前六维力传感器的市场需求潜力仍未释放, 2022 年中国市场销量仅 8000 余套。MEMS 技术适用于大规模生产,单个硅晶圆最高可生产出 上万片应变片,产能远超当前需求,因此 MEMS 技术尚未大规模应用于六维力传感器生产, 厂商仍普遍采用传统工艺。预计下游协作机器人、人形机器人放量将快速拉动六维力传感 器需求,MEMS 技术有望投入应用,实现量产降本,单个六维力传感器成本有望达到千元级 别甚至更低水平。

  传感器是把其他信息转换为电信号的零部件,力传感器即把力/力矩的量值转换为电信号的掌部件。传感器通常由敏感元件和转换元件组成,能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。2019 年实施的推荐性的国家标准 GB/T 36378.1-2018《传感器分类与代码 第1 部分: 物理量传感器》中,基于测量的物理量对传感器做出了细致的分类。其中,力学量传感器包括: 压力传感器、重力传感器、应力传感器、力矩传感器、位置传感器、速度传感器、加速度传感器等。本文中的力传感器指测量各类力/力矩,把力和力矩的量值转换为电信号的零部件。

  力传感器上游材料供应克足,下游应用领域广泛。从产业链上游来看,根据测量原理的不同,力传感器上游为半导体材料、金属材料、有机材料等。目前上游材料的供应商竞争充分,市场供应充足。从产业链下游来看,力传感器是众多机械和电子设备不可或缺的感知元件,其产业链下游应用广泛,包括汽车电子、通信电子、消费电子、专用设备等多种领域。

  力传感器分类方式众多,可根据以下方式分类:测量原理: 可分为应变式、压电式、电容式、光学式等;测力维数: 可分为 1-6 维力传感器,其中以一维、三维、六维力传感器最为常见;输出方式:可分为模拟传感器和数字传感器;力的种类: 可分为压力传感器,称重传感器,力矩传感器等。

  应变式: 将力转化为电阻变化。应变式力传感器的核心零件是电阻应变片,一般由金属或硅制成,可将力产生的应变转换为电阻变化,即应变效应。应变式力传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当待测力作用在弹性元件上时,弹性元件的变形引起敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成电信号输出,据此推算力的大小。利用相似的原理,除力/力矩以外,应变式传感器还可以测量加速度、位移等物理量。应变式力传感器具有精度高、技术成熟、测量范围广、频响特性好等特点,是当前使用最为广泛的力传感张。

  压电式:将力转化为电荷变化。压电式力传感器的核心零件是压电材料,如石英、压电陶瓷等。压电材料在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。通过电路将其转变为电信号输出,据此推算力的大小。压电式力传感器具有动态响应好、精确性好、分辨率高、结构紧凑、尺寸小、刚度强等特点。

  电容式:将力转化为电容变化。电容式力传感器的核心零件是电容器。电容式力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极,当薄膜感受压力而变形时,薄膜与围定电极之间形成的电容量发生变化,通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号,据此推算力的大小。电容式力传感器具有高灵敏度和高分辨率、频率范围宽,结构简单、环境适用性强等特点。

  光学式:将力转化为光强变化。光学式力传感器的核心零件是光纤。光学式力传感器由弹性体和光纤构成。当待测力作用在弹性体上时,弹性体形变使得光纤发生弯曲,导致经过光纤的光强发生变化。用光传感器检测这一信号,据此推算出力的大小。光学式力传感器具有可靠性高、测量范围广、动态响应好。

  根据测力的维数,力传感器可以分为一维到六维传感器。从主流的力传感器的测量维度来看,一维、三维、六维力传感器是较常见的产品,二、五维力传感器较少见。

  一维力传患器:测定一个方向的力。如果待测力的方向能完全与标定坐标轴重合,那么用一维力传感器就能完成测量任务: 如待测力与标定坐标轴成一定央角,或作用点不在标定参考点,则会产生测量偏差。常见的压力传感器、称重传感器都属于一维力传感器。

  三维力传感器:测定三个正交方向的力。如果待测力的方向变化,但力的作用点保持不变与传感器的标定参考点重合,那么用三维力传感器就能完成测量任务。三维力传感器将给出待测力在 x,y,z轴的三个分量 F,F,F。如果待测力的作用点不在标定参考点,则会立生测量偏差。

  六维力传感器:测量三个正交方向的力和三个正交方向的力矩。即使待测力的方向任意变化,作用点不在标定参考点,六维力传感器也能完成测量任务。六维力传感器将给出待测力在x,y,z轴的三个分量 Fx,Fy,Fz,和待测力矩的三个分量 Mx,My,Mz。

  模拟传感器: 将被测量的力信号转换为模拟信号输出。模拟信号是连续的变化信号,可以通过模拟电路进行处理和控制。模拟传感器的优点:

  3) 不易集成: 输出的是模拟信号,需要通过模拟电路进行处理和控制,因此不易与其他电子元器件集成。模拟传感器广泛应用于电子测量、环境监测、机器人等领域。

  数字传感器:将被测量的力信号直接转换为数字信号输出。数字信号是一系列由 0 和 1 组成 的二进制数码,可以通过微处理器或单片机进行处理和控制。数字传感器的优点:

  1)精度 高:直接将模拟信号转换为数字信号,避免了模拟电路中存在的放大、滤波等环节带来的 误差;

  3)易于集成:直接与微处理器或单片机相连,实现数字化处理,可方便地与 其他电子元器件集成在一起。

  2)功耗较大:需要通过数字转换器将模拟信号转换为数字信号,功耗较大。 数字传感器广泛应用于工业自动化、医疗设备、汽车电子等领域。

  压力传感器: 用于测量压力,包括气体、演体的压力。根据不同压力类型,压力传感器可进一步细分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。压力传感器是一种极为常用的传感器,广泛应用于工业自动化、智能机器人、汽车、医疗、家用电器等行业。采用柔性材料制成的柔性压力传感器可用于机器人仿生电子皮肤,为机器人提供触觉感知解决方案。

  称重传感器: 用于测量物体所受重力。称重传感器可广泛应用各领域,包括: 1.工业自动化:对物料进行称重和计量,确保生产过程的精确控制: 2.汽车工业: 帮助检测车辆的重量变化,从而调整车厢、发动机、制动系统等的性能,确保汽车的安全和稳定。3.物流领域:用于对货物的称量和统计,从而有助于掌握物流信息,提高运输效率和控制运营成本;4.建筑工程: 用于测量物料的重量,为建筑设计提供支持等。

  力矩传感器: 用于测量力矩。根据被测物体的运动状态,可以分为动态的转矩传感器和静态的扭矩传感器。力矩传感器常用于交/直流电动机、伺服电机、步进电机:汽车发动机、柴油机、转向器、车身整体刚性扭转以及其他部件加工过程的控制和检测:电/手动执行器各种阀门自动开闭控制: 各种材料扭矩寿命试验: 铁路机械设备过程控制等。

  1.2.下游应用:下游应用领域广泛,根据需求选择相应准度汽车电子、消费电子、工业制造为力传感器的主要下游应用。以 MEMS 压力传感器为例,汽车电子是第一大下游应用领域,约占我国总市场规模的 47.7%,其次,MEMS 压力传感器在消费电子、工业制造、医疗、航空航天领域也有着广泛应用,2020 年分别占总市场规模的18.2%、15.9%、13.6%、4.6%。此外,新兴市场的迅猛发展也推动了需求的持续扩张,例如:物联网带动称重传感器需求、以及人形机器人即将带来的对力觉等传感器的需求。

  2.1.我国力传感器市场规模约 671 亿。


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