做工业机器人调试这行快十年了，最直观的感受就是：前几年客户找我们，开口都是 “能不能让机械臂动得更准、更快”；现在问得最多的是 “能不能让它‘轻一点’‘巧一点’，别一抓就碎东西，跟人配合时也别让人提心吊胆”。要实现这种 “细腻感”，说到底就是要让机械臂能 “感知力”—— 而关节式力传感器，正是打破传统机械臂 “僵硬执行” 瓶颈的关键。

　　第一次在协作机器人关节里拆出这种传感器时，我印象很深：巴掌大的金属件，嵌在谐波减速器和关节轴之间，看着不起眼，却是整个力控系统的 “眼睛” 和 “耳朵”。简单说，它的核心作用就是实时 “摸清楚” 每个关节在动的时候，到底用了多大劲、碰到了多大阻力。具体到实际应用里，这几点最关键：

　　实时反馈力的 “真实情况”，避免 “盲目干活”

　　以前没装这种传感器时，机械臂抓东西全靠预设参数：抓泡沫箱按 5N 的力设，抓金属件按 20N 设，一旦物体重量、硬度有偏差，要么抓不住掉了，要么直接捏变形。现在有了关节扭矩传感器，每个关节的受力变化能精确到 0.01Nm，控制系统瞬间就知道 “这东西比预想的软，得减点力”，根本不用人反复调参数。

　　让机械臂学会 “灵活变通”，解决 “卡壳难题”

　　装配车间里最头疼的就是 “插轴入孔”—— 轴和孔差 0.1 毫米就可能卡死，以前得靠工人在旁边盯着，随时手动调整。现在我们给机械臂关节装了传感器，一旦检测到插进去时阻力突然变大，控制器会立刻微调关节角度，可能就偏个 0.5 度，轴就顺利进去了。上个月在汽车零部件厂调试时，就靠这个功能把装配合格率从 85% 提到了 99%，工人都不用守在旁边了。

　　为人机协作加道 “安全锁”，不怕 “硬碰硬”

　　协作机器人最核心的要求是 “安全”。以前靠红外传感器防碰撞，反应慢半拍，有时候机械臂都碰到人了才停下；现在用关节式力传感器，只要接触力超过预设的 5N，传感器瞬间捕捉到异常扭矩，0.1 秒内就能触发急停。有次车间新工人不小心伸手碰到机械臂，它立马就 “缩” 回去了，人一点事没有 —— 这比视觉或红外防护靠谱多了。

　　自动 “识别负载”，不用人反复 “教”

　　以前机械臂换抓手、换工件，都得工程师重新输入重量、重心参数，调一次要半小时。现在传感器能通过关节扭矩变化，自动算出末端抓的东西有多重、重心在哪，比如抓起一个 2kg 的零件，系统会自动调整运动速度和力矩，不会因为负载变了就晃悠悠的。上次给食品厂调分拣机械臂，从捡面包换到捡蛋糕，传感器自动适配，工人自己就能操作，不用再等我们上门。

　　提前发现 “故障苗头”，减少停机损失

　　机械臂关节的齿轮、轴承磨损了，光靠眼睛看不出来，但扭矩会慢慢变异常 —— 比如正常转动时扭矩稳定在 10Nm，磨损后可能涨到 12Nm 还忽高忽低。我们现在通过传感器持续监测扭矩趋势，一旦出现异常就提醒维护，上个月帮一家电子厂提前换掉了快磨坏的谐波减速器，避免了整条生产线停机半天的损失。

　　二、从 “能感知” 到 “会动作”，得跨过这几道 “坎”

　　不少客户以为 “装个传感器就行”，其实远没那么简单。去年有个客户自己买了传感器装上去，结果机械臂要么 “太敏感” 碰一下就停，要么 “太迟钝” 捏碎了东西 —— 关键是没解决从 “感知信号” 到 “智能动作” 的技术衔接问题。这里面最核心的是这五个环节：

　　传感器本身得 “靠谱”，不然全是白搭

　　关节里空间特别小，还全是电机的电磁干扰、转动的振动，温度一会儿高一会儿低 —— 传感器要是抗干扰差，测出来的扭矩全是 “噪声”。我们现在选的传感器，要么用应变片贴在定制的弹性体上，要么用光学感应，精度能到 0.1% FS，就算机械臂高速转动，数据也不会飘。上次在焊接车间调试，环境温度从 20℃升到 40℃，传感器的漂移也没超过 0.2Nm，这才能用。

　　信号得 “过滤干净”，不然控制器 “抓瞎”

　　传感器测出来的原始信号里，混着电机转动的高频噪声、线缆干扰的杂波，直接用的话，控制器会把噪声当成真实力信号，机械臂就会 “乱晃”。我们一般用卡尔曼滤波算法，把 1000Hz 以上的高频噪声滤掉，再用滑动平均处理波动，处理时间控制在 0.05 秒以内 —— 这样传给控制器的信号才干净，机械臂动作才稳。

　　力控算法得 “接地气”，不能只停在理论上

　　书本上常说导纳控制、阻抗控制，但实际用的时候得调参数。比如做抛光作业，机械臂得 “软一点”，我们就把导纳控制的刚度参数设小，碰到工件表面时能跟着曲面自适应；要是做精密装配，就得设高刚度，保证位置准。上次给家具厂调打磨机械臂，光刚度参数就试了十几次，从 50N/m 调到 20N/m，才磨出客户要的光滑度 —— 算法再好，也得结合实际工况调。

　　动力学补偿是 “关键难点”，差一点就 “不准”

　　机械臂自己动的时候，重力、惯性力比接触力大得多 —— 比如一个 5kg 的机械臂，转动时的惯性扭矩可能有 20Nm，而碰到工件的接触力可能只有 1Nm，要是不补偿，传感器根本测不出真实接触力。我们得先建一个详细的动力学模型，把每个关节的质量、转动惯量都算准，再用传感器的实时数据抵消掉重力、惯性力的影响。去年调一个 6 轴机械臂，光模型校准就花了两天，校准完后，接触力测量误差从 5% 降到了 1%。

　　集成和标定 “不能马虎”，细节决定成败

　　传感器装的时候，要是和关节轴没对准，测出来的扭矩就会有 “交叉耦合”—— 比如本来是 X 轴受力，结果 Y 轴也出数据；还有零漂问题，传感器放着不动，数据慢慢往上飘，得定期标定。我们现在装完后，会用专用的扭矩校准仪，从 0 到 50Nm 分 10 个点标定，再用软件消除耦合误差，不然前面做得再好，集成出问题也白搭。

　　做这行越久越明白：机械臂的 “触觉” 不是靠一个传感器 “一蹴而就” 的，而是传感器、算法、集成、调试拧成一股绳的结果。关节式力传感器就像 “神经末梢”，没有它，机械臂永远是 “没感觉” 的机器；但只有它，也成不了 “灵活的帮手”—— 得把每个环节的细节磨到位，才能让机械臂真正走进车间、走进生活，跟人一起把活干得更细、更好。

　　原文标题 : 关节式力传感器有什么作用？赋予机械臂“细腻触觉”的关键使能技术