技术|为什么说六维力传感器是高端技术

相比其他维度力传感器，六维力传感器技术、资金壁垒最高。

六维力传感器的技术难度和使用难度都比较大，它不是三个一维力传感器和三个扭矩传感器结构的简单叠加，它的非线性力学特征明显，要考虑多通道信号的温漂、蠕变、交叉干扰、数据处理的实时性，再加之六维联合加载标定的复杂性，六维力传感器的技术难度可谓是一维力传感器难度的六次方。

因此除了传统力传感器的关键技术外，为了保证六维力传感器的稳定性和精确度，其核心技术包括解耦方法、六维联合加载标定检测系统、降低零点漂移和温度漂移等。以上这些技术既涉及到非常专业的硬件、软件设计开发能力，又必须依赖大量的实践经验指导和高精度的设备，且部分设备需要自研，投入成本较高。

六维力传感器行业也存在人才壁垒。六维力传感器有两个特点，一个是作为测量仪器它对可靠性要求很高，所以需要完善的专业工程师团队；另外，六维力传感器涉及的领域众多且附加值很高，需要专业的有行业深耕的技术专家。研发六维力传感器需要涉及多个领域的专业人才，以确保从理论到实践的全面覆盖。

壁垒一：需要通过解耦来减少串扰，解耦方法的掌握存在技术门槛

多维力传感器的维间耦合又称维间干扰（串扰），即在涉及多个负载的测量任务时，当精确施加（输入）某一单维度力或力矩时，原理上基于泊松效应，由于传感器的横向灵敏度，在其他轴上也有很小的输出信号，即其他维度会产生力分量的输出，影响传感器的精度。多维力传感器不可避免地会存在维间耦合，其误差大小与传感器的结构参数、加工精度、贴片工艺、测量原理等多重因素有关，一般用串扰指标来衡量多维力传感器各测量方向间的耦合影响，反映测量误差水平。比较优秀的串扰在 1%FS（Full Scale，全量程）左右，2-5%FS 比较常见。

减少多维力传感器耦合误差的方式主要有结构解耦和算法解耦两种。其中，结构解耦指改变结构和材料、改善加工工艺等，即从根源上进行结构解耦，例如采用并联式的传感器结构等。尽管结构解耦理论上可以完全解耦，但在实际应用中传感器的本体结构无论如何优化，都无法实现对载荷的完全解耦，因此为了彻底对三个方向的力和力矩进行解耦，还必须引入数学模型，即算法解耦。算法解耦也被称为软件解耦，指利用合适的算法推导出六维力传感器输入值与输出值的关系。

实现软件解耦的方法有两种：第一种是线性解耦，最常用的是最小二乘法；第二种是维间（非线性）解耦，适用于线性解耦无法解决问题的场合，最常使用的是机器学习算法，包括 BP（back propagation，反向传播）神经网络、随机森林和极限学习机等，将传感器的八通道输出信号代入机器学习模型就可以计算出三个方向的力和力矩的精确值。由于传感器结构和电桥电路的非线性，最小二乘法求得的结果误差较大，因此工业中多用非线性解耦算法来进行求解。

不论是结构解耦，还是算法解耦，均存在技术门槛。结构解耦虽然原理简单，但结构设计存在较多难点，包括每个测量单元的变形模式必须有选择性、测量单元的结构必须和电路相结合、传感器本体（弹性体结构）刚性与灵敏度以及小型化之间的平衡等等，因此结构设计及优化是六维力传感器产品能成功研制的基础，且需要深入的专业知识和丰富的设计经验才能驾驭这项工作。

此外，结构解耦会增加加工难度和制造成本，综合国内外现状，维间耦合较小的弹性体结构普遍过于复杂、制造困难，而且都有其特定的应用范围，不利于传感器产品的一致性。而算法解耦中，非线性算法的训练样本以及模型的非线性模拟能力将会直接影响传感器新能与生产效率，同时高效的软件解耦技术涉及到 MDOE（现代试验设计）和统计分析等专业知识和某些特定的经验方法，是常规力学传感器厂商无法在短期内掌握和摸索出来的，构成了一定技术门槛。

壁垒二：需要六维联合加载检定来进行解耦、提高精准度，设备研制存在门槛

六维联合加载标定与检测对于研发和生产高精度多维力传感器来说尤为必要。

首先，检定（检测与标定）将直接影响传感器的解耦过程和解耦结果的检验。传感器的标定是指获得传感器固件参数，检测是获得传感器的精准度。

标定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，即建立传感器原始信号和受力之间的映射关系，并由此获得解耦算法的数学模型和参数。

检测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（测量结果之间的重复性）和准度（测量结果与理论真值的偏离程度），可用于检验解耦方法的好坏。

其次，需要对多维力传感器以其最高测量维度进行联合加载检定，才能使传感器的准度更好、串扰更低。例如六维力传感器需要六维联合加载检定，即采用三个方向的力和三个方向的力矩同时加载的方式，每组检验载荷都必须是 Fx、Fy、Fz、Mx、My及 Mz 的随机组合、满足非相关性的要求且较为均匀地分布在样本空间中。原因在于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。

对于检测来说，六维联合加载的方式获得的精度和准度，可以很清晰地评价传感器各测量方向在量程范围内的测量误差水平。例如若某个六维力传感器产品（以下简称为六维力产品）的准度优于 0.5%FS，对于 Fx 的测量结果，在测量过程中不论 Fy、Fz、Mx、My 及 Mz 以什么样比例和绝对值对 Fx 进行干扰，Fx 的测量结果与理论真值的偏差在 0.5%FS 以内，对于其它五分方向来说也是如此。

对于标定来说，交叉样本点可以使传感器的受力情况模拟得非常接近真实的使用情况，其次这种方式的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设计，也可以大幅优化解耦算法的数学模型。简单来说，只有在六维力传感器标定和检测过程中采用这种六维联合加载的方式，才能实现传感器 0.5%FS 的准度。

六维联合加载检测或标定设备是高精度六维力传感器研发和生产的必要条件，但当前该类设备尚不属于标准品，其研制存在一定技术门槛和较高成本投入。与一维力传感器相比，六维力传感器对检定设备（六维联合加载设备）的要求较高，无法通用一维传感器的检定设备。六维联合加载设备主要组成部件包括传感器支撑装置、自动加载系统、位移测量系统及数据采集系统。六维联合加载设备目前还没有标准产品可以直接采购，一般都是由六维力传感器厂商自行研制，不同公司的六维联合加载设备的形态差别非常大。

六维联合加载设备的研发涉及到空间光学定位、载荷位移补偿、机电一体化等多项综合技术，有上百个 Know How，同时又非常依赖工程经验和大量的六维力传感器标定操作经验。一旦某个细节考虑不周全，加载效果就会不理想，加载设备自己产生的耦合误差可能超过 1%FS，这势必无法标定出高准度的六维力传感器。此外，该设备的成本较高，造价约在 500-800 万/套，同时为了适应不同量程的传感器，一般至少需要建设 3-5 套系列化的标校系统。

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