力传感器的原理图解（初识六维力传感器）

力传感器的原理图解（初识六维力传感器）经常有朋友会问：“我只想知道三方向的力是多少，可不可以只用3维力传感器？”因为空间中任意作用点上的力可以在六维力传感器的标定坐标系内，分解为沿标定坐标轴的三方向分力和绕标定坐标轴的三方向力矩。还是看图说话（图3），空间中任意方向的力F，其作用点P不与传感器标定参考点重合且随机变化，这种情况下就需要选用六维力传感器来完成测量任务，同时测量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz六个分量。如果力的方向随机变化，但力的作用点保持不变，并且与传感器的标定参考点重合，那么我们就应该用三维力传感器。因为被测量的力可以分解为三维力传感器标定坐标系下的三个正交分量，三维力传感器的三个测量单元可以分别对其一 一测量。 用图举例说明（图2），力F的作用点P始终与传感器的标定参考点O保持重合，力F的方向在三维空间中随机变化，这种情况下用三维力传感就能完成测量任务，它可以同时测量Fx、Fy、Fz这三个F的分力。如果力的

上篇文章，我们介绍了汽车、机床、机器人上六维力传感器。经常有朋友会问：

为什么这些行业不用三维力传感器而要用六维力传感器？
三方向弯矩的测量是不是没必要呢？

今天我们就专门解释一下这个问题。

• 如果力的方向和作用点是固定的，此时可以选择用一维力传感器进行测量。

我们可以通过安装定位，使力的方向和作用点都与一维力传感器的标定坐标轴一致，这样就可以对力进行精确测量。举个例子，如图所示（图1），一维力传感器的标定坐标轴为OZ轴，如果被测量力F的方向能完全与0Z轴重合，那么此时用一维力传感器就能完成测量任务。

• 如果力的方向随机变化，但力的作用点保持不变，并且与传感器的标定参考点重合，那么我们就应该用三维力传感器。

因为被测量的力可以分解为三维力传感器标定坐标系下的三个正交分量，三维力传感器的三个测量单元可以分别对其一 一测量。 用图举例说明（图2），力F的作用点P始终与传感器的标定参考点O保持重合，力F的方向在三维空间中随机变化，这种情况下用三维力传感就能完成测量任务，它可以同时测量Fx、Fy、Fz这三个F的分力。

• 如果力的方向和作用点都在三维空间内随机变化，此时应该选择用六维力传感器进行测量。

因为空间中任意作用点上的力可以在六维力传感器的标定坐标系内，分解为沿标定坐标轴的三方向分力和绕标定坐标轴的三方向力矩。还是看图说话（图3），空间中任意方向的力F，其作用点P不与传感器标定参考点重合且随机变化，这种情况下就需要选用六维力传感器来完成测量任务，同时测量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz六个分量。

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经常有朋友会问：“我只想知道三方向的力是多少，可不可以只用3维力传感器？”

我们的建议是这样的：

如果力的作用点离传感器标定参考点的距离很近，且不变化，测量精度不高，可以用三维力传感器。

如果力的作用点离传感器标定参考点的距离较远，且随机变化，测量精度要求较高，一定需要采用六维力传感器。

为什么这么建议呢？我们都听说过“给我一个支点，我可以翘起地球”，由此可见力矩对传感器产生的力学影响往往比力要大很多。如果力的作用点与传感器标定参考点不重合，力矩的力学作用势必影响了传感器的数学模型，使其偏离标定状态，从而导致对力的测量误差较大。相同方向和大小的力，但作用点不同，如果采用三维力传感器对其进行测量，测量结果一般会不同，这显然是产生了较大的测量误差。举个极端的例子，如果力的作用点距离传感器参考点足够远，也就是力臂足够大，即使是在传感器量程范围内的力，也会导致传感器结构的材料屈服，甚至是断裂，更不要说精准测量了。

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，我们建议使用六维力传感器。不仅是可以精确测力，在获得力矩信息后，我们还可以利用力矩信息来推算获取受力部件的姿态；同时监测力矩是否在安全范围内，有效避免传感器的过载损坏。

最后以机器人应用为例（图4），

机器人末端关节上使用的六维力传感器一般还要连接一个执行机构，比如是打磨头、夹爪等，执行器工作过程中的力臂在几十到两三百mm之间，力臂较大且随机变化。因此机器人上的力觉传感器一般采用六维力传感器。

好了，本篇就聊到这里。如果您想要优质的力觉测量方案，请关注坤维科技。