“刚柔并济”的艺术：机器人力扭矩测试深度指南
在精密装配、曲面打磨、医疗手术等场景中，机器人不仅需要“看得准、动得快”，更需要“触得柔、控得精”。力扭矩控制（Force/Torque Control）作为高级机器人技术的核心，使机器人具备类人的触觉感知与柔顺响应能力。然而，力控性能的量化评估远比位置控制复杂，涉及传感器标定、力控带宽、阻抗特性等多维度指标。本文将系统解析力扭矩测试的标准方法、关键指标与行业应用，为企业提供专业的力控能力评估方案。
一、力控技术的两大实现路径
1. 末端力控（基于六维力传感器）
在机器人腕部或末端工具上安装六维力/力矩传感器，直接测量机器人与环境交互的力（Fx, Fy, Fz）与力矩（Mx, My, Mz）。优势是测量直接、精度高（可达0.1N）；劣势是增加末端质量、成本高（5~20万元）。
2. 关节力控（基于关节扭矩传感器）
在每个关节电机输出端集成扭矩传感器，通过动力学模型解算末端接触力。优势是无需额外末端设备、响应快；劣势是需精确的动力学参数，且受摩擦力、惯性力干扰大。
行业趋势：高端协作机器人（如Franka Emika、KUKA LBR iiwa）普遍采用全关节力控；工业场景多采用末端六维力传感器方案。
二、力传感器标定：精度的基石
未经标定的力传感器误差可达5%~10%，标定后可提升至0.5%~1%。标准标定流程包括：
- 静态标定：在6个方向施加已知标准力（使用砝码或测力计），建立力-电压映射矩阵
- 交叉耦合补偿：测量Fx对Fy/Fz的干扰系数，构建6×6解耦矩阵
- 温度漂移测试：在10℃~40℃范围内测试零点漂移与灵敏度变化
- 动态标定：使用冲击锤施加阶跃力，测试传感器响应带宽（通常需＞100Hz）
关键指标：非线性误差＜0.5%FS，滞后误差＜0.25%FS，重复性＜0.1%FS。
三、力控性能测试的四大维度
| 测试维度 | 测试方法 | 合格标准 | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| 力控精度 | 指令恒力50N，测量实际力波动范围 | 稳态误差＜±2%，波动＜±0.5N | 精密装配、恒力打磨 |
| 力控带宽 | 施加正弦力指令（0.1~50Hz），测量幅值衰减与相位滞后 | -3dB带宽＞10Hz，相位滞后＜45°@5Hz | 振动抑制、快速力响应 |
| 力-位混合控制 | 在X方向恒力控制，Y/Z方向位置控制，测试耦合干扰 | 力控轴位置漂移＜0.5mm，位置轴力波动＜1N | 曲面跟踪、插孔装配 |
| 碰撞检测灵敏度 | 以不同速度接触障碍物，记录力超调量与停机时间 | 0.5m/s碰撞时停机时间＜20ms，超调力＜15N | 人机协作安全 |
四、阻抗控制性能验证
阻抗控制是力控的高级形式，通过设定虚拟质量-阻尼-刚度参数，调节机器人与环境的交互柔顺性。测试方法：
- 刚度测试：施加阶跃力10N，测量位置偏移量，计算等效刚度K=F/Δx
- 阻尼测试：施加脉冲力，观察振荡衰减次数，评估阻尼比ζ
- 稳定性边界：逐步提高刚度参数，直至系统出现自激振荡，确定安全上限
典型参数范围：刚度50~500N/mm（打磨需低刚度，装配需高刚度），阻尼比0.5~0.8（临界阻尼为1.0）。
五、行业应用的力控需求对比
- 精密插装（轴承/芯片）：力分辨率0.1N，稳态误差±0.5N，带宽＞5Hz
- 曲面打磨/抛光：恒力控制5~50N可调，力波动＜±2N，适应曲率变化
- 医疗手术机器人：力分辨率0.01N，碰撞停机时间＜10ms，绝对安全优先
- 人机协作装配：接触力＜80N（ISO/TS 15066安全限值），柔顺引导
六、力控测试的常见误区
- 误区1：仅测试静态力精度，忽略动态响应。实际应用中动态性能往往更关键。
- 误区2：在无负载状态下测试力控。应模拟实际工具质量与惯量进行测试。
- 误区3：忽视温度影响。力传感器零点漂移可达0.01N/℃，需进行温漂补偿。
- 误区4：混淆“力控精度”与“力分辨率”。高分辨率（0.01N）不等于高精度（±0.5N）。
总结
力扭矩测试是评估机器人“触觉智能”的关键手段。企业不应仅关注力传感器的标称参数，而需在实际工况下验证力控系统的整体性能，包括精度、带宽、稳定性与安全性。对于高价值应用场景（如医疗、航空装配），建议进行全生命周期力控性能监测，建立力传感器校准档案，确保长期作业的可靠性与一致性。
专业机器人测试服务：触觉智能的精准量化
晟安检测配备ATI、Kistler等国际品牌六维力传感器（量程50N~5000N）、高精度力标准机及实时力控分析系统，可提供深度力扭矩测试服务：
- 力传感器全参数标定：静态/动态/温度漂移/交叉耦合全项标定，出具CNAS认可证书
- 力控系统性能测评：精度、带宽、阻抗特性、力-位混合控制综合评估
- 碰撞安全验证：依据ISO/TS 15066进行人体碰撞力测试与风险评估
- 力控算法优化：基于测试数据的PID/阻抗参数整定与仿真验证
- 行业定制化测试：针对打磨、装配、医疗等场景的专用力控测试方案
我们的测试服务符合ISO 9283、ISO 10218-1及ISO/TS 15066标准，测试报告具备CNAS/CMA双重资质，可为力控机器人研发验证、安全认证及质量仲裁提供权威数据支撑，助力企业实现从“刚性自动化”到“柔顺智能化”的技术跨越。
