机器人执行器是实现机器人运动的关键部件，而力反馈测量是实现精确、柔性控制的重要环节。本文将深入分析当前主流的力反馈测量方式与机器人常用执行器方案之间的匹配关系，为机器人设计和应用提供指导。
一、 机器人硬件层面的力反馈测量方式
在机器人硬件层面，力反馈测量主要有以下三种方式：
1. 应变片式力矩传感器：
1. 原理： 利用材料在受力时发生形变，通过贴附的应变片电阻值改变来测量力矩。
2. 特点： 技术成熟，成本相对较高，安装复杂，但精度较高，在机器人实际应用中表现优异。
3. 应用： 适用于测量末端执行器与外界环境交互的受力情况，常安装在脚掌/踝关节、机械手/腕关节之间。
2. 电磁式力矩传感器：
1. 原理： 利用电磁感应原理，通过测量电机产生的磁场变化来反推力矩。
2. 特点： 可以克服应变片式存在的线性误差、零漂、温漂等问题，成本相对较低。但其在刚度和分辨率方面存在较大问题，尤其是在要求高刚度的系统中，分辨率会被迫降低。
3. 应用： 尤其适用于低刚度、柔性或对分辨率要求不甚苛刻的机器人关节。
3. 电流环（作为力反馈控制）：
1. 原理： 通过电机内部的电流闭环实现力反馈控制。伺服驱动器直接控制流经电机的电流，从而控制输出的转矩。
2. 特点： 能够节省传感器成本，但其力矩测量能力受限于启动扭矩和减速比。在减速比过高的执行器中，由于静摩擦力，电流环难以精确识别和反馈启动力矩，导致控制精度下降。
3. 应用： 适用于直驱电机或减速比较小的执行器，尤其是小负载的机器人关节。
二、 机器人常用执行器方案及其对应的力反馈测量方式
当前的机器人行业存在三种常用执行器方案，它们的核心区别在于对力矩的测量方式：
1. 高刚度的常规方案：
1. 核心特点： 采用基于应变片原理的力矩传感器进行力反馈测量，是目前主流且技术最成熟的方案。
2. 优点： 精度高，鲁棒性好，在应对外部干扰和需要精确控制力时表现出色。
3. 缺点： 成本昂贵，安装复杂，且在保证高刚度的情况下，需要专门的仪器放大器来补偿分辨率。
2. SEA (Series Elastic Actuators) 方案：
1. 核心特点： 在驱动器中引入刚度更低的弹性体，通过测量弹性体的形变来间接测量力矩。常用的测量方式包括电磁式传感器或应变片式传感器。
2. 方案选择的关键：
1. 成本、刚度、分辨率是选择测量方式的重要考量因素。
2. 电磁式： 适用于低刚度或对分辨率要求不高的场景，但刚度和分辨率是其短板。在高刚度需求下，分辨率会被迫降低，可能导致扭矩能力下降和过载安全系数过低。
3. 应变片式： 能够通过调整增益来补偿分辨率，在保持分辨率的同时提供更高的刚度。
4. 混合方案（如四足机器狗）： 为了兼顾高刚度和高分辨率，有时会采用多个高精度编码器（如19位磁编）。
5. 总结： 弹性体刚度是区分选择电磁式或应变片式的关键。低刚度偏柔性关节可考虑电磁式；中刚度且对分辨率要求不高也可考虑电磁式；而高刚度要求则主要选择应变片式。
3. 本体驱动器方案：
1. 核心特点： 用电流环替代昂贵的传感器，直接通过控制电机电流来提供力反馈。
2. 适用性限制：
1. 减速比是关键： 此方案理论上可用在常规方案和SEA方案中，前提是减速比不能太高。
2. 高减速比的问题： 在配备谐波减速器等高减速比的执行器中，电流环难以精确识别和反馈启动扭矩。因为减速比越大，反驱力的透明度越低，启动扭矩越高，导致电流环观测不足，无法精确反馈力矩信息。
3. 优势： 成本更低，节省了传感器配置。
4. 结论： 为了保持较好的力控性能且成本可控，电流环方案更多适用于小负载的机器人关节。
三、 总结与展望
不同的执行器方案与力反馈测量方式之间存在着紧密的匹配关系。
• 常规方案 以其成熟的技术和高精度，选择了应变片式力矩传感器，是目前主流的高性能选择。
• SEA 方案 通过引入弹性体，为力控提供了更多可能性，选择电磁式或应变片式取决于对刚度、分辨率和成本的具体权衡。
• 本体驱动器方案 以电流环为核心，通过降低成本实现了力反馈功能，但其适用范围受限于减速比和负载大小。
未来，随着机器人技术的不断发展，将会涌现出更多创新的力反馈测量技术和执行器设计，以满足更广泛、更复杂的应用需求。例如，发展更集成化的传感器、高性能的电流环算法，以及对柔性与刚度进行主动可调的执行器，都将是重要的研究方向。