六維力傳感器作為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)力覺感知與智能交互的核心部件，其測量精度與穩(wěn)定性是衡量機(jī)器人性能的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。本文以我們海伯森技術(shù)的HPS-FT系列六維力傳感器為研究對象，深入剖析其內(nèi)置式溫差補(bǔ)償?shù)膹椥泽w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與技術(shù)特色。系統(tǒng)闡述該傳感器如何通過彈性體材料與結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新、應(yīng)變片布局與智能補(bǔ)償算法的深度融合，有效解決了傳統(tǒng)六維力傳感器在復(fù)雜溫度場景下的漂移難題，實(shí)現(xiàn)了在-20℃至 80℃范圍內(nèi)將溫漂控制在 0.1%FS/10℃ 以內(nèi)的卓越性能。在此基礎(chǔ)上，本文重點(diǎn)探討該技術(shù)方案在兩大前沿領(lǐng)域的應(yīng)用：一是在人形機(jī)器人腕部、踝部等關(guān)鍵關(guān)節(jié)，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)力控、動(dòng)態(tài)平衡與安全交互提供的高性能解決方案；二是其HPS-FT080系列通過國家防爆認(rèn)證，為在石油、化工等易燃易爆特殊工業(yè)場景下實(shí)現(xiàn)可靠力感知所奠定的安全基礎(chǔ)。表明海伯森的內(nèi)置式溫差補(bǔ)償設(shè)計(jì)不僅顯著提升了傳感器的環(huán)境適應(yīng)性，更拓展了其應(yīng)用邊界，為高端裝備與自動(dòng)化系統(tǒng)的力控性能升級(jí)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

1.前言

六維力傳感器是一種能夠同步、精確測量空間直角坐標(biāo)系中三個(gè)力分量（Fx, Fy, Fz）和三個(gè)力矩分量（Mx, My, Mz）的先進(jìn)傳感設(shè)備。是賦予機(jī)器人力覺感知能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)操作、柔順控制、精密裝配以及安全人機(jī)協(xié)作的核心。隨著工業(yè)制造2025、智能制造浪潮的推進(jìn)，以及人形機(jī)器人這一顛覆性產(chǎn)業(yè)的興起，六維力傳感器的重要性日益凸顯，其性能水平直接決定了高端裝備的智能化程度。

然而，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，六維力傳感器面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中溫度漂移問題尤為突出。當(dāng)由于環(huán)境溫度劇烈變化，傳統(tǒng)傳感器彈性體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生不均勻熱應(yīng)力，導(dǎo)致應(yīng)變片輸出發(fā)生非載荷性變化，產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差。這種由溫度引起的零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移，在要求精度極高的應(yīng)用場景中，已成為制約其性能瓶頸的關(guān)鍵因素之一。

傳統(tǒng)的溫度補(bǔ)償方法多依賴于事后軟件算法修正，存在響應(yīng)滯后、補(bǔ)償不徹底、系統(tǒng)復(fù)雜等缺點(diǎn)。為解決這一行業(yè)痛點(diǎn)，海伯森技術(shù)（深圳）有限公司創(chuàng)新性地提出了內(nèi)置式溫差補(bǔ)償彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該方案獨(dú)辟蹊徑，從傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)的本源出發(fā)，通過精巧的彈性體構(gòu)型與應(yīng)變片布局，在物理層面構(gòu)建了一種主動(dòng)、實(shí)時(shí)的溫度梯度抑制機(jī)制。

本文旨在系統(tǒng)論述海伯森HPS-FT系列六維力傳感器的內(nèi)置式溫差補(bǔ)償技術(shù)原理，并深入分析其在人形機(jī)器人和防爆環(huán)境等前沿與特殊領(lǐng)域的具體應(yīng)用與巨大潛力。

2.六維力傳感器概述與技術(shù)挑戰(zhàn)

基本概念與工作原理：

（1）六維力傳感器的核心技術(shù)基于彈性力學(xué)與應(yīng)變電測原理。其核心部件是一個(gè)經(jīng)過精密力學(xué)設(shè)計(jì)的彈性體，通常采用特殊合金鋼或航空鋁材制造。當(dāng)外部空間的六維力/力矩載荷作用于該彈性體時(shí)，會(huì)使其產(chǎn)生微小的、與載荷成線性關(guān)系的結(jié)構(gòu)變形。

（2）粘貼在彈性體特定敏感部位（如測量梁）上的電阻應(yīng)變片，會(huì)隨之發(fā)生形變，導(dǎo)致其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化。通過將多個(gè)應(yīng)變片以特定方式連接成惠斯通電橋電路，可以將微小的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。這些電壓信號(hào)經(jīng)過高精度放大、采集后，送入嵌入式處理器，通過一個(gè)預(yù)先標(biāo)定好的解耦矩陣進(jìn)行運(yùn)算，即可解算出相互獨(dú)立且正交的六個(gè)力/力矩分量。

技術(shù)挑戰(zhàn)與溫度漂移問題：

六維力傳感器的設(shè)計(jì)與制造是一項(xiàng)集機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、電子學(xué)和算法軟件于一體的綜合性高技術(shù)挑戰(zhàn)，其主要技術(shù)難點(diǎn)包括：

結(jié)構(gòu)解耦設(shè)計(jì)：如何設(shè)計(jì)彈性體結(jié)構(gòu)，使得六個(gè)維度的輸出信號(hào)相互影響最?。吹痛?dāng)_），是首要難題。

靈敏度與剛度的平衡：提高靈敏度需要彈性體“軟”一些以產(chǎn)生更大應(yīng)變，但高剛度又是保證傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)和負(fù)載能力的前提，二者之間存在固有的矛盾。

精密制造工藝：納米級(jí)的加工誤差都可能導(dǎo)致傳感器性能的顯著下降，對加工、貼片、封裝等工藝要求極高。

零點(diǎn)漂移：在無載荷情況下，傳感器輸出隨溫度變化而發(fā)生偏移。主要由應(yīng)變片電阻值、彈性體材料特性及電路元件參數(shù)隨溫度變化引起。

靈敏度漂移：傳感器輸出靈敏度（即單位載荷對應(yīng)的輸出值）隨溫度變化而改變，主要源于應(yīng)變片靈敏系數(shù)（K值）的溫度特性。

梯度溫漂：當(dāng)傳感器不同部位存在溫度差（如上下表面溫差）時(shí)，會(huì)因熱膨脹不均產(chǎn)生附加熱應(yīng)力，該應(yīng)力被應(yīng)變片感知，形成巨大的虛假輸出信號(hào)。這種在機(jī)械臂末端靠近發(fā)熱源時(shí)常見的情況，是傳統(tǒng)補(bǔ)償方法最難解決的問題。

3.海伯森內(nèi)置式溫差補(bǔ)償彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)深度解析

海伯森技術(shù)的創(chuàng)新之處在于，它并非僅僅算法層面進(jìn)行“被動(dòng)”補(bǔ)償，而是從彈性體這一源頭進(jìn)行“主動(dòng)”設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一套機(jī)械結(jié)構(gòu)-硬件電路-智能算法三位一體的系統(tǒng)性溫差解決方案。

彈性體材料與核心結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：

彈性體是傳感器的“骨架”，其設(shè)計(jì)決定了傳感器的基本性能天花板。海伯森HPS-FT系列傳感器在彈性體設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)創(chuàng)新：

（1）材料科學(xué)層面，精選高強(qiáng)度合金鋼和航空級(jí)鋁合金作為彈性體基材。這些材料經(jīng)過特殊的熱處理工藝和篩選，具備熱膨脹系數(shù)與應(yīng)變片高度匹配、高疲勞強(qiáng)度以及優(yōu)異的長期穩(wěn)定性等特點(diǎn)，從材料基礎(chǔ)上降低了溫度敏感性和蠕變效應(yīng)。且最高可承受350%的安全過載。

（2）核心彈性元件采用了一種集成式溫度梯度補(bǔ)償設(shè)計(jì)。其測量梁包含四個(gè)臂面，各臂面均貼有工作應(yīng)變片，且相對臂面的應(yīng)變片構(gòu)成測量對。在此基礎(chǔ)上，內(nèi)圈結(jié)構(gòu)對稱地加工有偶數(shù)個(gè)凹槽，每個(gè)凹槽表面均延伸出專用補(bǔ)償凸起，凸起上成對布置有位置對應(yīng)的第一與第二溫度補(bǔ)償應(yīng)變片。此設(shè)計(jì)的核心目的在于解決因彈性體上下表面存在溫度梯度而引起的熱輸出漂移問題。

1）在均勻溫度場中，各補(bǔ)償應(yīng)變片的輸出相互抵消，對主測量信號(hào)無影響。

2）當(dāng)傳感器靠近熱源，導(dǎo)致上下表面產(chǎn)生溫差時(shí)，彈性體內(nèi)部形成的非均勻熱膨脹會(huì)首先在結(jié)構(gòu)獨(dú)立的補(bǔ)償凸起上引發(fā)熱應(yīng)變。該應(yīng)變被補(bǔ)償應(yīng)變片捕獲，由于其與測量梁上因熱應(yīng)力產(chǎn)生的虛假應(yīng)變信號(hào)之間存在確定的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性，通過精密的惠斯通電橋組橋設(shè)計(jì)，可在電信號(hào)層面實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的代數(shù)疊加與抵消。

多層次智能溫度補(bǔ)償算法：

盡管機(jī)械和硬件補(bǔ)償消除了大部分溫漂，但剩余的系統(tǒng)性誤差仍需先進(jìn)的算法進(jìn)行最終修正。海伯森在其嵌入式處理器中運(yùn)行著一套多層次智能溫度補(bǔ)償算法。該算法基于一個(gè)高精度的多項(xiàng)式溫度模型，該模型通過在寬溫范圍內(nèi)（-20℃至80℃）對大量樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和回歸分析建立。它能夠精確描述零點(diǎn)、靈敏度與溫度之間的非線性關(guān)系。在出廠前，對每一個(gè)傳感器單元都執(zhí)行一遍層次統(tǒng)一的標(biāo)定流程，并為該特定傳感器生成獨(dú)有的補(bǔ)償模型參數(shù)。解決傳感器個(gè)體差異的問題。

4.面向人形機(jī)器人的應(yīng)用潛力分析

人形機(jī)器人是下一代機(jī)器人技術(shù)的集大成者，其核心在于模仿人類的運(yùn)動(dòng)與交互能力。六維力傳感器在其中扮演著類似于人類肌腱本體感覺的關(guān)鍵角色，而海伯森的技術(shù)正好滿足了其苛刻需求。

在腕部與手部關(guān)節(jié)的應(yīng)用：人形機(jī)器人的腕部是執(zhí)行精細(xì)操作的核心。在此處集成六維力傳感器，可以實(shí)時(shí)感知抓取物體時(shí)的力度以及受到的外部擾動(dòng)。海伯森傳感器的高分辨率（可達(dá)0.01%FS）使其能夠分辨出極細(xì)微的力變化。其內(nèi)置的溫度補(bǔ)償確保了在長時(shí)間運(yùn)行或電機(jī)發(fā)熱后，抓取力控制的依然精準(zhǔn)，這對于執(zhí)行精密裝配任務(wù)至關(guān)重要。

在踝部與足部關(guān)節(jié)的應(yīng)用：雙足行走的穩(wěn)定性是人形機(jī)器人最大的挑戰(zhàn)之一。在踝部安裝六維力傳感器，可以實(shí)時(shí)測量零力矩點(diǎn)和地面反作用力，為平衡控制算法提供最直接的輸入。海伯森傳感器高達(dá)2200Hz的輸出頻率，確保了控制系統(tǒng)能夠快速捕捉到動(dòng)態(tài)行走、奔跑甚至跳躍過程中力的高頻變化，及時(shí)調(diào)整姿態(tài)以防摔倒。其高達(dá)350%的過載能力，則能承受落地時(shí)的巨大沖擊，保證了在極限工況下的生存能力。

在安全碰撞檢測與人機(jī)交互中的應(yīng)用：與人共融是人形機(jī)器人的基本要求。通過分布在肢體關(guān)節(jié)處的六維力傳感器，機(jī)器人可以瞬間區(qū)分出是正常操作力還是與人類或環(huán)境的意外碰撞。海伯森傳感器的低軸間串?dāng)_（<2%FS）和高信噪比，使得它能清晰地分辨出碰撞力的方向和大小，從而立即觸發(fā)停機(jī)或避讓指令，確保人身安全。其緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也便于集成到機(jī)器人有限的關(guān)節(jié)空間內(nèi)。

可以預(yù)見，隨著人形機(jī)器人從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)化應(yīng)用，高性能、高可靠性、小型化的六維力傳感器將成為其核心部件，市場需求潛力巨大。海伯森的技術(shù)積累與產(chǎn)品化能力，使其在這一賽道占據(jù)了有利位置。

5.防爆認(rèn)證與特殊工業(yè)場景下的應(yīng)用拓展

工業(yè)自動(dòng)化的邊界正在向石油、化工、天然氣、礦山等危險(xiǎn)區(qū)域拓展。在這些環(huán)境中，任何電火花或過熱都可能引發(fā)災(zāi)難性后果。因此，用于這些區(qū)域的設(shè)備必須通過嚴(yán)格的防爆認(rèn)證。

海伯森HPS-FT080系列六維力傳感器及其配套的HPS-FT-EN2000-IO適配器，成功通過了依據(jù)GB/T 3836.1-2021和GB/T 3836.4-2021國家標(biāo)準(zhǔn)的防爆認(rèn)證。這標(biāo)志著該產(chǎn)品取得了進(jìn)入易燃易爆危險(xiǎn)環(huán)境的“安全通行證”。

防爆認(rèn)證的技術(shù)內(nèi)涵：是一套系統(tǒng)性的安全工程設(shè)計(jì)。它要求傳感器在任何可預(yù)見故障狀態(tài)下，都不會(huì)成為點(diǎn)燃源。

安全型電路設(shè)計(jì)：對傳感器內(nèi)部及其連接電纜的電氣參數(shù)（電壓、電流、電容、電感）進(jìn)行嚴(yán)格限制，確保其存儲(chǔ)和產(chǎn)生的能量即使在短路或開路故障下，也不足以引燃特定的爆炸性氣體混合物。

嚴(yán)格的材料與工藝控制：外殼材料需具備足夠的抗沖擊強(qiáng)度和耐熱性。接合面的間隙、表面光潔度都有精密要求，以防止火星產(chǎn)生或高溫傳導(dǎo)。

密封性與堅(jiān)固性：達(dá)到IP64及以上的防護(hù)等級(jí)，防止粉塵侵入的影響，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以承受可能的沖擊。

應(yīng)用場景價(jià)值：

化工行業(yè)：在防爆機(jī)器人上用于自動(dòng)化灌裝、搬運(yùn)危險(xiǎn)化學(xué)品，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的無人化與本質(zhì)安全化。

石油與天然氣：用于在危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行閥門操作、設(shè)備巡檢的機(jī)器人，精準(zhǔn)的力控可以防止因操作過當(dāng)導(dǎo)致泄漏等次生災(zāi)害。

煤礦領(lǐng)域：在含有瓦斯和煤塵的極端環(huán)境中，為自動(dòng)化采掘設(shè)備提供可靠的力反饋，保障生產(chǎn)安全。

海伯森080系列在通過防爆認(rèn)證的同時(shí)，依然保持了其核心的內(nèi)置式溫差補(bǔ)償性能。這意味著，在這些環(huán)境苛刻的危險(xiǎn)區(qū)域，傳感器同樣能抵抗因設(shè)備自身發(fā)熱或環(huán)境溫差帶來的測量漂移，實(shí)現(xiàn)了安全性與高性能的統(tǒng)一，為工業(yè)自動(dòng)化的“無人區(qū)”探索提供了關(guān)鍵的技術(shù)裝備。

6.技術(shù)優(yōu)勢總結(jié)與未來展望

海伯森傳感器的核心技術(shù)優(yōu)勢：

綜合而言，海伯森HPS-FT系列六維力傳感器的成功源于其系統(tǒng)性的技術(shù)創(chuàng)新，形成了以下幾大核心優(yōu)勢：

源頭創(chuàng)新的內(nèi)置式溫差補(bǔ)償：從彈性體結(jié)構(gòu)本源出發(fā)，通過機(jī)械補(bǔ)償機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對梯度溫漂的主動(dòng)、實(shí)時(shí)抑制，解決了行業(yè)長期痛點(diǎn)。

卓越的綜合性能指標(biāo)：在非線性、遲滯、軸間串?dāng)_、過載能力、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等關(guān)鍵性能參數(shù)上均達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。

三位一體的系統(tǒng)性解決方案：將機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路、智能算法緊密結(jié)合，構(gòu)建了全方位的溫度適應(yīng)體系，補(bǔ)償效果更徹底、更穩(wěn)健。

面向前沿與特殊應(yīng)用的拓展能力：產(chǎn)品特性完美契合人形機(jī)器人對高動(dòng)態(tài)、高集成、高可靠的需求；同時(shí)，HPS-FT080系列的防爆認(rèn)證成功打開了特殊工業(yè)場景的市場大門，展現(xiàn)了強(qiáng)大的平臺(tái)化擴(kuò)展能力。

7.結(jié)論

本文系統(tǒng)論述了海伯森技術(shù)（深圳）有限公司在其HPS-FT系列六維力傳感器上實(shí)現(xiàn)的內(nèi)置式溫差補(bǔ)償彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這一核心技術(shù)不僅解決了傳統(tǒng)六維力傳感器的共性難題，更使其在兩大高增長領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大價(jià)值：在人形機(jī)器人領(lǐng)域，其高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高可靠性為機(jī)器人的力覺感知、動(dòng)態(tài)平衡與安全交互提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；在特殊工業(yè)場景下，其HPS-FT080系列獲得的防爆認(rèn)證，確保了在石油、化工等易燃易爆環(huán)境中力感知作業(yè)的安全性與可行性，拓展了工業(yè)自動(dòng)化的應(yīng)用邊界。

海伯森技術(shù)的成功實(shí)踐表明，面向前沿應(yīng)用需求，從傳感器設(shè)計(jì)的本源進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電子、算法的跨學(xué)科深度融合，是提升傳感器性能、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵路徑。隨著技術(shù)的不斷演進(jìn)，內(nèi)置式溫差補(bǔ)償?shù)葎?chuàng)新設(shè)計(jì)，將繼續(xù)為六維力傳感器乃至整個(gè)機(jī)器人感知領(lǐng)域，注入新的發(fā)展動(dòng)力。