扭矩傳感器助力工業(yè)機器人實現(xiàn)精細(xì)控制與高效運行

來源：發(fā)布時間：2025-04-26

在工業(yè)機器人領(lǐng)域，從機械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動到末端執(zhí)行器操作，從精密裝配到重型搬運，扭矩控制貫穿機器人運動的全流程，直接決定動作精度、負(fù)載能力與運行安全性。扭矩傳感器作為機器人動力系統(tǒng)的重要組件，與壓力傳感器形成功能互補，共同構(gòu)建工業(yè)機器人的智能控制體系。

一、扭矩控制工業(yè)機器人的精度與負(fù)載重要支撐

在工業(yè)機器人運行中，扭矩控制直接影響關(guān)鍵性能指標(biāo)。例如，機械臂關(guān)節(jié)扭矩波動超過 ±3% 會導(dǎo)致定位精度下降，使精密裝配的誤差擴大；協(xié)作機器人的扭矩不均會造成力反饋偏差，導(dǎo)致人機交互時的安全響應(yīng)延遲。傳統(tǒng)機械扭矩控制依賴齒輪箱 backlash 補償或經(jīng)驗參數(shù)調(diào)節(jié)，而現(xiàn)代智能機器人通過扭矩傳感器構(gòu)建的閉環(huán)系統(tǒng)，可將扭矩波動精細(xì)控制在較低水平，使定位精度與負(fù)載能力得到有效提升。

壓力控制在機器人液壓系統(tǒng)與氣動夾爪中同樣關(guān)鍵。液壓伺服系統(tǒng)的壓力波動會導(dǎo)致重型機器人的運動平滑度下降，氣動夾爪的壓力不穩(wěn)會造成工件抓取可靠性降低。壓力傳感器通過實時監(jiān)測系統(tǒng)壓力，確保液壓機器人的運動平穩(wěn)性與氣動夾爪的抓取可靠性得到提升。

扭矩與壓力控制的協(xié)同價值體現(xiàn)在三個**場景：

關(guān)節(jié)驅(qū)動：扭矩傳感器監(jiān)測電機輸出扭矩，壓力傳感器反饋液壓油缸壓力，共同保障多軸運動的協(xié)調(diào)性；

力控操作：扭矩傳感器實現(xiàn)末端執(zhí)行器的力矩反饋，壓力傳感器控制氣動壓力，確保精密裝配的力位協(xié)同；

安全保護：扭矩傳感器檢測異常扭矩突變，壓力傳感器監(jiān)測制動系統(tǒng)壓力，構(gòu)建雙重安全冗余機制。

二、扭矩傳感器與壓力傳感器的技術(shù)差異及協(xié)同應(yīng)用

（一）技術(shù)原理與測量對象

扭矩傳感器：基于應(yīng)變片、磁致伸縮或光纖布拉格光柵原理，通過彈性體形變感應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸的扭矩變化。例如應(yīng)變片式傳感器，在扭矩作用下彈性體產(chǎn)生微形變，應(yīng)變片電阻值變化經(jīng)電橋轉(zhuǎn)換為電壓信號，精度可達(dá) ±0.05% FS，適用于 0.1N?m 至 10kN?m 的寬扭矩范圍。

壓力傳感器：基于壓阻效應(yīng)或壓電效應(yīng)，測量氣體或液體的壓強。壓阻式傳感器在壓力作用下硅膜片形變導(dǎo)致電阻變化，經(jīng)信號調(diào)理輸出標(biāo)準(zhǔn)信號，精度 ±0.2% FS，適用于 0.1MPa 至 200MPa 的寬壓力范圍。

（二）應(yīng)用場景協(xié)同

扭矩傳感器是機器人旋轉(zhuǎn)動力的重要測量工具，直接決定關(guān)節(jié)運動的力矩輸出；壓力傳感器是流體動力的關(guān)鍵監(jiān)測部件，保障液壓 / 氣動系統(tǒng)的壓力均衡。二者在重型搬運機器人中形成高效協(xié)同：扭矩傳感器監(jiān)測減速機輸入扭矩以調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，壓力傳感器檢測液壓泵輸出壓力以控制油缸推力，共同實現(xiàn) “扭矩 - 壓力” 的雙重精細(xì)控制，確保工件的平穩(wěn)搬運與定位。

三、適配工業(yè)機器人的扭矩傳感器技術(shù)類型

1. 應(yīng)變片式扭矩傳感器：通用場景的實用選擇

基于電阻應(yīng)變原理，采用鋁合金或鈦合金彈性體，表面粘貼高精度應(yīng)變片，通過全橋電路實現(xiàn)扭矩信號轉(zhuǎn)換。其優(yōu)勢在于成本與性能平衡、響應(yīng)速度快，適用于搬運機器人、碼垛機器人等中負(fù)載場景。在汽車生產(chǎn)線的搬運機器人中，該傳感器實時監(jiān)測關(guān)節(jié)扭矩，通過控制系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整伺服電機電流，使機械臂的重復(fù)定位精度得到提升，滿足精密搬運需求。

2. 磁彈性式扭矩傳感器：惡劣環(huán)境的可靠選擇

利用鐵基合金的磁致伸縮效應(yīng)，扭矩作用下內(nèi)部磁路變化通過感應(yīng)線圈輸出信號。其抗振動、耐粉塵、耐高溫的特性，使其成為鑄造、焊接等惡劣環(huán)境的理想選擇。在重工企業(yè)的焊接機器人中，磁彈性式傳感器監(jiān)測焊槍旋轉(zhuǎn)扭矩，配合抗電磁干擾設(shè)計，***提升焊接過程的穩(wěn)定性與焊縫質(zhì)量。

3. 光纖式扭矩傳感器：精密場景的高精度方案

基于光纖布拉格光柵技術(shù)，扭矩導(dǎo)致光纖光柵軸向應(yīng)變，反射光波長漂移經(jīng)解調(diào)儀實現(xiàn)測量。其抗電磁干擾、體積小、精度高的優(yōu)勢，特別適合精密裝配、微電子操作等場景。在半導(dǎo)體晶圓搬運機器人中，分布式光纖傳感器以高頻采樣監(jiān)測末端執(zhí)行器扭矩，通過邊緣計算實時調(diào)整夾爪力度，滿足晶圓的無損傷搬運要求。

四、典型工業(yè)機器人場景深度解析

1. 精密裝配的扭矩 - 力位協(xié)同控制

在 3C 產(chǎn)品裝配機器人的腕部關(guān)節(jié)，扭矩傳感器與六維力傳感器協(xié)同工作，實時監(jiān)測裝配過程的扭矩與力信號。當(dāng)檢測到螺紋緊固扭矩超過設(shè)定值時，系統(tǒng)自動停止旋轉(zhuǎn)并反饋補償角度，有效提升螺紋裝配的良品率，同時避免因過扭矩導(dǎo)致的工件損壞。

2. 協(xié)作機器人的安全扭矩監(jiān)測

在人機協(xié)作機器人的關(guān)節(jié)處，扭矩傳感器實時監(jiān)測異常力矩突變。當(dāng)外部沖擊力導(dǎo)致扭矩超過安全閾值時，系統(tǒng)快速觸發(fā)安全停機，降低人機碰撞的沖擊力，滿足協(xié)作安全標(biāo)準(zhǔn)，***提升人機共融場景的安全性。

3. 重型機器人的負(fù)載扭矩優(yōu)化

在汽車主機廠的焊裝機器人中，扭矩傳感器與壓力傳感器聯(lián)動控制。傳感器實時監(jiān)測機械臂負(fù)載扭矩，當(dāng)檢測到工件重心偏移導(dǎo)致扭矩不均時，系統(tǒng)自動調(diào)整液壓平衡缸的壓力分布，提升負(fù)載引起的關(guān)節(jié)角度控制精度，使汽車白車身的焊接精度得到有效提升。

五、技術(shù)挑戰(zhàn)與創(chuàng)新方向

1. 高精度與微型化平衡

隨著機器人向輕量化、模塊化發(fā)展，需在有限空間內(nèi)實現(xiàn)高精度扭矩測量。未來將聚焦：

芯片級集成技術(shù)：開發(fā)微型扭矩傳感器，適配協(xié)作機器人的緊湊關(guān)節(jié)設(shè)計，同時保持高精度測量性能；

無軸式測量方案：采用非接觸式原理，消除傳統(tǒng)軸式傳感器的安裝同軸度要求，提升裝配便利性與測量穩(wěn)定性。

2. 惡劣環(huán)境適應(yīng)性突破

針對焊接飛濺、鑄造高溫、粉塵污染等場景，需提升傳感器的環(huán)境耐受性：

表面防護技術(shù)：應(yīng)用耐磨涂層，增強傳感器抗焊渣粘附與耐磨損能力；

密封工藝優(yōu)化：采用高防護等級灌封技術(shù)，適應(yīng)高壓水洗與強粉塵環(huán)境，延長傳感器使用壽命。

3. 智能化與邊緣計算融合

隨著機器人向自主決策升級，扭矩傳感器正從 “數(shù)據(jù)采集” 向 “智能分析” 進(jìn)化：

嵌入式算法應(yīng)用：在傳感器端集成異常扭矩識別模型，實時分析信號特征，提前預(yù)警齒輪磨損、軸承失效等故障，減少非計劃停機時間；