机器人的力扭矩传感：为什么重要以及如何使用它

什么是力-扭矩传感

力-扭矩 (F/T) 传感器测量机器人上某一点的机械负载的六个分量：沿每个轴的三个力 (Fx、Fy、Fz) 和围绕每个轴的三个扭矩 (Tx、Ty、Tz)。 安装在机器人手腕上（最后一个臂连杆和末端执行器之间）的 F/T 传感器可提供夹具与环境之间机械相互作用的完整图像：机器人施加了多大的力、朝哪个方向以及产生了多少弯矩。

这些信息对于相机来说是不可见的，并且不能仅从关节电机电流中可靠地推断出来（尽管一些现代手臂，如 Franka，提供腕部关节扭矩估计，从而给出类似 F/T 的粗略信号）。 手腕上的专用 F/T 传感器提供校准的高带宽力数据，可用于合规控制、接触检测、抓取质量监控，并作为学习操作策略的附加观察通道。

当您需要 F/T 传感时

F/T 传感对于接触丰富的操作任务最有价值：孔中插入、配合连接器、开瓶器、螺纹螺钉、滑动抽屉、抛光表面和装配任务，在这些任务中，机器人必须施加受控力，而不仅仅是遵循位置轨迹。 在这些任务中，小的定位误差会导致大的接触力，如果没有力反馈，位置控制的机器人就无法补偿这种力——机器人要么完全错过目标，要么施加过大的力并损坏组件。

对于具有较大公差的纯粹拾取和放置任务，通常不需要专用的 F/T 传感。 关节扭矩监控足以进行基本的碰撞检测，并且具有适当的夹具刚度的良好校准的抓取可以处理大多数物体处理，而无需明确的力控制。 当您的任务涉及精确插入、接触保持运动或力控制表面跟随时，请添加专用的 F/T 传感。

硬件选项

ATI Mini45 和 Mini85 是研究 F/T 传感的黄金标准：高精度、高带宽 (7 kHz) 和丰富的文档。 它们价格昂贵（3,000 美元至 7,000 美元，具体取决于测量范围和连接器），但可靠且得到良好支持。 Robotiq FT 300-S 是一种更实惠的选择（2,000 美元至 3,000 美元），带宽较低，但通过 USB 和以太网以及直接 ROS 支持更容易集成。 OnRobot Hex 系列将 F/T 传感直接集成到夹臂接口中，以降低可配置性为代价简化了接线。

对于预算有限的研究，Bota Systems 和 Wacoh Tech 等公司的新型低成本 F/T 传感器已得到显着改进，现在适用于许多研究应用。 选择传感器时，请将测量范围与您的任务相匹配：用于重负载抓取的过于敏感的传感器会饱和； 用于精细装配的不灵敏传感器无法检测到重要的接触事件。

与操纵策略集成

F/T 数据可以通过两种方式集成到学习的操纵策略中。 最常见的方法是将 F/T 读数作为图像和联合状态旁边的附加观察通道 - 该策略在每个时间步接收一个 6 维 F/T 向量并学习隐式使用它。 当 F/T 数据提供了政策可以学习利用的有用信号时，这种方法实施起来很简单，并且效果很好。

更结构化的方法使用 F/T 数据来参数化经典的顺从控制层：学习的策略输出所需的扳手或顺从参数而不是关节位置，经典阻抗控制器将其转换为关节命令，同时保持指定的顺从性。 这种混合架构将任务规划（学习）与接触动态处理（经典）分开，通常在接触丰富的任务上产生比纯粹的端到端学习更可靠的行为。

接触丰富的任务和 SVRC 的传感堆栈

SVRC 部署了配备 F/T 的机器人站，用于收集接触丰富的操作任务的数据，包括插头插入、抽屉打开和需要受控施力的组装任务。 我们的标准传感堆栈包括每个机器人手臂手腕上的 ATI Mini45，F/T 数据与摄像头和关节状态以 500 Hz 同步记录。 此记录速率足以捕获接触瞬变，并包含在标准数据集导出中。

对于研究富含接触操作的团队，可以通过我们的 SVRC 帕洛阿尔托工厂配备 F/T 的工作站 机器人租赁计划。 我们还提供有关为定制硬件设置选择和集成 F/T 传感器的咨询。 联系 SVRC工程团队 讨论您特定的接触丰富的操作要求，或浏览我们的 硬件目录 了解可用的传感器配置。