扭矩傳感器助力工業機器人實現精細控制與高效運行

來源：發布時間：2025-04-26

在工業機器人領域，從機械臂關節驅動到末端執行器操作，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、負載能力與運行安全性。扭矩傳感器作為機器人動力系統的重要組件，與壓力傳感器形成功能互補，共同構建工業機器人的智能控制體系。

一、扭矩控制工業機器人的精度與負載重要支撐

在工業機器人運行中，扭矩控制直接影響關鍵性能指標。例如，機械臂關節扭矩波動超過 ±3% 會導致定位精度下降，使精密裝配的誤差擴大；協作機器人的扭矩不均會造成力反饋偏差，導致人機交互時的安全響應延遲。傳統機械扭矩控制依賴齒輪箱 backlash 補償或經驗參數調節，而現代智能機器人通過扭矩傳感器構建的閉環系統，可將扭矩波動精細控制在較低水平，使定位精度與負載能力得到有效提升。

壓力控制在機器人液壓系統與氣動夾爪中同樣關鍵。液壓伺服系統的壓力波動會導致重型機器人的運動平滑度下降，氣動夾爪的壓力不穩會造成工件抓取可靠性降低。壓力傳感器通過實時監測系統壓力，確保液壓機器人的運動平穩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同價值體現在三個**場景：

關節驅動：扭矩傳感器監測電機輸出扭矩，壓力傳感器反饋液壓油缸壓力，共同保障多軸運動的協調性；

力控操作：扭矩傳感器實現末端執行器的力矩反饋，壓力傳感器控制氣動壓力，確保精密裝配的力位協同；

安全保護：扭矩傳感器檢測異常扭矩突變，壓力傳感器監測制動系統壓力，構建雙重安全冗余機制。

二、扭矩傳感器與壓力傳感器的技術差異及協同應用

（一）技術原理與測量對象

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

壓力傳感器：基于壓阻效應或壓電效應，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致電阻變化，經信號調理輸出標準信號，精度 ±0.2% FS，適用于 0.1MPa 至 200MPa 的寬壓力范圍。

（二）應用場景協同

扭矩傳感器是機器人旋轉動力的重要測量工具，直接決定關節運動的力矩輸出；壓力傳感器是流體動力的關鍵監測部件，保障液壓 / 氣動系統的壓力均衡。二者在重型搬運機器人中形成高效協同：扭矩傳感器監測減速機輸入扭矩以調整電機轉速，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 “扭矩 - 壓力” 的雙重精細控制，確保工件的平穩搬運與定位。

三、適配工業機器人的扭矩傳感器技術類型

1. 應變片式扭矩傳感器：通用場景的實用選擇

基于電阻應變原理，采用鋁合金或鈦合金彈性體，表面粘貼高精度應變片，通過全橋電路實現扭矩信號轉換。其優勢在于成本與性能平衡、響應速度快，適用于搬運機器人、碼垛機器人等中負載場景。在汽車生產線的搬運機器人中，該傳感器實時監測關節扭矩，通過控制系統動態調整伺服電機電流，使機械臂的重復定位精度得到提升，滿足精密搬運需求。

2. 磁彈性式扭矩傳感器：惡劣環境的可靠選擇

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

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，扭矩導致光纖光柵軸向應變，反射光波長漂移經解調儀實現測量。其抗電磁干擾、體積小、精度高的優勢，特別適合精密裝配、微電子操作等場景。在半導體晶圓搬運機器人中，分布式光纖傳感器以高頻采樣監測末端執行器扭矩，通過邊緣計算實時調整夾爪力度，滿足晶圓的無損傷搬運要求。

四、典型工業機器人場景深度解析

1. 精密裝配的扭矩 - 力位協同控制

在 3C 產品裝配機器人的腕部關節，扭矩傳感器與六維力傳感器協同工作，實時監測裝配過程的扭矩與力信號。當檢測到螺紋緊固扭矩超過設定值時，系統自動停止旋轉并反饋補償角度，有效提升螺紋裝配的良品率，同時避免因過扭矩導致的工件損壞。

2. 協作機器人的安全扭矩監測

在人機協作機器人的關節處，扭矩傳感器實時監測異常力矩突變。當外部沖擊力導致扭矩超過安全閾值時，系統快速觸發安全停機，降低人機碰撞的沖擊力，滿足協作安全標準，***提升人機共融場景的安全性。

3. 重型機器人的負載扭矩優化

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動控制。傳感器實時監測機械臂負載扭矩，當檢測到工件重心偏移導致扭矩不均時，系統自動調整液壓平衡缸的壓力分布，提升負載引起的關節角度控制精度，使汽車白車身的焊接精度得到有效提升。

五、技術挑戰與創新方向