近一个月内，有多位客户在向我们咨询产品时表示，他们只关注机器人末端工具上的接触力，所以觉得用三维力传感器就足够了，询问我们有没有三维力传感器产品。
类似这样情况我们客服经常遇到，其实，六维力传感器的制造难度相比三维力传感器要高得多，我们公司可以提供多种量程的六维力传感器和三维力传感器，但三维力传感器在使用上还是有很多限制。我们的建议是，如果力的作用点远离传感器，并且力的方向随机，这时一定要用六维力传感器，哪怕是此时你仅需要三个方向的力的信息，不需要知道弯矩的大小。
为了更清楚的解释这个问题，我门先来看一维力传感器的适用场景。
我们知道，力是矢量，它既有大小又有方向。只有当力的方向和一维力传感器的测量轴线完全重合时，一维力传感器才能进行准确测量（图1）。测量轴线一般是传感器的几何中心线。
当力的方向与传感器的测量轴线平行但不重合，此时传感器的测量结果将会出现较大的误差。因为，根据理论力学中的力的平移等效原理，此时相当于有一个力和弯矩同时作用在传感器上（图2）。平移等效之后，对传感器而言，受力的大小和方向与之前是一致的，但多了个附加弯矩FL的作用。这个弯矩对传感器会产生一定的弯曲变形作用，这种变形模式是偏离传感器的标定状态的，所以导致了传感器的较大误差。当然，有些一维力传感器的结构有一定的抗偏心能力，但在偏心距离较大、弯矩较大时，也会有明显的测量误差。
我们再来讨论三维力传感器。三维力传感器的校准中心一般都在传感器上或者离传感器非常近，所以同样的道理，只要力的作用点远离传感器，这个力在经过正交分解并平移至三维力传感器的校准中心后，传感器即要承受力Fx/Fy/Fz三分量的作用，同时又要承受Mx/My/Mz三个弯矩的作用（图3）。Mx/My/Mz三个弯矩就必然会干扰Fx/Fy/Fz三个力的测量准度，弯矩越大，三维力的测量越不准确。造成这个现象的底层原因就是，在对三维力传感器进行加载标定时，是没办法考虑弯矩这个变量的，此时标定出来的数学模型和参数无法将弯矩对力的干扰进行修正消除。
就在上周，我们把一台市面上常见结构的三维力传感器和一台坤维的六维力传感器寄给一位做医疗手术机器人的知名企业客户试用（图4）。这位客户本来是想节省成本，用三维力传感器来实现产品功能。在试用对比两种传感器的效果后，还是选择了六维力传感器。
基于六维联合加载的六维力传感器解耦算法可以非常精准的修正三方向力和三方向弯矩之间的耦合误差，这就很大程度上消除了弯矩对力测量的干扰，从而使力的测量准度远远高于三维力传感器。当然，这样做的前提是要通过高精度的六维联合加载标定方式获得非线性拟合能力强的解耦数学模型，相关内容可以参考我专栏中《六维联合加载标定及监测的标定篇》。
按照刚才的介绍，如果您遇到类似的问题，特别是在机器人的力控应用中，请不要再继续纠结是用三维力传感器还是用六维力传感器（图5）。用六维力传感器，不仅力能测的更准，还可以实时监测弯矩以防传感器弯矩超载导致不可逆的损坏，还可以通过弯矩数据做末端执行器姿态的反馈控制。当末端接触力非常小时，这些力对应产生的弯矩会相对更敏感，可以用弯矩来间接监测接触力，因为力臂就是力的放大器，这种使用方式在咽试纸采样机器人的力控应用中比较常见。
其实在某些情况下，三维力传感器也是可以用的，比如力的作用点很靠近传感器校准中心并且测量精准度要求不高的时候，或者多台三维力传感器同时使用时。这涉及到比较专业的拟合和数据处理，我将在以后的文章中为大家介绍。
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