讀懂六維力傳感器的“語言”：Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz 詳解

引言：從六個數字到智能行動

當六維力傳感器輸出一串數據——例如 Fx: 1.2N, Fy: -0.5N, Fz: -8.7N, Mx: 0.1Nm, My: 0.05Nm, Mz: -0.3Nm——對于不了解的人來說，這只是一組枯燥的數字。但對于機器人和自動化系統而言，這是一段充滿信息的“語言”，描述了其手部正在經歷的、完整的力學交互故事。讀懂這段語言，是開啟力控應用大門的鑰匙。本文將化身您的“翻譯官”，逐一詳解這六個維度的物理意義、典型場景及其在智能控制中的核心作用。

第一模塊：坐標系定義：一切描述的基石

在深入六個分量之前，必須首先建立統一的“坐標系”，這是理解所有力與力矩方向的基石。

• 傳感器坐標系： 通常，六維力傳感器會定義一個固有的坐標系，該坐標系與傳感器的物理結構固聯。
  • 原點 (O): 通常位于傳感器的幾何中心或受力中心。
  • Z軸： 垂直于傳感器安裝法蘭平面，通常指向傳感器“外部”或“末端工具側”的方向。Fz 和 Mz 均圍繞此軸定義。
  • X軸與Y軸： 在安裝平面內，互相垂直，并滿足“右手定則”。Fx, Fy, Mx, My 分別沿此二軸及其旋轉方向定義。

重要提示： 在實際應用中，必須根據傳感器的安裝方向，將傳感器坐標系轉換到機器人基坐標系或工具坐標系中，才能正確指導機器人動作。下文的所有描述均基于傳感器坐標系。

第二模塊：三個力分量：空間的推拉之感

這三個分量描述了作用在傳感器上的平移趨勢。

• Fx (X軸方向力):

  • 物理意義： 沿X軸方向的推力或拉力。值為正通常表示推力（指向X軸正方向），值為負表示拉力（指向X軸負方向）。
  • 典型場景：
    • 機器人插軸入孔： 當軸與孔壁接觸時，會產生側向的 Fx 或 Fy。
    • 平面打磨： 機器人沿工件表面移動時，打磨頭受到的進給方向阻力即為 Fx 或 Fy。

• Fy (Y軸方向力):

  • 物理意義： 沿Y軸方向的推力或拉力。方向判斷同Fx。
  • 典型場景： 與Fx類似，是發生在另一個水平方向上的相互作用力。

• Fz (Z軸方向力):

  • 物理意義： 沿Z軸方向的壓力或拉力。值為正通常表示拉力（將傳感器向上提），值為負表示壓力（將傳感器向下壓）。這是最常見的分量，類似于“重量”。
  • 典型場景：
    • 抓取重量： 機器人抓取一個物體，Fz 值會變為物體的重力（負值）。
    • 接觸檢測： 機器人末端向下移動，一旦 Fz 的絕對值超過零位閾值，即表示已接觸到工件表面。
    • 恒力打磨/拋光： 需要控制的主要力分量，通過調節機器人Z軸位置，保持 Fz 的絕對值恒定，從而獲得均勻的加工效果。

第三模塊：三個力矩分量：空間的扭轉之感

這三個分量描述了作用在傳感器上的旋轉趨勢。

• Mx (繞X軸的力矩):

  • 物理意義： 試圖讓傳感器繞X軸旋轉的力矩。根據右手定則，四指指向旋轉方向，拇指指向即為力矩矢量方向。
  • 典型場景：
    • 側面打磨： 當打磨工具側面與工件接觸時，會產生一個繞X軸或Y軸的力矩 (Mx 或 My)。
    • 擰緊螺絲（初始階段）： 螺絲刀頭切入螺絲槽時，若未對正，會產生 Mx 或 My。

• My (繞Y軸的力矩):

  • 物理意義： 試圖讓傳感器繞Y軸旋轉的力矩。
  • 典型場景： 與Mx類似，是繞另一個水平軸的旋轉趨勢。

• Mz (繞Z軸的力矩):

  • 物理意義： 試圖讓傳感器繞Z軸旋轉的力矩。這是最直觀的“擰轉”或“扭矩”。
  • 典型場景：
    • 擰緊/擰松螺絲： 這是最典型的 Mz 應用。機器人通過控制 Mz 的大小來實現精準的擰緊作業。
    • 轉動門把手/閥門： 操作圓形把手或閥門手輪時，主要力矩就是 Mz。
    • 裝配中的卡滯： 在軸孔裝配中，如果軸被卡住，機器人繼續旋轉可能會產生一個異常增大的 Mz。

第四模塊：合力與合力矩：綜合態勢的判斷

在復雜的真實任務中，六個分量往往是同時存在的。理解它們的綜合效果至關重要。

• 合力： 通過 Fx, Fy, Fz 可以計算出空間中的總合力大小和方向：F_total = √(Fx2 + Fy2 + Fz2)。這可以用于判斷機器人末端受到的總外力沖擊。
• 合力矩： 同樣，可以計算總合力矩：M_total = √(Mx2 + My2 + Mz2)。這反映了總的扭轉強度。
• 綜合案例分析——軸孔裝配：
  1. 下壓找孔： Fz 出現負值，表明接觸到了工件平面。
  2. 側向搜索： 機器人開始在小范圍內畫圓搜索，此時可能會檢測到 Fx 和 Fy 的周期性變化。
  3. 落入孔中： Fx 和 Fy 突然減小，Fz 的負值也可能因落入而瞬間減小。
  4. 插到底部： Fz 的負值急劇增大，表明裝配完成。

第五模塊：數據解讀中的常見問題與陷阱

解讀這六個數字時，需要警惕一些常見問題：

• 交叉耦合/串擾： 理想情況下，只施加Fx應只導致Fx有讀數。但實際上，可能會引起其他維度（如Fy, Mz）的微小讀數，這就是串擾。高質量的傳感器通過精密設計和解耦算法將其降至最低。
• 零點漂移： 傳感器在未受力時的輸出（零點）可能會隨溫度、時間緩慢變化。高精度應用前需進行“清零”操作。
• 重力補償： 如果末端工具或工件有重量，它們會在傳感器上產生一個穩定的 Fz（負值）和可能產生的 Mx, My（如果重心不在Z軸上）。在力控任務開始前，必須首先測量并存儲這個“重力矢量”，并在后續讀數中實時減去，否則重力會被誤判為外部接觸力。

結語：人機交互的力學共通語言

Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz 這六個分量，構成了一套完整描述空間力學交互的通用語言。它不僅是機器人與環境對話的橋梁，也成為了人類理解并指揮機器人完成精細作業的基石。通過熟練解讀這套語言，工程師可以“教會”機器人如何像人一樣，憑借觸覺去適應不確定的環境，從“蠻力”操作升級為“巧力”交互。在下一篇中，我們將走進工廠，看看這顆“心臟”是如何被精確地“煉”成的。