机器人关节模组中的内嵌式与外置式扭矩传感器：工程权衡与未来趋势

近年来，随着人形机器人和协作机器人快速发展，高精度力控制已成为实现柔顺且安全交互的核心能力。而这项能力的核心，正是机器人关节模组内部的一个关键部件：负责感知力的扭矩传感器。

然而，扭矩传感器的安装方式直接决定了关节的性能、可靠性和成本。如今，市场上主要有两种技术路线：嵌入式（集成式）和外置式（附加式）扭矩传感器。

这种区别并不只是简单的“内置”与“外接”。其根本差异在于，扭矩感知结构是否属于机械传动链的内在组成部分，并集成在关节本体内部。

1. 嵌入式扭矩传感器：集成式关节的“原生核心”

嵌入式扭矩传感器深度集成于关节结构中，与电机、减速机和编码器并列成为第四大核心部件。这使其能够构建集驱动、传动、感知与控制于一体的全集成系统。

常见实现方式

基于应变片的感知

应变片贴附于输出法兰、空心轴或专用弹性体等部件上，通过测量微小的扭转形变来计算扭矩。这是最经典、应用最广泛的方法。

磁式 / 磁弹性式感知

通过测量磁环的角度差异或材料磁特性的变化来检测扭矩。这种非接触式方案具有出色的密封性能以及耐油污、耐污染能力，正成为快速增长的发展趋势。

结构复用设计

将现有弹性部件——例如谐波减速机中的柔轮或输出法兰——复用为感知元件。这种方案需要先进的机械解耦设计，以避免轴向力和弯矩带来的干扰。

优势

紧凑性 & 轻量化设计

无需额外增加轴向长度，从而实现超紧凑型关节模组，并提升负载重量比。

高可靠性 & 高防护性

内部布线可实现完全密封（高 IP 等级），有效防止灰尘、水分和机械磨损。

优异的动态性能

高结构刚性和低惯量支持高带宽、快速响应的力控制。

高产品一致性

出厂前已完成标定，可实现即插即用集成，并降低系统复杂度。

挑战

设计复杂度高

需要在有限空间内解决强度、刚度、过载保护、温漂补偿以及多轴解耦等问题。

可维护性有限

传感器一旦失效，通常需要将整个关节模组返修，从而导致更长的停机时间。

隐性过载风险

外部冲击可能造成不可逆的微损伤或零点漂移，且难以通过目视发现。

典型应用

人形机器人

协作机器人（cobots）

四足机器人

外骨骼

灵巧机械手

这些应用优先关注大规模量产中的紧凑化、轻量化设计和高可靠性。

2. 外置式扭矩传感器：灵活且独立的测量模块

外置式扭矩传感器是独立的标准化部件，通过法兰或联轴器安装在关节输出端与负载之间。

常见实现方式

法兰式扭矩传感器

安装在关节输出法兰与负载之间，充当测量环。这是最常见的方案。

轴式 / 空心轴传感器

直接安装在传动轴上，适用于特定空间布局。

电机电流估算（虚拟感知）

虽然这并非物理传感器，但在低成本应用中可通过电机电流估算扭矩。然而，其精度会受到摩擦、温漂和减速器效率的影响，因此不适用于高精度力控制。该方法广泛用于对成本敏感的机器人应用。

优势

高灵活性 & 易维护性

传感器可快速更换，最大限度减少停机时间。非常适合研发和迭代开发。

标定的“黄金标准”

高精度、经认证的传感器可用于验证和标定嵌入式方案。

选择范围广 & 技术成熟

可提供种类丰富的产品，具备不同量程、精度和接口（如 CAN、EtherCAT）。

挑战

尺寸增加 & 美观性下降

会增加轴向长度和整体体积，使关节不够紧凑。

系统刚性降低

额外的接口和弹性元件可能限制控制带宽，并引入对中误差。

防护 & 布线问题

外露布线需要额外防护，以抵御灰尘、液体和机械应力。

典型应用

研发与测试平台

高负载或易受冲击环境（使用牺牲型传感器）

改造或升级项目

3. 关键对比：嵌入式 vs. 外置式扭矩传感器

4. 选型指南：如何选择合适的方案

主要决策依据

如果您的目标是产品化和大规模量产，并优先考虑紧凑化、轻量化设计、可靠性和整洁集成 →

请选择嵌入式扭矩传感器。

如果您正处于研发、原型开发、测试阶段，或需要高度灵活性和便捷维护 →

请选择外置式扭矩传感器。

关键验证标准（两种方案均适用）

跨轴解耦性能

请核查其抗弯矩和轴向负载能力指标（例如 <2% FS）。

过载保护 & 零点恢复

确保传感器在 2× 或 5× 过载条件后仍能保持精度。

安装刚性（对外置式传感器尤为关键）

合适的平面度、刚性和对中性至关重要——安装不当即使是最好的传感器也会性能下降。

嵌入式扭矩传感器代表了高度集成机器人关节的未来，可支持可扩展、高性能且具成本效益的大规模量产。同时，外置式传感器在灵活性、验证和适应性方面仍具有持久价值。

并不存在绝对“更好”的方案——只有最适合您应用需求的方案。理解这些工程权衡，有助于为您的机器人赋予最合适的“触觉感知”，在精度、可靠性与成本之间实现最佳平衡。