作者 | 陽(yáng)誠(chéng)投研團(tuán)隊(duì)
一、引言
今年11月，特斯拉機(jī)器人官號(hào)發(fā)布視頻顯示，Optimus機(jī)器人已實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定接住拋來的網(wǎng)球并流暢放下的動(dòng)作，手部協(xié)調(diào)性幾乎媲美人類。今年12月，華為全球具身智能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心宣布啟動(dòng)運(yùn)營(yíng)，同時(shí)與多家機(jī)器人企業(yè)簽署戰(zhàn)略合作備忘錄。這些行業(yè)大事件不僅彰顯了人形機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)突破和廣闊的市場(chǎng)潛力，也為多維力傳感器的快速發(fā)展鋪平了道路，作為機(jī)器人感知的核心器件，多維力傳感器正迎來市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)張的黃金時(shí)期。
二、 技術(shù)介紹
（一）力傳感器的原理和實(shí)現(xiàn)
力學(xué)傳感器作為力的測(cè)量?jī)x器，其核心原理是將力作用下的形變轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)而檢測(cè)張力、拉力、壓力、重量、扭矩、內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變等力學(xué)量。本文將力或力矩、力覺傳感器統(tǒng)稱為力傳感器。
力傳感器主要包括本體單元和應(yīng)變/形變檢測(cè)系統(tǒng)兩大部分，由力敏元件、轉(zhuǎn)換元件和信號(hào)處理單元等具體元件組成。當(dāng)有力作用時(shí)，力施加于傳感器本體單元上，并引起本體單元的應(yīng)變或形變，檢測(cè)系統(tǒng)可感知本體的應(yīng)變或形變，通過電路將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電壓，繼而通過測(cè)量電壓值來表征力的大小，并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)力的測(cè)量。
資料來源：《于人共融機(jī)器人的關(guān)節(jié)力矩測(cè)量技術(shù)》，陽(yáng)誠(chéng)整理
圖1：力傳感器基本工作原理
（二）力傳感器的分類
根據(jù)所測(cè)力的維數(shù)不同，常見的力傳感器包括一維力傳感器、三維力傳感器和六維力傳感器。
資料來源：坤維科技官方公眾號(hào)，陽(yáng)誠(chéng)整理
圖2：常見的力傳感器類型
由于六維力傳感器能夠同時(shí)測(cè)量物體在三個(gè)空間方向和三個(gè)旋轉(zhuǎn)方向上的力與力矩，適用于力作用點(diǎn)隨機(jī)并對(duì)測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)景。這一特性對(duì)于機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈和其他智能裝配來說非常重要，因此工信部將六維力傳感器納入重點(diǎn)發(fā)展的核心零部件范疇。
（三）六維力傳感器的優(yōu)勢(shì)和技術(shù)難點(diǎn)
1 、優(yōu)勢(shì)
（1）高精度和全面感知
相較于其他維度傳感器，六維力傳感器能測(cè)量作用點(diǎn)隨機(jī)的力，并提供更全面且更多維度的力/力矩?cái)?shù)據(jù)。同時(shí)，六維力傳感器能通過高精度的聯(lián)合加載標(biāo)定，獲得強(qiáng)大的非線性擬合能力，其內(nèi)部算法會(huì)解耦各方向力和力矩間的干擾，進(jìn)而增加測(cè)量的準(zhǔn)確性。高精度的六維力傳感器耦合誤差可以實(shí)現(xiàn)不超過0.5%的標(biāo)準(zhǔn)，哪怕常規(guī)產(chǎn)品也可以將誤差控制在2%-5%的范圍內(nèi)；然而，如果使用多個(gè)一維力傳感器組合解耦，則會(huì)造成一般的耦合誤差達(dá)到20%以上，將嚴(yán)重影響測(cè)量精度。
（2）結(jié)構(gòu)緊湊，適應(yīng)狹窄空間
由于六維力傳感器體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，因此一個(gè)六維力傳感器所需的空間會(huì)小于六個(gè)一維力傳感器。小體積的六維力傳感器可適配機(jī)器人關(guān)節(jié)等狹小空間，從而降低機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度。
（3）協(xié)調(diào)同步
使用多個(gè)一維力傳感器可能會(huì)出現(xiàn)傳感器間信號(hào)不同步的問題，而六維力傳感器可同時(shí)計(jì)算出三個(gè)方向的力和力矩的特點(diǎn)能夠很好的解決這一問題，因此有效提高了同步性。
2、技術(shù)難點(diǎn)
（1）解耦算法的復(fù)雜性
建立電信號(hào)與待測(cè)力、力矩間的正確映射對(duì)解耦算法的要求很高。不僅如此，不同維度的力傳感器的解耦算法由于受到維間相互作用的影響也有著本質(zhì)的不同。
（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料使用
六維力傳感器不是三個(gè)一維力傳感器和三個(gè)扭矩傳感器結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單疊加，它的非線性力學(xué)特征明顯，同時(shí)要考慮多通道信號(hào)的溫漂、蠕變、交叉干擾、數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和六維聯(lián)合加載標(biāo)定的復(fù)雜性，因此設(shè)計(jì)難度是低維傳感器的指數(shù)倍增長(zhǎng)。此外，選用力傳感器的材料需要具備靈敏的特性，同時(shí)又希望其擁有抗沖擊和高過載的能力，而這兩個(gè)要求互相矛盾，因此就需要設(shè)計(jì)者平衡好綜合材料和設(shè)計(jì)之間的關(guān)系。
三、應(yīng)用場(chǎng)景
六維力傳感器的下游應(yīng)用場(chǎng)景十分廣泛，涵蓋機(jī)器人與自動(dòng)化、汽車行業(yè)、醫(yī)療手術(shù)與康復(fù)、航天航空等多個(gè)領(lǐng)域。不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)量程、分辨率、精度、溫漂等具體性能的要求也各不相同，因此需要進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)與研發(fā)，其定制化程度也相對(duì)較高。
（一）機(jī)器人
在機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域中，六維力傳感器主要用于多關(guān)節(jié)機(jī)器人和對(duì)傳感性能要求更高的協(xié)作機(jī)器人。由于它能提高機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)及決策能力，因此在工業(yè)及商用場(chǎng)景中得到了廣泛的應(yīng)用。以O(shè)ptimus為例，它需要大約14個(gè)力傳感器、14個(gè)力矩傳感器和4個(gè)六維力傳感器，同時(shí)在人形機(jī)器人的腕部和踝部還需各配備一個(gè)六維力傳感器。在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，通過將六維力傳感器安裝在機(jī)器人的末端，可以實(shí)現(xiàn)3D打磨、汽車裝配及復(fù)合材料銑削等高精度操作；在協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域，六維力傳感器能幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)3C裝配、拖動(dòng)示教、雙臂協(xié)作等指令。
資料來源：鑫精誠(chéng)官網(wǎng)
圖3：人形機(jī)器人六維力傳感器與關(guān)節(jié)扭矩傳感器安裝部位
（二）汽車工業(yè)
六維力傳感器在該領(lǐng)域主要應(yīng)用于汽車部件與系統(tǒng)測(cè)試、發(fā)動(dòng)機(jī)與動(dòng)力總成測(cè)試、整車測(cè)試以及總裝與最終測(cè)試的場(chǎng)景中。在新車型及零部件設(shè)計(jì)的完整性與優(yōu)化過程中，這些傳感器發(fā)揮著關(guān)鍵作用，有助于提升工作效率、流程的安全性以及功能的可靠性。
資料來源：坤維科技官方公眾號(hào)
圖4：傳統(tǒng)機(jī)器人六維力傳感器與關(guān)節(jié)扭矩傳感器安裝部位
（三）醫(yī)療領(lǐng)域
在微創(chuàng)手術(shù)和機(jī)器人輔助手術(shù)中，六維力傳感器幫助醫(yī)生實(shí)時(shí)感知人體的各項(xiàng)參數(shù)（如力量和重量），從而使醫(yī)生實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)、高質(zhì)量的醫(yī)學(xué)操作，提高手術(shù)的安全性和成功率。
來源：China plus news
圖5：醫(yī)療機(jī)器人在手術(shù)中的應(yīng)用
（四）航空航天
六維力傳感器可用于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)以及飛機(jī)、衛(wèi)星、火箭等飛行器在各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的六維力測(cè)量，幫助飛行器更準(zhǔn)確地感知環(huán)境、控制姿態(tài)并完成任務(wù)。此外，隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，它們還廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造、飛行器著陸與起飛監(jiān)測(cè)、機(jī)械臂控制以及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，從而大幅提升航空航天系統(tǒng)的性能、安全性和可靠性。
資料來源：robot-fanuc.gongboshi.com
圖6：機(jī)器人在航空航天制造業(yè)的應(yīng)用
四、市場(chǎng)空間
（一）全球力傳感器市場(chǎng)規(guī)模
資料來源：The Business Research Company，Markets and Markets，陽(yáng)誠(chéng)整理
圖7：全球力和力矩傳感器市場(chǎng)規(guī)模（單位：十億人民幣）
根據(jù)The Business Research Company數(shù)據(jù)顯示，2023年全球力傳感器市場(chǎng)規(guī)模約為163.8億元，預(yù)計(jì)在2028年將達(dá)到216.3億元；同時(shí)2023-2028年間其復(fù)合年增長(zhǎng)率為5.72％。由Markets and Markets報(bào)告數(shù)據(jù)可知，2023年全球力矩傳感器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了532.2億元，將以復(fù)合年增速5.77%增長(zhǎng)至2026年的630億元。基于以上數(shù)據(jù)分析得到，2023年全球力和力矩傳感器市場(chǎng)規(guī)模約為696億人民幣，2023-2026年全球力和力矩傳感器市場(chǎng)規(guī)模復(fù)合年增長(zhǎng)率約為5.81%。
（二）國(guó)內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模
資料來源：MIR 睿工業(yè)，源達(dá)信息證券研究所
圖 8：2020-2030年中國(guó)六維力傳感器市場(chǎng)規(guī)模及預(yù)測(cè)
根據(jù)MIR睿工業(yè)數(shù)據(jù)顯示，2023年中國(guó)六維力傳感器市場(chǎng)規(guī)模為2.35億元，同比增長(zhǎng)14.3%。其中2023-2026年受制于下游行業(yè)應(yīng)用的不成熟，市場(chǎng)整體規(guī)模仍然較?。欢?026-2030年隨著人形機(jī)器人的大規(guī)模量產(chǎn)，六維力傳感器需求將顯著增加，并推動(dòng)生產(chǎn)成本降低，市場(chǎng)規(guī)模有望迎來快速擴(kuò)容期。
（三）六維力傳感器下游分布及增速
從六維力傳感器的下游行業(yè)來看，工業(yè)自動(dòng)化是其規(guī)模最大的應(yīng)用領(lǐng)域，而人形機(jī)器人則是增長(zhǎng)最快的下游市場(chǎng)。
在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，隨著柔性化生產(chǎn)線的普及，對(duì)六維力傳感器的需求持續(xù)增長(zhǎng)，但由于工藝限制，目前尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用；在汽車行業(yè)中，六維力傳感器的應(yīng)用已較為成熟，但尚未出現(xiàn)大規(guī)模的新應(yīng)用場(chǎng)景；在軍工、航天航空和醫(yī)療等領(lǐng)域，六維力傳感器的需求則保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。
而人形機(jī)器人領(lǐng)域是目前六維力傳感器可預(yù)見的最大應(yīng)用場(chǎng)景，在2023年中國(guó)六維力傳感器下游行業(yè)增速圖中，人形機(jī)器人以接近150%的增速遙遙領(lǐng)先于均不到20%的工業(yè)自動(dòng)化、汽車及其他等領(lǐng)域。人形機(jī)器人行業(yè)對(duì)六維力傳感器有確定的大批量需求，未來伴隨著人形機(jī)器人的成功量產(chǎn)，其市場(chǎng)需求更有望迎來大幅度增長(zhǎng)。
資料來源：MIR 睿工業(yè)，源達(dá)信息證券研究所
圖9：2023年中國(guó)?六維力傳感器下游行業(yè)分布
資料來源：MIR 睿工業(yè)，源達(dá)信息證券研究所
圖10：2023年中國(guó)六維力傳感器下游行業(yè)增速
（四）國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)格局
中國(guó)六維力傳感器市場(chǎng)集中度較高，CR5（前五大廠商市場(chǎng)份額）超過50%。其中，美國(guó)ATI占據(jù)22.4%的市場(chǎng)份額，位居首位；中國(guó)宇立儀器以12.2%的比例排名第二；日本Epson占比6.4%，中國(guó)藍(lán)點(diǎn)觸控和坤維科技分別占比4.8%和4.7%。
2023年，中國(guó)六維力傳感器市場(chǎng)中外資廠商出貨量占比依然高達(dá)67.9%。然而，隨著國(guó)產(chǎn)企業(yè)技術(shù)實(shí)力和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的持續(xù)提升，預(yù)計(jì)在2024-2027年期間，國(guó)產(chǎn)六維力傳感器的出貨占比將從當(dāng)前的34.7%顯著提升至54.7%，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)份額的快速增長(zhǎng)。
資料來源：MIR 睿工業(yè)，源達(dá)信息證券研究所
圖11：2023年中國(guó)六維力傳感器廠商梯隊(duì)分布
五、結(jié)語(yǔ)
傳感器是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人感知功能的核心部件之一，而六維力傳感器因其能夠精準(zhǔn)感知多方向力與力矩，在機(jī)器人與自動(dòng)化領(lǐng)域中具有不可替代的地位。目前，六維力傳感器處于快速發(fā)展階段，技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)需求的擴(kuò)大推動(dòng)人形機(jī)器人進(jìn)入規(guī)?；慨a(chǎn)階段，同時(shí)伴隨著工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程的持續(xù)提速，六維力傳感器的市場(chǎng)需求將迎來顯著增長(zhǎng)。這種需求增長(zhǎng)不僅將推動(dòng)傳感器成本的逐步下降，還將加速生產(chǎn)工藝的優(yōu)化和技術(shù)的迭代升級(jí)，使六維力傳感器邁向更加成熟和高效的應(yīng)用階段。
參考文獻(xiàn)
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