當前機器人應用越來越聚焦于機器人與環(huán)境發(fā)生交互的場景，如打磨拋光、柔順裝配、醫(yī)療康復等，因此對機器人柔順控制的需求快速增長。

　　對于人形機器人而言，柔順控制對于復雜地形的通過能力、人機柔順交互能力也非常重要。力矩和位置結合，機器人可以實現(xiàn)更加柔性的控制。

　　六維力傳感器作為新型傳感器已被工信部納入重點發(fā)展的核心零部件范疇，有望受益人形機器人的高速發(fā)展而帶來廣闊空間。

　　六維力矩傳感器行業(yè)概覽

　　力矩傳感器，也被稱為扭矩傳感器，是一種能夠感知和測量力的關鍵部件。可以檢測各種旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機械部件上的扭轉(zhuǎn)力矩，并將這些物理變化轉(zhuǎn)化為電信號。

　　其具有出色的精度、快速的頻率響應、卓越的可靠性和長久的使用壽命。

　　特斯拉的Optimus人形機器人集成了多種力傳感器，具體包括14個力傳感器、14個力矩傳感器以及2或4個六維力矩傳感器。

　　相比于單軸力矩傳感器，多維力矩傳感器的技術難度更大。

　　除了需要解決對測量力分量的敏感性和一致性問題外，多維力傳感器還必須克服由結構加工和工藝偏差引起的維間(軸間)干擾問題、動靜態(tài)標定問題，以及矢量運算中的解耦算法和電路實現(xiàn)等挑戰(zhàn)。

　　除了人形機器人領域，多維力矩傳感器在工控、醫(yī)療、航空航天等高精度力控場景中，力矩傳感器也發(fā)揮著不可或缺的作用。

　　Optimus中使用的力矩傳感器：

　　六維傳感器，作為維度最高的力覺傳感器，相較于其他維度的傳感器，其提供的信息最為全面，其技術難度和使用難度都相對較大。

　　六維傳感器不僅可以同時測量沿三個坐標軸方向的力，還能測量繞這三個坐標軸方向的力矩，從而給出物體在空間中的完整力覺信息。

　　與三維力傳感器相比，六維力傳感器在力的測量準確性上具有顯著優(yōu)勢。其能夠消除彎矩對力測量的干擾，確保測量結果更加精確可靠，因此也更具實際應用價值。

　　六維力矩傳感器結構圖：

資料來源：國際工業(yè)自動網(wǎng)

　　六維力傳感器不僅能提供力的信息，還可以獲得內(nèi)部受力的姿態(tài)，在人形機器人手腕中得到了廣泛應用，極大地便利了抓取操作。

　　根據(jù)不同的傳感元件，六維力矩傳感器可以分為應變片式、光學式和壓電/電容式三種。

　　目前，大部分的六維力矩傳感器都是基于應變片式進行測量。而基于電壓電容和光學原理的傳感器雖然已經(jīng)有了一定的理論研究和試驗，但在實際應用中尚未得到廣泛的下游應用。

　　六維傳感器的標定工作量遠大于一維：

　　六維力矩傳感器單價昂貴，根據(jù)e-motion supply和愛采購網(wǎng)站數(shù)據(jù)，ATI機器人用mini45、axia80 m8、nano43型號進口價格超過3萬元人民幣，大型傳感器omega191進口價格10.5萬元。

　　六維力矩傳感器競爭格局和龍頭梳理

　　六維力傳感器研發(fā)難度和壁壘相對較高。

　　其成本主要由應變片和人工加工成本構成。

　　其中，彈性體的制造和應變片的生產(chǎn)組裝是兩個關鍵環(huán)節(jié)，每個六維力矩傳感器通常需要使用約30-40個應變片。

　　國外在應變片的生產(chǎn)技術上較為領先，代表性的企業(yè)包括美國的Vishay、德國的HBM和日本的NMB。

　　國內(nèi)主要以金屬應變片為主，主要的供應商包括中航電測，該公司提供多種應變片、壓力傳感器和扭矩傳感器。

　　從全球六維力和力矩傳感器的市場格局來看，海外的力傳感器行業(yè)發(fā)展較早，因此在設計和制造方面具有深厚的技術積累。

　　主要的傳感器制造商包括ATI、Bota、Kistler等，機器人末端工具生產(chǎn)商則包括OnRobot、Robotiq等，后者主要與協(xié)作機器人廠商如優(yōu)傲等進行合作。

　　ATI和OnRobot等公司在該行業(yè)中已經(jīng)深耕多年，能夠?qū)崿F(xiàn)大量程、高精度和高準確性等性能優(yōu)勢。

　　ATI作為全球的行業(yè)龍頭，經(jīng)過多年的積累，其應用范圍相對更廣。根據(jù)zoominfo的數(shù)據(jù)，22年ATI的收入達到了8820萬美元，而國內(nèi)的大多數(shù)廠商尚未形成大規(guī)模的收入。

　　日韓的廠商如Wacoh-Tech、Robotous等主要為日本的機器人廠商如發(fā)那科、安川等提供配套服務。

數(shù)據(jù)來源：AMTI、ATI、JR3、FUTEK、HBM、Bota

　　六維傳感器的國產(chǎn)技術尚未完全實現(xiàn)突破，在軟硬件方面都存在諸多技術難點，導致價格居高不下，具備批量供應能力的廠商依然相對較少。

　　國內(nèi)企業(yè)規(guī)模普遍較小，龍頭企業(yè)如宇立儀器與ABB、kuka等合作緊密，其主要技術指標已接近國際一流水平。

　　六維傳感器國內(nèi)為數(shù)不多的布局廠商還包括柯力傳感、坤維科技(瀚川智能入股)、鑫精誠、海伯森(漢宇集團參股)、藍點觸控、神源生、瑞爾特等。

　　宇立儀器由美國FTSS原總工黃約博世創(chuàng)立，是安川電機、KUKA、ABB的力傳感器合作伙伴，其產(chǎn)品線涵蓋各種力矩傳感器、數(shù)據(jù)采集、力控打磨等，在工業(yè)機器人磨拋行業(yè)和汽車碰撞測試行業(yè)應用較多。

　　坤維科技則為節(jié)卡、遨博、越疆、思靈、大族等國內(nèi)協(xié)作機器人廠商供貨。

　　瀚川智能子公司參股坤維科技，公司在協(xié)作機器人、醫(yī)療手術機器人、醫(yī)療檢測機器人和康復機器人領域具有顯著優(yōu)勢。

　　柯力傳感是應變式傳感器的核心供應商，2022年應變式傳感器的產(chǎn)量達到了336.7萬只。而鑫精誠則憑借其蘋果供應商的身份將其產(chǎn)品推廣至3C領域，并在機器人和醫(yī)療行業(yè)有所布局。

　　六維力傳感器廠商及競爭格局：

資料來源：GGII

　　結語

　　預計未來幾年，六維力矩傳感器的市場需求將會快速增長。一方面，隨著人形機器人在醫(yī)療、軍事、服務等領域的應用不斷擴大，對于傳感器的需求也將不斷增加。另一方面，隨著技術的不斷進步和成本的降低，六維力矩傳感器的生產(chǎn)規(guī)模也有望進一步擴大。

　　展望未來，未來的人形機器人需要具備更高的運動精度、更靈敏的反應速度以及更強大的負載能力，而六維力矩傳感器是實現(xiàn)這些需求的重要組成部分。

　　六維力矩傳感器作為人形機器人的關鍵零部件，有望迎來高速發(fā)展。