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力傳感器是力控的關(guān)鍵部件，六維力傳感器測量最為全面精準(zhǔn)

1.1 六維力傳感器是維度最高的力覺傳感器

力覺傳感器，顧名思義就是感知并度量力的傳感器。按照測量維度，力覺傳感器 可以分為一至六維力傳感器。能測幾個(gè)維度，它就是幾維力傳感器。最常見的是 一維、三維和六維力傳感器，二維和五維的力傳感器較少。

（1） 一維力傳感器：如果力的方向和作用點(diǎn)是固定的，此時(shí)可以選擇用一維 力傳感器進(jìn)行測量。我們可以通過安裝定位，使被測量力 F 的方向完全 與標(biāo)定坐標(biāo)軸（OZ 軸）重合，這樣就可以對(duì)力進(jìn)行精確測量。代表產(chǎn)品 有稱重傳感器、壓力傳感器等。當(dāng)力的方向與傳感器的測量軸線平行但 不重合，此時(shí)傳感器的測量結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。

（2） 三維力傳感器：如果力 F 的作用點(diǎn) P 始終與傳感器的標(biāo)定參考點(diǎn) O 保持 重合，力 F 的方向在三維空間中隨機(jī)變化，那么用三維力傳感就能完成 測量任務(wù)。因?yàn)楸粶y量的力可以分解為三維力傳感器標(biāo)定坐標(biāo)系下的三 個(gè)正交分量（Fx、Fy、Fz），三維力傳感器的三個(gè)測量單元可以分別對(duì) 其進(jìn)行測量。當(dāng)力的作用點(diǎn)遠(yuǎn)離傳感器，這個(gè)力在經(jīng)過正交分解并平移 至三維力傳感器的校準(zhǔn)中心后，傳感器既要承受力 Fx/Fy/Fz 三分量的作 用，又要承受 Mx/My/Mz 三個(gè)彎矩的作用，這種情況下，三維力傳感器 的測量結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)較大偏差。

（3） 六維力傳感器：如果力的方向和作用點(diǎn)都在三維空間內(nèi)隨機(jī)變化，此時(shí) 應(yīng)該選擇用六維力傳感器進(jìn)行測量。因?yàn)榭臻g中任意作用點(diǎn)上的力可以 在六維力傳感器的標(biāo)定坐標(biāo)系內(nèi)，分解為沿標(biāo)定坐標(biāo)軸的三方向分力 （FX、FY、FZ）和繞標(biāo)定坐標(biāo)軸的三方向力矩（MX、MY、MZ）。這 類傳感器更適用于參考點(diǎn)的距離較遠(yuǎn)，且隨機(jī)變化情景，測量精度要求 較高。

六維力傳感器是維度最高的力覺傳感器，它能給出最為全面精準(zhǔn)的力覺信息。六維力傳感器，又叫六維力/力矩傳感器、六軸力傳感器、F/T 傳感器，是一種特 殊的力傳感器，能夠同時(shí)測量中性坐標(biāo)系（OXYZ）內(nèi)的三個(gè)力（FX、FY、FZ） 和三個(gè)力矩（MX、MY、MZ）。六維力傳感器一般分成固定端（機(jī)器人端）和 加載端（工具端），傳感器的內(nèi)部算法會(huì)解耦各方向力和力矩間的干擾，使力的 測量更為精準(zhǔn)。

根據(jù)傳感元件的不同，六維力/力矩傳感器主要分為: 應(yīng)變片式、光學(xué)式以及壓 電/電容式。目前，市場應(yīng)用的六維力/力矩傳感器大部分是基于應(yīng)變式的測量?；趬弘?、電容和光學(xué)等原理測量的傳感器有一定的理論研究和實(shí)驗(yàn)，下游尚未 得到廣泛應(yīng)用。每種類型的六維力傳感器都具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和適用范圍，隨著相關(guān)研究的不斷深入，不同測量機(jī)理的傳感器將會(huì)發(fā)揮自身優(yōu)勢被應(yīng)用到各種場 合，進(jìn)而推動(dòng)六維力傳感器向多元化方向發(fā)展。

經(jīng)過對(duì)穩(wěn)定性、剛度、動(dòng)態(tài)特性、成本與信噪比五個(gè)維度的比較，硅應(yīng)變傳感 器綜合性能優(yōu)異。硅應(yīng)變片的穩(wěn)定性、信噪比、動(dòng)態(tài)特性要好于金屬應(yīng)變片，剛 度上兩者差異不大，成本上金屬略優(yōu)，但這幾年硅應(yīng)變片的工藝有了提升和改進(jìn)， 綜合成本也在大幅降低。

六維力/力矩傳感器的研發(fā)難度非常大。它不是三個(gè)一維力傳感器和三個(gè)扭矩傳 感器結(jié)構(gòu)的簡單疊加，它的非線性力學(xué)特征明顯，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，再加之六維聯(lián)合加載標(biāo)定的復(fù)雜性 ，六維 力傳感器的技術(shù)難度可謂是一維力傳感器難度的六次方。

六維力傳感器面臨兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題：全方位機(jī)械過載保護(hù)和動(dòng)態(tài)性能。機(jī)械 過載保護(hù)是指作用到傳感器的力超過某一數(shù)值時(shí)，為避免傳感器損壞而增加的一 種附屬結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外學(xué)者也提出了基于不同結(jié)構(gòu)的機(jī)械過載保護(hù)裝置，但由于保 護(hù)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜且加工精度要求較高等限制，生產(chǎn)出具有全方位機(jī)械過載保護(hù)裝 置的六維力傳感器的成熟產(chǎn)品仍有難度。傳感器性能指標(biāo)包括靜態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng) 態(tài)性能指標(biāo)。在實(shí)際的力測量過程中，被測信號(hào)大多是動(dòng)態(tài)信號(hào)，如機(jī)器人打磨 拋光時(shí)的接觸力、物體高速運(yùn)動(dòng)過程中的稱重和炮彈發(fā)射過程時(shí)的后座力等信號(hào)， 這些信號(hào)屬于快速時(shí)變信號(hào)，動(dòng)態(tài)性能較差的傳感器很難跟蹤測量這些信號(hào)，所以必須在充分了解傳感器的動(dòng)態(tài)性能后方能選擇合適的傳感器來進(jìn)行測量。

除了優(yōu)化自身結(jié)構(gòu)、形狀等方法提高動(dòng)態(tài)性能外，一些國內(nèi)外學(xué)者利用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償濾波 器、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等智能算法來提高傳感器的動(dòng)態(tài)性能，取得了良好 的效果。國外對(duì)六維力/力矩傳感器的研究起步較早。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)六維力傳感器結(jié)構(gòu)都 做了大量的研究與改進(jìn)，目的是提高傳感器的靈敏度和抗過載能力，減少維間耦 合誤差，改善動(dòng)態(tài)性能，從而更好地輔助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化控制。

1.2 力傳感器是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)主動(dòng)柔順控制的核心部件

六維力測量技術(shù)屬于平臺(tái)型技術(shù)，根據(jù)應(yīng)用場景的環(huán)境、載荷、安裝、通訊、算 力、動(dòng)力學(xué)特性等需求不同，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，六維力傳感器的產(chǎn)品形態(tài)和技 術(shù)特點(diǎn)也有較大區(qū)別。目前，六維力傳感器主要應(yīng)用于汽車行業(yè)的碰撞測試、輪 轂、座椅等零部件測試以及航空航天、生物力學(xué)、醫(yī)療領(lǐng)域、科研實(shí)驗(yàn)、機(jī)器人 與自動(dòng)化等領(lǐng)域。

在汽車領(lǐng)域，六維力/力矩傳感器被廣泛地用在汽車部件和系統(tǒng)級(jí)測試、發(fā)動(dòng)機(jī) 和動(dòng)力總成測試、車輛和試驗(yàn)廠測試、總裝和最終測試。它們在確定新車和部件 設(shè)計(jì)的完整性和優(yōu)化方面都能發(fā)揮重要作用，同時(shí)還有助于保證效率、安全性和 正確的功能。航空航天領(lǐng)域是六維力傳感器最早的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，可用于測量風(fēng)洞試驗(yàn)、 飛機(jī)、衛(wèi)星、火箭等飛行器各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的六維力信息，通過這些信息，飛行 器可以更加準(zhǔn)確地感知環(huán)境，控制姿態(tài)，完成各項(xiàng)任務(wù)。隨著航空航天技術(shù)的不 斷發(fā)展和應(yīng)用的深入，六維力和力矩傳感器還可以用于飛機(jī)制造、飛行器著陸和 起飛過程的監(jiān)測、機(jī)械臂控制、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域。六維力傳感器的應(yīng)用能夠 提高航空航天系統(tǒng)的性能、安全性和可靠性。

在醫(yī)療手術(shù)和康復(fù)領(lǐng)域，手術(shù)機(jī)器人的力感知可作為力反饋的依據(jù)以提升手術(shù)的 安全性。根據(jù)臨床場景的不同，手術(shù)機(jī)器人主要分為腔鏡機(jī)器人、骨科機(jī)器人、 穿刺機(jī)器人、經(jīng)自然腔道機(jī)器人、泛血管機(jī)器人等五類機(jī)器人。目前，協(xié)作機(jī)械 臂+六維力傳感器的組合已廣泛應(yīng)用于血管介入手術(shù)機(jī)器人、外科手術(shù)機(jī)器人、 醫(yī)療檢測機(jī)器人及遠(yuǎn)程操控機(jī)器人等;中國手術(shù)機(jī)器人行業(yè)處于早期發(fā)展階段， 增長潛力較大。根據(jù) GGII預(yù)計(jì)，未來 3-5年，骨科機(jī)器人和泛血管手術(shù)機(jī)器人將 占手術(shù)機(jī)器人市場的 20%以上。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的深入，六維力傳感 器在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景將會(huì)更加廣闊，六維力傳感器產(chǎn)品將逐漸成為類似應(yīng)用 場景中的剛需。

柔順控制可解決很多傳統(tǒng)位置控制難以解決的問題，有利于擴(kuò)展機(jī)器人的功能。在許多交互任務(wù)中需要機(jī)器人與對(duì)象或環(huán)境發(fā)生接觸，兩者接觸時(shí)，會(huì)在接觸面 之間產(chǎn)生相互作用力，只靠位置控制可能導(dǎo)致很大的誤差。由于采用位置控制的機(jī)器人可通過結(jié)構(gòu)化環(huán)境的設(shè)置，依靠快速、精準(zhǔn)的位置控制預(yù)設(shè)編程完成“固 定軌跡”的任務(wù)。而在執(zhí)行接觸任務(wù)時(shí)，末端執(zhí)行器與規(guī)劃軌跡之間的微小偏差 就可能導(dǎo)致機(jī)械臂與物體表面脫離接觸或在接觸面上施加過強(qiáng)的壓力；對(duì)于機(jī)器 人的高剛性結(jié)構(gòu)，微小的位置誤差可能會(huì)導(dǎo)致非常大的作用力甚至災(zāi)難性的后果。所以為了實(shí)現(xiàn)交互任務(wù)，機(jī)器人需要表現(xiàn)出柔順性。柔順力控主要是從力傳感器 獲得力信號(hào)，再將其轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的控制信號(hào)，使機(jī)器人響應(yīng)此信號(hào)而動(dòng)作。

人機(jī)協(xié)作要以機(jī)器人的柔順控制作為前提。當(dāng)與機(jī)器人產(chǎn)生交互的外界環(huán)境發(fā)生 改變，機(jī)器人應(yīng)對(duì)這種改變產(chǎn)生順應(yīng)性變化，這就是所謂的柔順性。如讓機(jī)器人 末端執(zhí)行器在受到環(huán)境擾動(dòng)時(shí)能保持與環(huán)境的恒定接觸力，或是機(jī)器人順應(yīng)操作 人員施加的外部牽引力，以運(yùn)動(dòng)到操作人員期望的位置。柔順控制主要分為主動(dòng)柔順控制和被動(dòng)柔順控制。被動(dòng)柔順控制主要依靠一些機(jī) 械裝置（如減震器、彈簧等）使機(jī)器人表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境的柔順特性，主動(dòng)柔順控制 依靠控制策略令末端產(chǎn)生需要的剛度、阻尼或力作用以達(dá)到柔順的目的。在實(shí)際 應(yīng)用中，僅有少數(shù)的機(jī)器人在與環(huán)境接觸中具有非常有限的主動(dòng)柔順能力。

(1) 被動(dòng)柔順控制：借助某些機(jī)械裝置的物理上的柔順性，對(duì)接觸力產(chǎn)生被動(dòng) 的適應(yīng)。如彈簧、阻尼等構(gòu)成的柔順裝置，可以靠彈簧形變吸收或者阻尼損 耗機(jī)器人與環(huán)境產(chǎn)生接觸時(shí)產(chǎn)生的能量。但當(dāng)前被動(dòng)柔順控制方法在應(yīng)用效 果上仍存在著多種不足，如結(jié)構(gòu)剛度降低、機(jī)器人關(guān)節(jié)的重量增長、結(jié)構(gòu)的 復(fù)雜性增加。在此背景之下，主動(dòng)柔順控制則成為了現(xiàn)今研究者們開展柔順 控制研究的首要方式。

(2) 主動(dòng)柔順控制：需要機(jī)器人獲取對(duì)力信息和位置信息的反饋，利用力與位 置的反饋信息結(jié)合相應(yīng)算法去主動(dòng)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)或者作用力。機(jī)器人實(shí)現(xiàn) 主動(dòng)柔順控制的方式主要有力/位混合控制、零力控制和阻抗控制這三種控 制理論。

力/位混合控制：這種理論模型有位置反饋環(huán)和力反饋環(huán)，機(jī)器人在進(jìn)行任 務(wù)的過程中，可以把機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作空間分解為位置、力兩個(gè)相 互正交且獨(dú)立的子空間。在力空間內(nèi)，通過力控制方法確保實(shí)際接觸力最大 程度的接近期望接觸力；在位置空間內(nèi)，通過位置控制方法保證機(jī)器人能夠 沿期望軌跡運(yùn)動(dòng)，通過力和位置控制策略協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)末端作用力 的主動(dòng)柔順控制過程。

零力控制：直接示教又稱拖動(dòng)示教是目前人機(jī)協(xié)作的主要方式之一，即人 類操作者直接通過手動(dòng)拖動(dòng)機(jī)器人來進(jìn)行示教任務(wù)。而零力控制便是實(shí)現(xiàn)機(jī) 器人拖動(dòng)示教的最核心技術(shù)。目前零力控制主要有兩種實(shí)現(xiàn)方法：基于位置 的零力控制以及基于直接力矩控制的零力控制。

阻抗控制：根據(jù)機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置（或速度）和接觸力之間的對(duì)應(yīng) 關(guān)系，通過控制器調(diào)整位置（速度）誤差或剛度系數(shù)來控制機(jī)器人末端執(zhí)行 器的接觸力。阻抗控制理論根據(jù)控制原理可以分為基于位置的阻抗控制（導(dǎo)納控制） 和基于力的阻抗控制。

六維力/力矩傳感器是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)柔順化、智能化操作的關(guān)鍵傳感設(shè)備。只具有 位置反饋將難以滿足柔順控制的需要，在機(jī)器人控制中加入力反饋環(huán)節(jié)勢在必行。機(jī)器人力覺傳感器是模仿人類四肢關(guān)節(jié)功能的機(jī)器人獲得實(shí)際操作時(shí)的大部分力 信息的裝置，是機(jī)器人主動(dòng)柔順控制必不可少的，它直接影響著機(jī)器人的力控制 性能。在機(jī)器人力控解決方案中，目前應(yīng)用最為廣泛的力覺傳感器就是六維力傳 感器。

目前，六維力傳感器主要用于檢測、預(yù)防、控制、示教、測量、保護(hù)等場景，通 常安裝在機(jī)器人的底座或者末端，可以提供應(yīng)用過程中的力交互信息，對(duì)于下游 客戶而言有效且可靠的數(shù)據(jù)至關(guān)重要。

未來，人形機(jī)器人力控技術(shù)的發(fā)展將呈現(xiàn)出多信息融合(觸覺、力覺和視覺等)， 主要通過配備(AI、視覺、力覺傳感器等)傳感器得以實(shí)現(xiàn)，尤其在手腕、腳踝關(guān) 節(jié)等處更適用六維力矩傳感器，這將為六維力傳感器在人形機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用 帶來巨大的發(fā)展空間。

1.3 力傳感器與電流環(huán)的區(qū)別

目前市面上絕大部分執(zhí)行器的力控方式分為兩種：一為電流環(huán)力控，一為傳感 器閉環(huán)力控。電流環(huán)力控是一種比較容易實(shí)現(xiàn)的常規(guī)力控方式，主要通過調(diào)節(jié)電 機(jī)內(nèi)部電流大小實(shí)現(xiàn)力控，實(shí)現(xiàn)難度較低，可以實(shí)現(xiàn) 5%-15%精度范圍內(nèi)力控；但其運(yùn)動(dòng)速度慢，不能反向傳動(dòng)，無法滿足一些精度要求更高的場景需求，使用 一段時(shí)間后，機(jī)械磨損會(huì)帶來誤差，精度進(jìn)一步降低。電流環(huán)適用于直驅(qū)電機(jī) (Direct DriveMotor) 或者帶小減速比 (Reduction Ratio < 10)的應(yīng)用場景，諸如小型 阻抗控制的人機(jī)交互的機(jī)械臂和小型四足等。

電流環(huán)以提高電流的穩(wěn)定性能來提高系統(tǒng)性能，是一種將輸出電流采用正反饋 或負(fù)反饋的方式接入處理環(huán)節(jié)的方法。環(huán)路間相互作用，對(duì)信號(hào)進(jìn)行匯總、分析、 修正，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制。當(dāng)力矩來到減速器端并嘗試推動(dòng)減速器反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于靜摩擦力的作用，減速 器無法轉(zhuǎn)動(dòng)。因而需要繼續(xù)增大外力矩直至超過減速器的最大靜摩擦力，減速機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)并推動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)電流環(huán)才感知到外力矩。進(jìn)一步，電流環(huán)通過 電流反饋和辨識(shí)的動(dòng)力學(xué)模型估計(jì)外力。

電流環(huán)根據(jù)實(shí)現(xiàn)原理，分為開環(huán)力控和閉環(huán)力控兩類。開環(huán)力控直接讓機(jī)器人工 作在力矩模式下，電機(jī)提供機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所需的重力，摩擦力，慣性力等。這樣用 戶只需很小的外力即可讓機(jī)器人按照所需的軌跡運(yùn)動(dòng)。閉環(huán)力控會(huì)存在如下一個(gè) 力反饋回路，它通過算法估計(jì)出用戶的牽引力矩， 再通過阻抗控制，讓電機(jī)輸 出一個(gè)輔助力矩，幫助用戶拖動(dòng)機(jī)器人，完成示教工作。由于反饋回路的存在， 它對(duì)機(jī)器人建模和系統(tǒng)辨識(shí)的精度要求較低。電流環(huán)一般處在運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)（三環(huán)控制系統(tǒng)）中最內(nèi)層，向外依次為速度環(huán) 和位置環(huán)，這三環(huán)構(gòu)成 3 個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋 PID（比例、積分、微分）調(diào)節(jié)系統(tǒng)。最內(nèi)的 PID 環(huán)就是電流環(huán)，電流環(huán)是控制的根本，任何模式都必須使用。此環(huán)完全 在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部進(jìn)行，通過霍爾裝置檢測驅(qū)動(dòng)器給電機(jī)的各相的輸出電流，負(fù) 反饋給電流的設(shè)定進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)，從而達(dá)到輸出電流盡量接近等于設(shè)定電流，電 流環(huán)是控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的，所以在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)算最小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)最快。環(huán)路間相互作用，對(duì)信號(hào)進(jìn)行匯總、分析、修正，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制。伺服 電機(jī)可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，按照位置、力矩或速度指令精確地控制 機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，內(nèi)嵌的編碼器將伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，完成閉 環(huán)控制。

電流環(huán)、力矩傳感器/六維力傳感器均是實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的自適應(yīng)柔性控制的方案。就二者對(duì)比而言，電流環(huán)其優(yōu)點(diǎn)在于成本低，不需要額外的傳感設(shè)備，而缺點(diǎn)在 于精度較低，響應(yīng)較慢，適用場景有限。力矩傳感器是性能更佳，但成本相對(duì)更 高的方案。響應(yīng)精度和速度上，電流環(huán)力控比力矩傳感器要低。力矩傳感器感知中，施加在 連桿上的外力能夠直接傳導(dǎo)到傳感器上，而電流環(huán)感知?jiǎng)t是力矩通過傳感器后， 持續(xù)向后傳遞到減速器端，當(dāng)外力矩增大到超過減速器的最大靜摩擦力時(shí)，減速 器轉(zhuǎn)動(dòng)再向電機(jī)傳導(dǎo)信號(hào)，電流環(huán)才能夠感知到外力矩。由于減速器的靜摩擦力， 需要較大的外力，電流環(huán)才能檢測到外力變化，而力矩傳感器能夠較快地檢測到 外力的變化。

從應(yīng)用場景來說，電流環(huán)力控更適合應(yīng)用于低精度要求場景，力矩傳感器性能 則更為領(lǐng)先。電流環(huán)力控的弊端是機(jī)械臂的減速比要比較小，輕負(fù)載，精度差 （低精度要求場景下的協(xié)作機(jī)器人可能運(yùn)用)。力矩傳感器/六維力傳感器控制精 度好，感知精度高，完全獨(dú)立，控制的電流波動(dòng)都能感覺到。

02

力傳感器市場有望持續(xù)增長，歐美日韓占據(jù)主導(dǎo)地位

2.1 力傳感器市場規(guī)模超過 150億美元，我國六維力矩傳感器市場尚小

根據(jù) Modor Intelligence 數(shù)據(jù)，2020 年力傳感器市場價(jià)值為 151.21 億人民幣。根 據(jù) Modor Intelligence 預(yù)測，2026 年力傳感器市場價(jià)值將達(dá)到 198.49 億人民幣， 2021-2026 年預(yù)測期間的復(fù)合年增長率為 4.63%。力傳感器已成為工業(yè)機(jī)器人的 關(guān)鍵特性，使它們能夠與任務(wù)無關(guān)并與人類一起安全地運(yùn)行。這些傳感器改進(jìn)了 聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。自動(dòng)化的采用已經(jīng)改變了全球格局，因?yàn)檫@些傳 感器已成為所有自動(dòng)化設(shè)備的關(guān)鍵，在所有操作中提供準(zhǔn)確性和精度。

目前市場上的力傳感器產(chǎn)品組合在產(chǎn)品供應(yīng)方面非常標(biāo)準(zhǔn)化。盡管市場具有滿 足大量應(yīng)用的潛力，但市場參與者的產(chǎn)品非常有限。

數(shù)據(jù)顯示，2022 年中國市場六維力/力矩傳感器機(jī)器人行業(yè)銷量 4840 套，同比增 長 62.58%；2022 年中國六維力/力矩傳感器機(jī)器人行業(yè)市場規(guī)模 1.56 億元，同比 增長 54.35%。目前，六維力和力矩傳感器市場基數(shù)依然偏小，尚未形成明顯規(guī) 模效應(yīng)。隨著入局者的持續(xù)增加，疊加下游細(xì)分市場認(rèn)知的逐年提升以及應(yīng)用領(lǐng) 域的拓展，六維力和力矩傳感器有望進(jìn)入高速成長期，期間將伴隨多技術(shù)路線產(chǎn) 品矩陣的完善、產(chǎn)品價(jià)格的下降以及國產(chǎn)化率的提升。

2.2 國外企業(yè)占據(jù)六維力傳感器核心市場

多維力矩傳感器的技術(shù)壁壘較高，美日企業(yè)先發(fā)優(yōu)勢明顯，國內(nèi)仍處產(chǎn)業(yè)早期。因技術(shù)壁壘較高，國內(nèi)可量產(chǎn)的企業(yè)較少，美日企業(yè)先發(fā)優(yōu)勢明顯。從代表企業(yè) 分布來看，全球六維力/力矩傳感器主要分為日韓品牌、歐美品牌和國產(chǎn)品牌三 大陣營。各陣營企業(yè)呈現(xiàn)不同的配套特點(diǎn)，日韓地區(qū)六維力/力矩傳感器廠商主要配套當(dāng) 地機(jī)器人本體廠商，其中，韓國企業(yè) Robotous、Aidin Robotics 主要合作廠商包 括 Doosan Robotics、Neuromeka 和 Rainbow Robotics；日本企業(yè) Sintokogio 和 WACOH-TECH 主要合作廠商包括發(fā)那科、電裝、三菱、那智不二越、安川等。

歐美地區(qū)六維力/力矩傳感器廠商可分為兩類：一類是傳統(tǒng)的傳感器生產(chǎn)商，包 括 ATI、Bota Systems AG、ME-Meßsysteme GmbH、AMTl、Kistler 等；另一類是 全球知名的機(jī)器人末端工具生產(chǎn)商，主要有 SCHUNK、OnRobot、Robotiq 等， 歐美地區(qū)廠商合作企業(yè)以協(xié)作機(jī)器人本體廠商為主，主要包括優(yōu)傲機(jī)器人、達(dá)明 機(jī)器人和歐姆龍等。受益于機(jī)器人市場需求催化，中國六維力（矩）傳感器市場近年來入局者逐年 增加，但受限于該領(lǐng)域的高技術(shù)壁壘，真正具備批量化產(chǎn)品供應(yīng)能力的廠商依 然偏少。目前，國產(chǎn)六維力/力矩傳感器與外資主流傳感器在靈敏度、串?dāng)_、抗 過載能力及維間耦合誤差等方面仍存在差距。近幾年，入局六維力/力矩傳感器領(lǐng)域的國產(chǎn)相關(guān)廠商越來越多，除了宇立儀器（SRI）之外，如坤維科技、鑫精誠、海伯森、藍(lán)點(diǎn)觸控、神源生智能、瑞爾特測控等，均已有相關(guān)的產(chǎn)品落地并 進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。其他廠商如重慶魯班機(jī)器人技術(shù)研究院、昊志機(jī)電、埃力智能 等，通過自主研發(fā)力傳感器技術(shù)，已經(jīng)具備六維力/力矩傳感器的生產(chǎn)能力，部 分產(chǎn)品型號(hào)開始進(jìn)入下游用戶的驗(yàn)證測試階段。

根據(jù) 2022 年國內(nèi)市場銷量口徑看 ATI、宇立儀器、坤維科技、鑫精誠位于第一 梯隊(duì)，各家廠商下游應(yīng)用的側(cè)重有所差異。ATI 作為全球龍頭，經(jīng)過多年的積累， 應(yīng)用面相對(duì)更廣；宇立在工業(yè)機(jī)器人磨拋行業(yè)和汽車碰撞測試行業(yè)應(yīng)用更多；坤維科技在協(xié)作機(jī)器人、醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人、醫(yī)療檢測機(jī)器人和康復(fù)機(jī)器人域具備明 顯優(yōu)勢，同時(shí)其產(chǎn)品在航空航天領(lǐng)域具備行業(yè)核心競爭力；鑫精誠憑借蘋果供應(yīng) 商的身份已將其產(chǎn)品推入到 3C 行業(yè)，同時(shí)在機(jī)器人行業(yè)和醫(yī)療行業(yè)也有布局。

智研咨詢測算，2022 年海外進(jìn)口拋光打磨機(jī)器人產(chǎn)品數(shù)量占總裝機(jī)量比例約為 55.9%，近年來這一比例一直呈下降趨勢。國內(nèi)廠商憑借價(jià)格優(yōu)勢，以及研發(fā)創(chuàng) 新，正逐漸獲得市場話語權(quán)。

（1） ATI，ATI 成立于 1985 年，在美洲、歐洲和亞洲等地曾擁有超過 3,700 名員工，2005 年 營業(yè)額為 22 億美元，是一家專門設(shè)計(jì)與銷售適用于個(gè)人電腦的顯示卡、圖形處 理器、芯片組、機(jī)頂盒、數(shù)字電視、電子游戲機(jī)和手提式設(shè)備等的無廠半導(dǎo)體公 司。ATI 多軸力/力矩傳感器系統(tǒng)測量全部六個(gè)力和力矩。系統(tǒng)包括一個(gè)傳感器，高柔 性屏蔽電纜，智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，Ethernet/DeviceNet連接或 F/T控制器。力/力矩 傳感器被廣泛的應(yīng)用與各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，如產(chǎn)品測試，機(jī)器人裝配，打磨和拋光等。在研究領(lǐng)域被用于外科手術(shù)機(jī)器人，仿生機(jī)器人，康復(fù)機(jī)器人，以及神經(jīng)學(xué)等其 他不同的應(yīng)用中。

（2） ROBOTOUS，ROBOTOUS 是一家位于韓國城南市的專業(yè)機(jī)器人技術(shù)公司，成立于 2004 年。公 司商業(yè)領(lǐng)域含有機(jī)器人業(yè)務(wù)和微泡業(yè)務(wù)，機(jī)器人業(yè)務(wù)涉及電容式 6軸力/扭矩傳感 器、國防部無人搜索車遙控系統(tǒng)、移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)（自動(dòng)駕駛）、機(jī)器人自動(dòng)化 系統(tǒng)、智能工廠（制藥、口罩工廠等）、其他應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)（ODM、OEM）和 服務(wù)?；趧?chuàng)新的 F/T 傳感器技術(shù)，ROBOTOUS 將成為智能工廠和協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用的 主要傳感器供應(yīng)商。ROBOTOUS 標(biāo)準(zhǔn)模型陣容將通過增加一個(gè)迷你型和兩個(gè)高 扭矩容量的模型來擴(kuò)大。F/T 數(shù)據(jù)分析解決方案將在靜力學(xué)、人工智能技術(shù)、用 戶界面的基礎(chǔ)上得到加強(qiáng)，使公司的客戶能夠輕松、快速地使用高級(jí) F/T 傳感器 技術(shù)。ROBOTOUS 已經(jīng)開始與一個(gè)協(xié)作型機(jī)器人制造商合作開發(fā)三種類型的關(guān) 節(jié)扭矩傳感器。

公司的 6 軸力扭矩傳感器（RFT 系列）提供了最精確的力和扭矩測量。由于是電 容型傳感器的特性，RFT 系列是最耐用和最具性價(jià)比的傳感器，同時(shí)承諾良好的 數(shù)據(jù)讀取能力。與電阻、光學(xué)等其他類型的力扭矩傳感器相比，非接觸式傳感結(jié) 構(gòu)具有超乎想象的抗磨損能力，并且與其他類型的傳感器不同，不需要任何繁瑣 的外部信號(hào)放大設(shè)備。

世界各地的許多客戶一直在自動(dòng)化和研究應(yīng)用中廣泛使用 ROBOTOUS 的傳感器， 例如：醫(yī)療、工程、軍事、制藥等。ROBOTOUS 六軸力矩傳感器的設(shè)計(jì)可與目 前市場上的大多數(shù)機(jī)器人手臂或其他類型的協(xié)作機(jī)器人配合使用，無需事先進(jìn)行 任何修改。公司的傳感器不僅適用于制造業(yè)，也適用于醫(yī)療或康復(fù)設(shè)備，甚至適 用于無人機(jī)行業(yè)。

ROBOTOUS 還設(shè)立力矩傳感器的數(shù)據(jù)解決方案。RFTDAQ-001 軟件包可以直接 和同時(shí)對(duì)RFT機(jī)器人力矩傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯編和分析。這個(gè)數(shù)據(jù)集被處理后， 可以得到參考數(shù)據(jù)，用于機(jī)器人力矩傳感器的現(xiàn)場數(shù)據(jù)評(píng)估。參考數(shù)據(jù)用于與獲 得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以尋找數(shù)據(jù)集中的任何異常情況。這對(duì)檢驗(yàn)或檢查制造過程 特別有用，這在 QC/QA 工作中是不可缺少的。

03

國內(nèi)核心力傳感器公司介紹

多維力矩傳感器相比于單軸力矩傳感器技術(shù)壁壘較高，多維力傳感器不僅要解決 對(duì)所測力分量敏感的單調(diào)性和統(tǒng)一性難題外，也要解決因結(jié)構(gòu)加工和工藝偏差引 起的維間（軸間）擾亂難題、動(dòng)靜態(tài)標(biāo)定難題以及矢量運(yùn)算中的解耦算法和電路 實(shí)現(xiàn)等。業(yè)內(nèi)比較知名的企業(yè)包括宇立儀器、坤維科技、昊志機(jī)電、柯力傳感、 漢威科技、中航電測等。

(1) 宇立儀器

宇立儀器有限公司（Sunrise Instruments，簡稱 SRI），公司主營多軸力傳感器和 機(jī)器人智能力控打磨設(shè)備(六軸力傳感器/iGrinder 智能浮動(dòng)磨頭/六維力傳感器/三 軸力傳感器/機(jī)器人關(guān)節(jié)扭矩傳感器/多維力傳感器/機(jī)器人打磨/力控打磨/打磨拋 光去毛刺），是一家集生產(chǎn)、研發(fā)于一體的技術(shù)密集型企業(yè)。六軸力傳感器能夠 測量 FX、FY、FZ、MX、MY 和 MZ。宇立儀器是全球領(lǐng)先的六軸力傳感器供應(yīng) 商。產(chǎn)品應(yīng)用于機(jī)器人及自動(dòng)化、汽車碰撞測試、汽車耐久測試、生物力學(xué)和通 用試驗(yàn)設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域。自 2007 年以來，SRI 設(shè)計(jì)生產(chǎn)了 9 大系列，200 多個(gè)型 號(hào)的多軸力傳感器，從一軸至六軸，都有相應(yīng)的產(chǎn)品。

(2) 坤維科技

常州坤維傳感科技有限公司成立于 2018 年，是一家致力于提供高精度力覺傳感 器（六軸力傳感器）及力控解決方案的企業(yè)。公司主營智能力覺傳感器的研發(fā)、 制造、銷售、及技術(shù)推廣，開發(fā)面向機(jī)器人及其他智能裝備行業(yè)的力覺傳感器產(chǎn) 品，為機(jī)器人及其它智能裝備、工業(yè)過程監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量檢測、科研測試測量等 領(lǐng)域提供力覺測量解決方案及相關(guān)產(chǎn)品。公司具有多年航天科研經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)全部來自于國內(nèi)航天科研機(jī)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)掌握 力覺測量核心技術(shù)，具備相關(guān)產(chǎn)品的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在多軸力測量領(lǐng)域有大量的 工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。公司不斷在產(chǎn)品的研發(fā)上精益求精，憑借優(yōu)秀的產(chǎn)品技術(shù)已獲得 多項(xiàng)發(fā)明專利。2020 年 11 月，瀚川智能通過全資子公司蘇州瀚海皓星投資管理 有限公司入股常州坤維傳感科技有限公司。截至目前，瀚川智能對(duì)常州坤維傳感 科技有限公司的持股比例達(dá) 4.56%。

(3) 昊志機(jī)電

廣州市昊志機(jī)電股份有限公司成立于 2006 年，是一家專業(yè)從事中高端數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、新能源汽車核心功能部件等的研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、銷售與維修服務(wù)的 國家高新技術(shù)企業(yè)。昊志機(jī)電秉承“立足自主技術(shù)創(chuàng)新、服務(wù)全球先進(jìn)制造”的發(fā)展戰(zhàn)略，逐步發(fā)展成 為國內(nèi)外主軸專業(yè)領(lǐng)域中研產(chǎn)銷規(guī)模最大的企業(yè)之一，電主軸領(lǐng)域全球市場占有 率第一， 公司立足主軸行業(yè)，借助在研發(fā)、制造、客戶、品牌等方面的積累， 穩(wěn)步向數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人等高端裝備的核心功能部件領(lǐng)域橫向擴(kuò)張，目前產(chǎn) 品涵蓋 PCB鉆孔機(jī)/成型機(jī)/劃片機(jī)電主軸、數(shù)控金屬/玻璃雕銑機(jī)電主軸、數(shù)控車 床主軸/電主軸、走芯車床電主軸、直結(jié)與皮帶式機(jī)械主軸、加工中心電主軸、 鉆攻中心電主軸、高速內(nèi)/外圓磨床主軸等數(shù)十個(gè)系列上百種產(chǎn)品。

昊志機(jī)電擁有一批經(jīng)驗(yàn)豐富、銳意創(chuàng)新的科技型人才隊(duì)伍，研發(fā)人員 380 余人， 具備優(yōu)異的創(chuàng)新水平、研發(fā)實(shí)力和競爭力，近三年平均研發(fā)投入占營收比重的 8% 以上，截止 2021 年 12 月 31 日，公司及境內(nèi)子公司合計(jì)擁有專利 514 項(xiàng)，公司收 購的 Infranor 集團(tuán)擁有主要專利共計(jì) 55 項(xiàng)。公司具備完善、齊全的各類高端實(shí)驗(yàn) 室，包括：理化實(shí)驗(yàn)室、軸承實(shí)驗(yàn)室、測量實(shí)驗(yàn)室、電機(jī)實(shí)驗(yàn)室、綜合性能實(shí)驗(yàn) 室、切削實(shí)驗(yàn)室、直線電機(jī)實(shí)驗(yàn)室、減速機(jī)實(shí)驗(yàn)室等。

(4) 柯力傳感

寧波柯力傳感科技股份有限公司（以下簡稱“柯力傳感”）成立于 1995 年，位 于寧波市江北區(qū)投資創(chuàng)業(yè)園區(qū)，是目前全球稱重領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)與推廣應(yīng)用的主 要引領(lǐng)者之一，也是中國重要的稱重元件制造及銷售企業(yè)之一和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè) 開拓者之一。主要研制和生產(chǎn)各類物理量傳感器、稱重儀表、電子稱重系統(tǒng)、工 業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)成套設(shè)備，提供不停車檢測系統(tǒng)、建筑機(jī)械物聯(lián)網(wǎng)（含干粉砂漿）、 無人值守一卡通、智能物流設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)、環(huán)保設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)、智能消費(fèi)設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)、 畜牧業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、車載物聯(lián)網(wǎng)、港機(jī)及海洋工程裝備物聯(lián)網(wǎng)等工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及場 景應(yīng)用解決方案，同時(shí)提供專業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)軟件定制服務(wù)，建有“稱重設(shè)備數(shù)據(jù)中 心”、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中心及 26 個(gè)實(shí)驗(yàn)室。

柯力傳感在電阻應(yīng)變式傳感器積累深厚，具有拓展至機(jī)器人力矩傳感器新藍(lán)海市 場的潛力。公司為應(yīng)變式力傳感器龍頭，根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì) 22 年 中國應(yīng)變式傳感器產(chǎn)量及需求量分別達(dá)到 1122.6/1211.2 萬只?？铝鞲?2022 年 應(yīng)變式傳感器產(chǎn)量為 336.7 萬只，市占率達(dá) 30%。應(yīng)變式傳感器精度高、技術(shù)成 熟成本低、測量范圍廣，有望在機(jī)器人力矩傳感器中使用。柯力傳感作為國內(nèi)電 阻應(yīng)變式傳感器龍頭，產(chǎn)品囊括 17 個(gè)品類，其中包括兩款扭矩傳感器?？铝鞲性陔娮钁?yīng)變式傳感器有較深厚積累，有進(jìn)入機(jī)器人力矩傳感器新藍(lán)海市場的潛 力。

(5) 漢威科技

漢威科技集團(tuán)股份有限公司于 1998 年 09 月 11 日成立。公司經(jīng)營范圍包括：研 究、開發(fā)、生產(chǎn)銷售電子傳感器；電子監(jiān)控技術(shù)開發(fā)；研究、開發(fā)、生產(chǎn)、銷售 檢測儀器及控制系統(tǒng)、機(jī)械電器設(shè)備等。漢威科技戰(zhàn)略眼光較為前瞻，2016 年以來通過股權(quán)收購，累計(jì)持有蘇州能斯達(dá) 56.5%股權(quán)。通過股權(quán)控制，公司掌握了 4大核心技術(shù)、7大產(chǎn)品系列，以及一條 1000 萬支柔性傳感器的印刷線和組裝線。產(chǎn)品下游應(yīng)用廣泛，機(jī)器人領(lǐng)域?qū)?推進(jìn)中。漢威科技目前下游應(yīng)用主要圍繞消費(fèi)電子、 IOT 和醫(yī)療健康領(lǐng)域。機(jī)器 人應(yīng)用方面，蘇州能斯達(dá)研發(fā)的多模態(tài)柔性微納傳感器能很好的實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器的 識(shí)別、反饋、交互功能。

(6) 中航電測

中航電測為國內(nèi)智能軍民用智能測控龍頭。公司是主導(dǎo)生產(chǎn)電阻應(yīng)變計(jì)、傳感器、 電子衡器、汽車安全檢測線、人造寶石及其晶體制品和扭矩扳子為一體的多元化 現(xiàn)代企業(yè)。公司擁有國際水平的設(shè)計(jì)能力、接近國際水平的工藝裝備及工藝制造 技術(shù)，在國內(nèi)中高端應(yīng)變計(jì)和傳感器市場占據(jù)主導(dǎo)地位；公司還被認(rèn)定為“陜西 省高新技術(shù)企業(yè)”，產(chǎn)品被評(píng)為“陜西省名牌產(chǎn)品”。公司生產(chǎn)的產(chǎn)品行銷歐洲、 亞洲、南美洲和北美洲，成為中國國內(nèi)最大的衡器部件生產(chǎn)企業(yè)，是世界上電阻 應(yīng)變計(jì)、稱重傳感器最大的供貨商之一。

2018-2021 年，中航電測的營業(yè)收入、歸母凈利分別從 13.88/1.56 億元增長至 19.43/3.07 億元，期間 CAGR 分別達(dá)到+11.85%/+25.26%。2022 年中航電測受到 乘用車檢測行業(yè)政策調(diào)整影響，并加大研發(fā)投入，營收、凈利潤有下滑。中航電 測具有多款應(yīng)變片、壓力傳感器、扭矩傳感器。根據(jù)中航電測 2022 年年報(bào)披露， 中航電測傳感控制業(yè)務(wù)開始進(jìn)軍機(jī)器人業(yè)務(wù)，未來有望受益人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈對(duì) 于力傳感器的需求放量。