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人形机器人关键传感器：力传感器解析
糖芯儿 / 01月07日 12:56 发布
特斯拉人形机器人Optimus量产在即。根据特斯拉计划，将会在2025年启动Optimus机器人的限量生产阶段，初期产量将保持较低水平，主要用于特斯拉内部的运营需求，预计2025年量产千台级Optimus机器人，2026年Optimus机器人将进入大规模生产阶段。 国内方面，优必选、宇树、傅立叶、智元、乐聚等人形机器人本体厂商引领产业进程；华为、小鹏、小米、广汽集团等加码布局人形机器人赛道，重量级玩家不断增多加速产业高速发展。 从人形机器人供应链来看，本体、灵巧手、丝杠、减速器、传感器、电机等都是值得重点关注的高价值环节。 其中，传感器是人形机器人感知层关键零部件。人形机器人所用传感器包括力/力矩传感器、触觉传感器、视觉传感器等，本文重点梳理力/力矩传感器环节。 01 力传感器行业概览 力传感器是检测和度量力的装置，由力敏元件、转换元件和信号处理单元等具体元件组成。 根据感力原理的不同，力传感器主要分为应变式、光学式、电容式和压电式几类。 整体来看，电容传感器的成本优势明显、光学传感器动态特性优势突出、压电传感器的刚度和动态特性较优。 而硅应变传感器在稳定性、信噪比以及动态特性等方面有较大优势，是当前的主流技术。 按照测量维度的不同，力传感觉器可以分为一维至六维力传感器。 从主流的传感器的测量维度来看，一、三、六维力矩传感器为常见产品，二、五维力矩的相对较少。 而测量维度的数量越多，产品生产难度越大。 其中，六维力矩传感器壁垒最高，且产品定价较高。 人形机器人对力传感器需求明确，以特斯拉人形机器人Optimus为例，关节使用扭矩传感器和拉力传感器，手腕和脚腕关节使用六维力传感器，能够同时测量三维空间中的三个力分量和三个力矩分量，为机器人提供全面的力觉信息。 02 六维力传感器
六维力传感器是实现精细化力控制的核心零部件。在人形机器人的末端安装六维力传感器，可以获取力传感器往后段的力觉信息。 例如，智元机器人公司的远征A2W内置六维力传感器，配备两个高精度力控7自由度双臂，定位于工厂柔性制造场景，对比单一位置控制方式，可以基于力控进行更精细化控制。 与单维力传感器相比，多维力传感器除了要解决对所测力分量敏感的单调性、一致性问题外，还需解决因结构加工和工艺误差引起的维间干扰问题、动静态标定问题以及矢量运算中的解耦算法和电路实现等，对设备和材料要求较高，研发制造难度远高于单维力传感器。 另外，六维力传感器还存在全方位机械过载保护、温度漂移和稳定性控制、多通道信号及实时数据处理和传感器融合等技术壁垒。 六维力传感器所需应变片数量也是单维力传感器的数倍，叠加生产难度大，其成本远高于单维力矩传感器。 应用领域来看，六维力传感器早期应用场景以航天领域的空间机械臂为主，目前六维力矩传感器的应用下游以机器人、医疗领域为主，未来人形机器人有望打开六维力矩传感器的应用新场景。 03 六维力传感器市场格局
目前六维力传感器市场基数偏小，尚未形成明显规模效应。 全球市场格局来看，国外老牌厂商众多，欧美国家起步较早。 ATI率先开发出六维力和力矩传感器，能够测量XYZ三个方向的力和力矩。在全球六维力传感器市场中，ATI占据较大的市场份额，是众多机器人和自动化设备制造商的首选供应商。 此外，AMTI、Epson、Schunk、Kistler等海外厂商在灵敏度、串扰等方面也具有领先优势。 国内方面来看，早期我国研发团队多为国防军工和科研院所，受益于机器人市场需求催化，市场近年来入局者也在逐年增加。 整体来看，六维力传感器市场格局较为集中，前十厂商合计份额达约70%。 其中国外企业如ATI等仍占据较大份额，国内厂商中，宇立仪器、蓝点触控、坤息、鑫精诚、海伯森等具备较强竞争力，部分指标对标海外产品，柯力传感、昊志机电、安培龙、神源生智能、瑞尔特测控等公司近年来也加速布局。 未来人形机器人批量应用带来的降本需求，六维力/力矩传感器国内供应商产业闭环有望逐步实现，国内供应链有望加速实现国产替代。乐晴智库精选
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