何為六維力傳感器，在人形機(jī)器人中發(fā)揮什么作用？

12月13日，特斯拉Optimus官方發(fā)布Optimus-Gen2視頻。Optimus-Gen2與上一代相比外形出現(xiàn)較大改變，硬件方面新增腳部力&扭矩傳感器和手部觸覺傳感器，腳部具有腳趾和鞋子，運(yùn)動(dòng)速度提升30%，靈巧手具有11自由度，所有手指均具備感知觸覺。

從宣傳視頻的介紹看，新增的觸覺傳感器、力傳感器以及更強(qiáng)大的平衡感知能力是特斯拉第二代Optimus人形機(jī)器人的主要亮點(diǎn)。人形機(jī)器人傳感器檢測(cè)對(duì)象不同分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器，其中內(nèi)部傳感器是用來(lái)感知機(jī)器人的自身狀態(tài)的傳感器，比如位置、速度、加速度；外部傳感器是用以感受機(jī)器人周圍環(huán)境、目標(biāo)物的狀態(tài)信息的傳感器，比如視覺、觸覺、聽覺、嗅覺、溫度、力覺等。

人形機(jī)器人中，對(duì)柔順控制要求高的手腕和腳踝使用六維力傳感器，用于準(zhǔn)確獲取驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)和肢體末端觸感力學(xué)信號(hào)的感知，以及防摔倒等功能，而身體的其他關(guān)節(jié)則使用關(guān)節(jié)扭矩傳感器。

六維力傳感器能夠同時(shí)測(cè)量沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向的力和繞三個(gè)坐標(biāo)軸方向的力矩，是維度最高的力傳感器，能夠給出最全面的力覺信息。相較于低維力傳感器，六維力傳感器的技術(shù)難度和使用難度高，但對(duì)于機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈的智能裝配和以及人形機(jī)器人的精密場(chǎng)景應(yīng)用非常重要。

在優(yōu)必選的Walker機(jī)器人介紹中，手腕和腳腕出總共搭載了4個(gè)六維力傳感器。優(yōu)必選招股書披露Walker機(jī)器人主要成本是六維力傳感器，單價(jià)超過(guò)1.5萬(wàn)元，總價(jià)達(dá)到6萬(wàn)元，而其他環(huán)境傳感器單價(jià)較低約僅為0.4元。

何為六維力傳感器，為何單價(jià)那么高，在人形機(jī)器人中又發(fā)揮著怎么樣的作用？下面筆者將和大家一起探討和學(xué)習(xí)，共同揭開它神秘的面紗。

Part

1

六維力傳感器介紹

01. 原理

力矩傳感器是一種用于測(cè)量物體所受到的力矩或扭矩的傳感器。力矩是繞軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的力的效果，可以是靜態(tài)力矩（未產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的力矩）或動(dòng)態(tài)力矩（產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的力矩）。力矩傳感器的作用是將物體的力矩轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而可以進(jìn)行測(cè)量、監(jiān)測(cè)和控制。

六維力測(cè)量的需求最早來(lái)自航空航天飛行器研究領(lǐng)域，安裝在飛行器內(nèi)部的六維力傳感器用來(lái)測(cè)量飛行器的空氣動(dòng)力學(xué)特性，包括飛行器的升力、阻力、側(cè)向力、俯仰力矩、偏航力矩和滾轉(zhuǎn)力矩，逐漸應(yīng)用到汽車測(cè)試、生物力學(xué)、機(jī)器人等領(lǐng)域。

按照測(cè)量維度，力覺傳感器可以分為一至六維力傳感器。在指定的直角坐標(biāo)系內(nèi)，傳感器如果能同時(shí)測(cè)量沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向的力和繞三個(gè)坐標(biāo)軸方向的力矩，這類力覺傳感器我們就稱它為六維力傳感器，或者六軸力傳感器。

表|不同力的維度測(cè)量原理

來(lái)源：坤維科技公眾號(hào)，與非研究院整理

六維力傳感器的內(nèi)部算法，會(huì)解耦各方向力和力矩間的干擾，使力的測(cè)量更為精準(zhǔn)。高精準(zhǔn)度的六維力器，可以確保在六維度聯(lián)合承載的情況下，測(cè)量值偏差在量程的0.3%FS以內(nèi)。

圖|機(jī)器人末端關(guān)節(jié)

來(lái)源：坤維科技公眾號(hào)

機(jī)器人末端關(guān)節(jié)上使用的六維力傳感器一般還要連接一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，比如是打磨頭、夾爪、靈巧手等，執(zhí)行器工作過(guò)程中的力臂在幾十到兩三百mm之間，力臂較大且隨機(jī)變化。因此機(jī)器人上的力覺傳感器一般采用六維力傳感。

02.?分類

按照壓力原件分類，硅應(yīng)變片式力傳感器性能最優(yōu)，壓電式轉(zhuǎn)換元件主要應(yīng)用在非六維力傳感器中。根據(jù)轉(zhuǎn)換元件的不同，傳感器主要分為應(yīng)變式力傳感器、光學(xué)式傳感器以及壓電式力傳感器：

應(yīng)變式力傳感器：采用的是硅應(yīng)變片或金屬箔，壓電式傳感器可分為電容和壓電兩種。其原理都是轉(zhuǎn)換元件應(yīng)變片隨力敏元件同時(shí)發(fā)生形變，導(dǎo)致自身電阻值、電壓差、光柵變化，通過(guò)電信號(hào)反應(yīng)力和力矩的改變。硅應(yīng)變片能夠保持高剛度、穩(wěn)定性和信噪比，缺點(diǎn)是成本較高、制作工藝復(fù)雜；

光學(xué)式元件：測(cè)量范圍較廣、抗電磁干擾能力強(qiáng)，但缺點(diǎn)是剛性偏弱，并且對(duì)環(huán)境的要求較高；

壓電/電容式元件：擁有高靈敏度和高分辨率，并且環(huán)境適用性較強(qiáng)，但缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，信號(hào)漂移難以抑制。

03.?技術(shù)壁壘

六維力矩傳感器的技術(shù)壁壘體現(xiàn)在：結(jié)構(gòu)耦合設(shè)計(jì)、標(biāo)定校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)精確采集、解耦算法四個(gè)方面。

在六維力矩傳感器標(biāo)定過(guò)程中，采用三個(gè)方向的力和三個(gè)方向的力矩同時(shí)加載的方式，就叫做六維聯(lián)合加載標(biāo)定，需要標(biāo)定的樣本點(diǎn)就達(dá)到了 9 的 6 次方，即 531441 個(gè)。

圖|樣本空間比較圖

六維聯(lián)合加載設(shè)備是高精度六維力傳感器研發(fā)和生產(chǎn)的必要條件。它可以對(duì)力覺傳感器實(shí)現(xiàn)正交三個(gè)方向力和三個(gè)方向力矩的同時(shí)精確加載，只有在傳感器標(biāo)定和檢測(cè)過(guò)程中采用這種六維聯(lián)合加載的方式，才能實(shí)現(xiàn) 0.5%FS 準(zhǔn)度。設(shè)備無(wú)標(biāo)品可以采購(gòu)，靠廠家純自研獲得。

圖|線性模型VS非線性模型

04. 成本

六維力矩傳感器單價(jià)昂貴是六維力矩傳感器無(wú)法廣泛普及的重要原因之一。ATI 旗下機(jī)器人常用的 mini45、axia80 m8、nano43 型號(hào)產(chǎn)品進(jìn)口價(jià)格全都超過(guò)3萬(wàn)元人民幣，大型傳感器 omega191進(jìn)口價(jià)格在10.5萬(wàn)元。國(guó)產(chǎn)廠商海伯森產(chǎn)品標(biāo)價(jià)為 4.5萬(wàn)元，優(yōu)必選采用的單價(jià)1.5萬(wàn)元。

六維力矩傳感器成本：BOM+貼片+研發(fā)+其他，應(yīng)變片成本占比最大。應(yīng)變片式六維力矩傳感器性能最優(yōu)，我們以此類傳感器為例分析其成本結(jié)構(gòu)：

BOM：彈性體（特種鋼材）+應(yīng)變片（硅、金屬）+PCB 板+粘合膠（環(huán)氧樹脂等）。海外高端力傳感器主要使用硅應(yīng)變片：根據(jù)邊灣貿(mào)易和竑浜電子數(shù)據(jù)，在分別除去運(yùn)、稅費(fèi)后，硅應(yīng)變片龍頭 KYOWA 的 KFWB 型號(hào)應(yīng)變片和 HPI 的 HFP-12- 063ZPW 應(yīng)變片的價(jià)格分別為 696 元/片和 1148 元/片。彈性體、PCB 板以及粘合膠價(jià)格相對(duì)較為便宜。

貼片：目前國(guó)內(nèi)外六維力矩傳感器廠商都依賴人工在顯微鏡下完成手動(dòng)貼片、焊接操作。華蘭海外售人工貼片服務(wù)，根據(jù)其官網(wǎng)數(shù)據(jù)，一臺(tái)傳感器的貼片人工費(fèi)用為1000元/臺(tái)左右。

研發(fā)：彈性體設(shè)計(jì)、貼片仿真、標(biāo)定檢測(cè)、解耦算法以及六維聯(lián)合加載設(shè)備的技 術(shù)開發(fā)都需要大量的研發(fā)成本。

其他：軟件算法、六位聯(lián)合加載設(shè)備制造（固定成本）與設(shè)備維修、折舊等成本。

05. 市場(chǎng)空間

圖|我國(guó)六維力/力矩傳感器銷量

來(lái)源：GGII數(shù)據(jù)、中航證券研究所

根據(jù)GGII數(shù)據(jù)，2022年我國(guó)六維力/力矩傳感器銷量4840套，同比增長(zhǎng)62.58%，預(yù)計(jì)2023年銷量有望突破6700套，同比增速40%左右。目前六維力矩傳感器的應(yīng)用下游以機(jī)器人（工業(yè)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人）、醫(yī)療領(lǐng)域?yàn)橹鳎磥?lái)人形機(jī)器人有望打開六維力矩傳感器的應(yīng)用新空間。

Part

2

國(guó)內(nèi)主要六維力傳感器企業(yè)介紹

01. 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(yíng)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(guò)程監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、科研測(cè)試測(cè)量等領(lǐng)域提供力覺測(cè)量解決方案及相關(guān)產(chǎn)品。

傳感器主體內(nèi)置嵌入式采集系統(tǒng)對(duì)應(yīng)變片的電壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，轉(zhuǎn)換為實(shí)際承受的載荷值，以數(shù)字信號(hào)形式進(jìn)行輸出。

表|坤維科技六維力產(chǎn)品列表

來(lái)源：坤維科技官網(wǎng)、與非研究院整理

坤維科技六維力產(chǎn)品覆蓋11 大系列，尺寸覆蓋直徑36mm~116mm，厚度18mm~47mm，量程覆蓋30N~8000N，1.5Nm ~8000Nm。

02. 宇立儀器

SRI宇立儀器是集研發(fā)、生產(chǎn)為一體的技術(shù)密集型企業(yè)，公司主營(yíng)多軸力傳感器、力控打磨設(shè)備和汽車測(cè)試設(shè)備，圍繞力測(cè)量和力控制，為全球客戶提供系列化的解決方案。多軸力傳感器包括六維力傳感器、三維力傳感器、一維力傳感器和關(guān)節(jié)扭矩傳感器。力控打磨設(shè)備包括iGrinder智能浮動(dòng)力控、力控打磨工具和成套的機(jī)器人智能打磨設(shè)備。汽車測(cè)試設(shè)備包括汽車耐久測(cè)試力傳感器、汽車碰撞假人力傳感器、碰撞力墻和輔助駕駛測(cè)試系統(tǒng)ADAS。

SRI擁有27項(xiàng)專利，取得了ISO9001質(zhì)量體系認(rèn)證和CNAS實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證。SRI擁有30多年傳感器設(shè)計(jì)和力控經(jīng)驗(yàn)，100% 自主研發(fā)及生產(chǎn)技術(shù)，傳感器型號(hào)超過(guò)500種，實(shí)際應(yīng)用超過(guò)2000例，60000多SRI傳感器全球服務(wù)進(jìn)行中。

客戶遍布世界各地，涵蓋汽車、機(jī)器人自動(dòng)化和醫(yī)療等領(lǐng)域，典型客戶包括全球大部分汽車企業(yè)、美敦力Medtronic、ABB、KUKA、YASKAWA和高校研究所等。

圖|宇立儀器發(fā)展歷程

來(lái)源：宇立儀器官網(wǎng)

表|宇立系列六維力傳感器

來(lái)源：宇立儀器官網(wǎng)、與非研究院整理

宇立儀器六維力產(chǎn)品覆蓋9大系列，尺寸覆蓋直徑15mm~1500mm，厚度5mm~110mm，量程覆蓋25N~600000N，0.5Nm ~9000Nm。宇立儀器量程覆蓋范圍最廣。

03. 海伯森

海伯森技術(shù)(深圳)有限公司2015年成立，公司始終專注工業(yè)傳感技術(shù)的創(chuàng)新，并在光學(xué)精密測(cè)量、工業(yè)2D/3D檢測(cè)、機(jī)器人智能應(yīng)用等領(lǐng)域形成了成熟的產(chǎn)品矩陣，主營(yíng)產(chǎn)品包括3D閃測(cè)傳感器、3D線光譜共焦傳感器、點(diǎn)光譜共焦位移傳感器、超高速工業(yè)相機(jī)和六維力傳感器等。目前公司全面布局海內(nèi)外市場(chǎng)，旨在為3C電子、工業(yè)自動(dòng)化、精密工件檢測(cè)、醫(yī)療、科研等行業(yè)領(lǐng)域提供精密智能傳感技術(shù)。

海伯森技術(shù)自主研發(fā)的六維力傳感器不僅被用于機(jī)器人的末端操縱裝置和夾具，而且還用于機(jī)器人的其他部分，例如軀干、手臂、腿和頭部等。這些特殊的力矩傳感器被用于監(jiān)測(cè)肢體快速運(yùn)動(dòng)、偵測(cè)障礙物并向機(jī)器人的中央處理器提供安全警示。例如，當(dāng)機(jī)器手臂中的力矩傳感器感測(cè)到機(jī)器手臂因碰撞到物體而出現(xiàn)突然及意外的外力時(shí)，其控制安全軟件能使手臂停止動(dòng)作并縮回其位置。具體應(yīng)用場(chǎng)景包括力反饋控制、柔性精密裝配、拖動(dòng)示教等。

海伯森六維力產(chǎn)品覆蓋6大系列，尺寸覆蓋直徑25mm~120mm，量程覆蓋150N~4000N，4Nm ~150Nm。

04. 藍(lán)點(diǎn)觸控

藍(lán)點(diǎn)觸控（北京）科技有限公司成立于2019年，是一家專注于智能機(jī)器人前沿力控技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)。作為一家提供機(jī)器人力傳感器硬件、力控算法、行業(yè)工藝算法的力控方案提供商，藍(lán)點(diǎn)觸控自主研發(fā)的核心部件已全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，已形成包括Wrist六維傳感器、Joint關(guān)節(jié)扭矩傳感器、力控工藝應(yīng)用軟件包等多個(gè)產(chǎn)品系列。通過(guò)深度整合柔性力控算法與工藝算法，藍(lán)點(diǎn)觸控已在醫(yī)療、衛(wèi)浴、航空航天、3C、汽車、重工等多個(gè)行業(yè)規(guī)?；涞?，應(yīng)用于打磨、裝配、醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人、焊接、工業(yè)自動(dòng)化、科研等眾多領(lǐng)域。

藍(lán)點(diǎn)觸控六維力產(chǎn)品覆蓋2大系列，尺寸覆蓋φ80 mm *H25.5 mm、φ60 mm *H27.5 mm，量程覆蓋150N ~3000N，6Nm ~40Nm。

05. 瑞爾特測(cè)控

瑞爾特核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)擁有20年德國(guó)先進(jìn)傳感器設(shè)計(jì)、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)國(guó)外各類測(cè)力稱重傳感器的結(jié)構(gòu)和材料特性的處理以及加工造詣?lì)H深。國(guó)外憑借德國(guó)力值測(cè)控專家技術(shù)的傳承，德國(guó)測(cè)力傳感技術(shù)創(chuàng)新者，不斷研發(fā)、生產(chǎn)精密微小型測(cè)力傳感器、高端動(dòng)態(tài)和靜態(tài)扭矩傳感器、六維力、三維力、多維力傳感器。同時(shí)提供包括風(fēng)洞、擰緊力、電動(dòng)起，電動(dòng)工具、六分量天平、橋梁、核電、貼片膜應(yīng)力分析、高速稱重測(cè)力數(shù)據(jù)采集、多通道數(shù)據(jù)采集等一系列專業(yè)技術(shù)服務(wù)。

高精度六軸力傳感器，采用高質(zhì)鋁合金和17-4PH 不銹鋼兩個(gè)大類原材料，強(qiáng)度高；并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，耦合低；內(nèi)部數(shù)字解耦，抗干擾能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人，自動(dòng)化設(shè)備，生物力學(xué)，汽車碰撞試驗(yàn)及耐久性試驗(yàn)。

3

總結(jié)

目前，六維力矩傳感器的應(yīng)用下游以工業(yè)、醫(yī)療機(jī)器人應(yīng)用為主，行業(yè)總體銷售規(guī)模不足萬(wàn)臺(tái)。標(biāo)定和檢測(cè)難道較大，設(shè)備研發(fā)費(fèi)用及人工貼片安裝成本高等因素，導(dǎo)致現(xiàn)階段銷售單價(jià)較高。

針對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，宇立儀器、坤維科技、海伯森、瑞爾特屬于行業(yè)第一梯隊(duì)，具體表現(xiàn)在三個(gè)方面：進(jìn)入行業(yè)相對(duì)較早，技術(shù)較為成熟，產(chǎn)品性能優(yōu)越，準(zhǔn)度誤差均能做到小于1%，且可進(jìn)行產(chǎn)品迭代升級(jí)；都具備一定的批量化生產(chǎn)和出貨能力；市占率位于行業(yè)前列，四家廠商出貨占整個(gè)行業(yè)出貨量50%以上。

未來(lái)2-3年，如果人形機(jī)器人銷量達(dá)到1萬(wàn)臺(tái)，對(duì)應(yīng)六維力傳感器銷量4萬(wàn)臺(tái)，平均每家廠商出貨達(dá)到1萬(wàn)臺(tái)水平，行業(yè)平均單價(jià)有望降低至2000-5000元，屆時(shí)將打開六維力矩傳感器的更多的場(chǎng)景應(yīng)用和市場(chǎng)空間。

審核編輯：黃飛