六維力矩傳感器產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展 人形機器人打開應(yīng)用新場景

隨著機器人技術(shù)的快速發(fā)展，機器人應(yīng)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(fù)等，對機器人柔順控制的需求快速增長。對人形/四足機器人、外骨骼機器人而言，柔順控制對于復(fù)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(jié)合，機器人可以實現(xiàn)更加柔性的控制。

力矩傳感器又稱扭矩傳感器，可在各種旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機械部件上對扭轉(zhuǎn)力矩感知進(jìn)行檢測，將扭力的物理變化轉(zhuǎn)化為精確的電信號，具有精度高、頻響快、可靠性好、壽命長等優(yōu)點。力矩傳感器是機械臂的關(guān)鍵部件之一，可為機械臂提供實時的力和力矩信息，實現(xiàn)機械臂對操作對象的力感知，從而協(xié)助機械臂完成精細(xì)和智能的操作任務(wù)。

人形機器人中，六維力矩傳感器主要用在對柔順控制要求高的手腕和腳踝。按照測量維度，力矩傳感器可分為一至六維力矩傳感器，其中一維傳感器、三維傳感器和六維傳感器最為常見。六維力傳感器也被稱為六軸力/力矩傳感器、F/T傳感器，用于精確測量X、Y、Z三個方向的力信息和Mx、My、Mz三個維度的力矩信息。人形機器人中，對柔順控制要求高的手腕和腳踝或?qū)⑹褂昧S力矩傳感器，而身體的其他關(guān)節(jié)將使用關(guān)節(jié)扭矩傳感器（單維）。

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：

1）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發(fā)生形變，導(dǎo)致自身電阻值、電壓差、光柵變化，通過電信號反應(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，缺點是成本較高、制作工藝復(fù)雜；

2）光學(xué)式元件：測量范圍較廣、抗電磁干擾能力強，但缺點是剛性偏弱，并且對環(huán)境的要求較高；

3）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，但缺點是電路復(fù)雜，信號漂移難以抑制。

不同轉(zhuǎn)換元件類型力傳感器的測量原理

數(shù)據(jù)來源：觀研天下數(shù)據(jù)中心整理

根據(jù)觀研報告網(wǎng)發(fā)布的《中國六維力矩傳感器行業(yè)現(xiàn)狀深度研究與發(fā)展前景分析報告（2025-2032年）》顯示，六維力測量的需求最早來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測量飛行器的空氣動力學(xué)特性，逐漸應(yīng)用到汽車測試、生物力學(xué)、機器人等領(lǐng)域。隨著機器人技術(shù)的不斷進(jìn)步，機器臂在噴涂、上下料、分揀、碼垛、焊接等應(yīng)用場景中的技術(shù)已經(jīng)相對成熟。

我國形成了比較完善的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)鏈，已具備從上游核心零部件到中游本體制造再到下游系統(tǒng)集成的全產(chǎn)業(yè)鏈自主生產(chǎn)能力。近年來，在國家政策的推動下，中國工業(yè)機器人產(chǎn)量得到快速增長。2024年中國規(guī)上工業(yè)機器人產(chǎn)量55.6萬套，同比增長14.2%。

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從2024年中國工業(yè)機器人市場銷量結(jié)構(gòu)來看，六軸機器人銷量占比為63.97%；SCARA機器人銷量占比為23.86%；協(xié)作機器人銷量占比為10.53%；并聯(lián)機器人銷量占比為1.64%。

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六維力矩傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域，主要包括工業(yè)機器人、人形機器人、汽車、電子、醫(yī)療、航空航天等。機器人是六維力矩傳感器的重要應(yīng)用領(lǐng)域。2023年12月，特斯拉發(fā)布OptimusGen2的更新視頻。視頻顯示，六維力矩傳感器于應(yīng)用于Optimus的手腕及腳踝處，使Optimus結(jié)構(gòu)更簡潔，對力的感知和控制效果更好。

在人形機器人領(lǐng)域，大致分為以下三個方向做硬件層面的力傳感器與力反饋測量：1）電流環(huán)：通過電機的電流閉環(huán)做力閉環(huán)反饋控制，適用于直驅(qū)電機或者帶小減速比的應(yīng)用場景，如小型阻抗控制的人機交互的機械臂和小型四足，MITCheetah等；2）力/力矩傳感器:直接使用六維力/力矩傳感器。在人型機器人之中，通常將力/力矩傳感器安裝在：1)腳掌與踝關(guān)節(jié)之間；2)機械手與腕關(guān)節(jié)之間；3）彈性體:設(shè)計彈性體集成在驅(qū)動器對外輸出端之前，往往會形成SEA，通過彈性體形變測量力矩，往往適用于人型機器人集成度較高和驅(qū)動器輸出力矩要求較高的應(yīng)用場合。

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全球六維力和力矩傳感器廠商主要分為歐美、日韓、國產(chǎn)三大陣營：1）歐美地區(qū)廠商：可分為傳統(tǒng)傳感器制造商如ATI、Bota、Kistler等和全球知名機器人末端工具生產(chǎn)商如OnRobot、Robotiq等，后者主要和本地區(qū)協(xié)作機器人廠商合作，包括優(yōu)傲機器人、達(dá)明機器人等。2）日韓廠商：六維力和力矩傳感器廠商主要有Wacoh-Tech、Robotous等，主要配套本地區(qū)機器人廠商發(fā)那科、安川等。3）國內(nèi)廠商：以宇立儀器為代表，已經(jīng)在全球市場開始和歐美、日韓廠商同臺競技，國內(nèi)廠商還有坤維科技、鑫精誠、海伯森、藍(lán)點觸控、神源生智能、瑞爾特測控等。

全球主要六維力和力矩傳感器廠商

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2007年，宇立儀器成立，成為我國唯一具有汽車碰撞假人多軸力傳感器生產(chǎn)能力的企業(yè)，將多維力傳感器引入汽車耐久試驗領(lǐng)域，與上汽、大眾等車企展開合作，解決了這個領(lǐng)域卡脖子的問題。業(yè)務(wù)領(lǐng)域從汽車碰撞假人拓展至工業(yè)、手術(shù)機器人等，同時進(jìn)軍機器人智能打磨行業(yè)。坤維科技2018以航空航天六維力矩傳感器技術(shù)起家，主營工業(yè)自動化、醫(yī)療、航空航天、工業(yè)測試等領(lǐng)域的力控解決方案。宇立儀器擁有六維力和力矩傳感器機械加工、貼片、焊接等全流程完整自主知識產(chǎn)權(quán)，生產(chǎn)工藝獲得CNAS認(rèn)證，同美國規(guī)范一致。

國內(nèi)主要力矩傳感器生產(chǎn)廠商

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六維力矩傳感器廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車測試、生物力學(xué)和機器人等眾多科技領(lǐng)域，行業(yè)出貨量持續(xù)走高。2023年中國六維力矩傳感器行業(yè)出貨量約為0.95萬臺，2024年約達(dá)到1.12萬臺。

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六維力矩傳感器單價昂貴，根據(jù)e-motionsupply和愛采購網(wǎng)站數(shù)據(jù)，ATI旗下機器人常用的mini45、axia80m8、nano43型號產(chǎn)品進(jìn)口價格全都超過3萬元人民幣，大型傳感器omega191進(jìn)口價格在10.5萬元。國產(chǎn)廠商海伯森產(chǎn)品標(biāo)價為4.5萬元，F(xiàn)UTEK實驗用大型六維力傳感器價格在10萬-20萬之間。

不同六維力矩傳感器價格比較

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隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，對六維力傳感器的需求也在不斷增加。六維力傳感器是實現(xiàn)柔順與智能化控制的關(guān)鍵，尤其在力控精度要求高的場景中至關(guān)重要。隨著AI技術(shù)發(fā)展和政策扶持，人形機器人商業(yè)化進(jìn)程加快，預(yù)計2025年后市場將迅速擴張。盡管人形機器人處于起步階段，預(yù)測其滲透率超過20%后將爆發(fā)式增長。人形機器人規(guī)模增長潛力巨大，將成為六維力傳感器未來最具潛力的應(yīng)用場景之一。

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