机器人产业深度（五）：机器人的触觉——六维力矩传感器

产业深度 产业研究中心 2023.09.15 作者：肖群稀 电话：0755-23976830 邮箱：xiaoqunxi027589@gtjas.com资格证书编号：S0880522120001 作者：鲍雁辛 电话：0755-23976830 邮箱：baoyanxin@gtjas.com 资格证书编号：S0880513070005 机器人产业深度（五）：机器人的触觉——六维力矩传感器 摘要： 六维力矩传感器，助力机器人的柔顺控制。随着机器人技术的快速发展，机器人应用越来越聚焦于机器人与环境发生交互的场景，如打磨抛光、柔顺装配、医疗康复等，对机器人柔顺控制的需求快速增长。对人形/四足机器人、外骨骼机器人而言，柔顺控制对于复杂地形的通过能力、人机柔顺交互能力也非常重要。力矩和位置结合，机器人可以实现更加柔性的控制。 预计2027年工业场景六维传感器需求为4.2万套，2022~2027年CAGR超过50%；当人形 机器人年销量达到100万台时，对六维力矩传感器的年需求为400~1600万套。与人工打磨相 往期回顾 制造业数字化转型投资框架：迈入工业数字化时代 2023.06.25 机器人产业深度（四）：机器人的眼睛— —3D工业视觉 2023.08.20 机器人产业深度（三）：机器人的关节— —精密执行器 2023.06.25 机器人产业深度（二）：AI大模型赋能人形机器人，迈向通用人工智能的一大步 2023.05.19 机器人产业深度（一）：机器人产业：技术奇点靠近，需求拐点来临 2023.03.05 比，机器人打磨能提高效率和产品良率，降低成本，机器人装配、抛光打磨场景渗透率进入快速 提升阶段。2022年中国六维力矩传感器销量/规模分别为8360套/2.39亿元，预计2027年将分别达到42000套/15亿元，CAGR分别为57.97%/52.04%。目前人形机器人主要将六维力矩传感器配置在手腕（2个）、脚踝（2个）处，如果成本大幅下降，灵巧手也有可能配置（12个），据此测算，当人形机器人年销量100万台时，六维力矩传感器年销量有望达到400~1600万套。 六维力矩传感器的技术壁垒：结构设计、标定校准、数据精确采集、解耦算法。六维力测量技术是个平台技术，根据应用场景的环境、载荷、安装、通讯、算力、动力学特性不同，在不同行业中体现出不同的产品形态。他的技术难度不是三个1维力传感器和三个扭矩传感器的简单叠加，而是一维力传感器难度的6次方，体现在：1）它的非线性力学特征明显，要考虑多通道信号的温漂、蠕变、交叉干扰、数据处理的实时性，2）六维联合加载标定的复杂性，3）解耦算法。 六维力矩传感器降本空间大，BOM成本中应变片占比最高，制造费用和研发费用占比高。六维力矩传感器单价昂贵，根据e-motionsupply和爱采购网站数据，ATI机器人用mini45、axia80m8、nano43型号进口价格超过3万元人民币，大型传感器omega191进口价格10.5万元。BOM成本中主要构成是应变片（占比最高，为24.2%-39.9%）、弹性体和敏感器件。此外，人工贴片费用、标定校准、研发费用占成本较高。随着市场规模扩大，成本有较大下降空间。 全球六维力和力矩传感器厂商主要分为欧美、日韩、国产三大阵营：1）欧美：包括传感器制造商如ATI、Bota、Kistler等和机器人末端工具生产商如OnRobot、Robotiq等，后者主要和优傲等协作机器人厂商合作。2）日韩：Wacoh-Tech、Robotous等，配套日本机器人厂商发那科、安川等。3）国内企业体量普遍较小，龙头企业宇立仪器与ABB、kuka合作紧密，主要技术指标靠近国际一流水平，如：欧美品牌过载值在量程5倍左右，ATIAxia80-Ure过载值在量程8倍，宇立仪器工业级传感器M43XX和机器人专用传感器M33XX达到10倍量程。测量准度方面：ATI通用型产品Axia-80在满量程的2%以内，宇立仪器的产品在满量程的3%以内。国内为数不多的六维力矩传感器厂商还有坤维科技、鑫精诚、海伯森（汉宇集团参股5.52%）、蓝点触控、神源生、瑞尔特等。核心零部件方面，国内以金属应变片为主，主要供应商有中航电测。 风险提示：1）产业进展低于预期；2）竞争环境恶化。 。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 目录 产业链梳理3 1.力矩传感器：机器人的触觉4 1.1力矩传感器：六维应力传感器壁垒最高，性能最优4 1.2六维力矩传感器准确度由串扰、精度、准度等性能决定5 1.3六维力矩传感器的技术壁垒：结构设计、标定校准、数据采集、耦合算法7 2.六维力矩传感器：应用场景扩展和需求弹性9 2.1工业场景：机器人装配、机器人抛光打磨的柔顺化控制9 2.2人形机器人：实现关节、手腕、灵巧手的力控感知12 2.3六维力矩传感器市场需求弹性测算13 2.4成本拆分：六维力矩传感器存在大幅降本空间15 3.六维力矩传感器供给格局：国内龙头厂商达到世界一流水平16 3.1六维力矩传感器形成欧美、日韩、国产三大阵营16 3.2主要厂商产品覆盖范围对比：产品系列有待进一步完善18 3.3主要厂商产品性能对比:与国际龙头存在差距18 风险提示20 图1：机器视觉产业链梳理 产业链梳理 数据来源：国泰君安证券研究 1.力矩传感器：机器人的触觉 1.1力矩传感器：六维应力传感器壁垒最高，性能最优 力矩传感器是一种用于测量物体所受到的力矩或扭矩的传感器。力矩是绕轴旋转时 的力的效果，可以是静态力矩（未产生旋转的力矩）或动态力矩（产生旋转的力矩）。力矩传感器的作用是将物体的力矩转化为电信号，从而可以进行测量、监测和控制。 图2：力和力矩传感器工作流程图 数据来源：ATI、国泰君安证券研究 按照压力原件分类，硅应变片式力传感器性能最优，压电式转换元件主要应用在非六维力传感器中。根据转换元件的不同，传感器主要分为应变式力传感器、光学式传感器以及压电式力传感器： 1）应变式力传感器：采用的是硅应变片或金属箔，压电式传感器可分为电容和压电 两种。其原理都是转换元件应变片随力敏元件同时发生形变，导致自身电阻值、电压差、光栅变化，通过电信号反应力和力矩的改变。硅应变片能够保持高刚度、稳定性和信噪比，缺点是成本较高、制作工艺复杂； 2）光学式元件：测量范围较广、抗电磁干扰能力强，但缺点是刚性偏弱，并且对环境的要求较高； 3）压电/电容式元件：拥有高灵敏度和高分辨率，并且环境适用性较强，但缺点是电路复杂，信号漂移难以抑制。 图3：应变式力传感器、光学式传感器、压电式力传感器的性能比较 数据来源：ATI、国泰君安证券研究 图4：不同转换元件类型力传感器的测量原理 类型 测量原理 应变片 应变片形变后自身电阻值变化 光学式 转换元件形变后通过光栅反映形变 电容式 形变后极距的变化导致电压变化 压电式 形变后改变电荷 数据来源：ATI、国泰君安证券研究 按照测量方向分类，六维力矩传感器是性能最优、技术壁垒最高的力矩传感器。按照测量方向分类，可分为一到六维力传感器。在笛卡尔坐标系中，单轴力传感器只能检测一个方向的力值，无法测量其他方向的分量；三维力传感器能够检测X、Y、Z三轴方向的垂直力，但需要保证Z轴方向与重力方向一致，否则力值测量容易引起误差。而六维力矩能够同时测量三个轴向力Fx、Fy、Fz和三个轴向力矩Mx、My、Mz，能够满足任何方向上力的检测，是功能最全面的力控传感器。 图5：六维力和力矩传感器笛卡尔坐标 数据来源：ATI机器人大讲堂、国泰君安证券研究 1.2六维力矩传感器准确度由串扰、精度、准度等性能决定 六维力传感器测量的准确度通常由串扰、精度、准度等性能决定。多维力传感器的 串扰指标，大概表明产品的耦合干扰情况。为了准确描述六维力传感器的测量误差水平，通常参考精度和准度两个指标： 1）串扰：用来衡量多维力传感器各测量方向间的耦合影响，可以反映测量误差水平， 是体现产品性能的关键指标之一。以六维力传感器为例，分别对六维力传感器的六个测量方向精确加载至各自的额定载荷，记录六个方向的测量结果，如下表格。载荷组1中，仅仅对Fx方向加载到额定载荷，并且假设加载方向和载荷值是非常准确的，所以Fx是100%FS，其它方向是0%FS。表格右侧Fy、Fz、Mx、My、Mz的测量结果就是在Fx作用下的串扰。因为此时Fy、Fz、Mx、My、Mz的理论真值都是0。Fy、Fz、Mx、My、Mz测量结果就体现了Fx对其它五个测量方向的耦合干扰情况。多维力传感器的厂商往往选择表格中的最大串扰值作为其datasheet中的串扰指标。比如，这张表格中的2.9%是串扰结果的最大值，就可以在产品手册里写“串扰≤3%”。 2）精度衡量的是测量结果之间的重复性。其检定方法是在相同环境条件下，在额定载荷范围内，进行多次重复联合加载相同一组载荷后，计算得到的传感器测量值的 标准差，并除以量程。 3）准度衡量的是测量结果与理论真值的偏离程度。其获得的方法是，对传感器进行多组多维联合加载，计算得到的传感器测量值与所加载荷理论真值之间的标准偏差，并除以量程。准度涵盖了滞后、线性、蠕变等误差因素，更能体现产品的综合性能，是多维力传感器最为核心的技术指标之一。 图6：串扰用来衡量各测量方向的耦合影响 数据来源：坤维科技 精度和准度的检定过程中，都需要对多维力传感器以其最高测量维度进行联合加载。例如，对于六维力传感器，每组检验载荷都必须是Fx、Fy、Fz、Mx、My及Mz的随机组合。这样获得的精度和准度，可以很清晰的评价传感器各测量方向在量程范围内的测量误差水品，比串扰指标更为实用。例如，如果说六维力传感器产品的准度优于0.5%FS，对于Fx的测量结果，在测量过程中不论Fy、Fz、Mx、My及Mz以什么样比例和绝对值对Fx进行干扰，Fx的测量结果与理论真值的偏差在0.5%FS以内。对于其它五分方向来说也是如此。高精准度的军用六维力器，可以确保在六维度联合承载的情况下，测量值偏差在量程的0.3%FS以内。 图7：精度和准度的统计意义 数据来源：坤维科技，注：假设理论真值是圆环的中心，黑点表示测量值。右上方图示就可以看出是准度高，精度也高 1.3六维力矩传感器的技术壁垒：结构设计、标定校准、数据采集、耦合算法 六维力矩传感器的技术壁垒体现在：结构耦合设计、标定校准、数据精确采集、解 耦算法四个方面。六维力测量技术是个平台技术，根据应用场景的环境、载荷、安装、通讯、算力、动力学特性等需求不同，六维力传感器在不同行业中体现出了不同的产品形态。六维力传感器研发难度也非常大，它不是三个1维力传感器和三个扭矩传感器结构的简单叠加，它的非线性力学特征明显，要考虑多通道信号的温漂、蠕变、交叉干扰、数据处理的实时性，加上六维联合加载标定的复杂性，六维力传感器的技术难度可以说是一维力传感器难度的6次方。 结构解耦设计：应变片式六维力矩传感器的弹性体结构设计是核心问题，传感器的结构受到其应用场合的限制，而力敏感元件的形式和布置直接影响传感器的灵敏度、刚度、动态性能、维间耦合等，很大程度上决定传感器性能的优劣。常见的结构设计包括竖梁、横梁等一体化结构以及Stewart并联平台。竖梁结构横向效应好、结构简单、承载能力强，但竖向效应差、维间干扰大、灵敏度较低；十字横梁结构灵敏度高、易加工，易于标定，但存在维间耦合和径向效应；Stewart平台中弹性体采用复合式结构，该类传感器具有结构紧凑、承载能力强、误差不累积等优点。 图8：六维力矩传感器结构设计 数据来源：《一种低耦合高精度六维力矩传感器设计及应用》 贴片位置调整和电桥组桥设计进一步消除耦合。特殊的结构设计能够大大地降低力敏元件的耦合变形，但其结构上的连续性导致结构耦合变形没有办法完全避免，因此还需要通过贴片和组桥来进一步消除耦合贴片。在弹性轴上，首先根据仿真得到的应变和结构表面位置相关性确定应变片贴片位置，再选择合适的应变片与基底材。基