何為六維力傳感器，在人形機器人中發揮什么作用？

12月13日，特斯拉Optimus官方發布Optimus-Gen2視頻。Optimus-Gen2與上一代相比外形出現較大改變，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，運動速度提升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、力傳感器以及更強大的平衡感知能力是特斯拉第二代Optimus人形機器人的主要亮點。人形機器人傳感器檢測對象不同分為內部傳感器和外部傳感器，其中內部傳感器是用來感知機器人的自身狀態的傳感器，比如位置、速度、加速度；外部傳感器是用以感受機器人周圍環境、目標物的狀態信息的傳感器，比如視覺、觸覺、聽覺、嗅覺、溫度、力覺等。

人形機器人中，對柔順控制要求高的手腕和腳踝使用六維力傳感器，用于準確獲取驅動關節和肢體末端觸感力學信號的感知，以及防摔倒等功能，而身體的其他關節則使用關節扭矩傳感器。

六維力傳感器能夠同時測量沿三個坐標軸方向的力和繞三個坐標軸方向的力矩，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難度和使用難度高，但對于機器人產業鏈的智能裝配和以及人形機器人的精密場景應用非常重要。

在優必選的Walker機器人介紹中，手腕和腳腕出總共搭載了4個六維力傳感器。優必選招股書披露Walker機器人主要成本是六維力傳感器，單價超過1.5萬元，總價達到6萬元，而其他環境傳感器單價較低約僅為0.4元。

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

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六維力傳感器介紹

01. 原理

力矩傳感器是一種用于測量物體所受到的力矩或扭矩的傳感器。力矩是繞軸旋轉時的力的效果，可以是靜態力矩（未產生旋轉的力矩）或動態力矩（產生旋轉的力矩）。力矩傳感器的作用是將物體的力矩轉化為電信號，從而可以進行測量、監測和控制。

六維力測量的需求最早來自航空航天飛行器研究領域，安裝在飛行器內部的六維力傳感器用來測量飛行器的空氣動力學特性，包括飛行器的升力、阻力、側向力、俯仰力矩、偏航力矩和滾轉力矩，逐漸應用到汽車測試、生物力學、機器人等領域。

按照測量維度，力覺傳感器可以分為一至六維力傳感器。在指定的直角坐標系內，傳感器如果能同時測量沿三個坐標軸方向的力和繞三個坐標軸方向的力矩，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|不同力的維度測量原理

來源：坤維科技公眾號，與非研究院整理

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

圖|機器人末端關節

來源：坤維科技公眾號

機器人末端關節上使用的六維力傳感器一般還要連接一個執行機構，比如是打磨頭、夾爪、靈巧手等，執行器工作過程中的力臂在幾十到兩三百mm之間，力臂較大且隨機變化。因此機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，硅應變片式力傳感器性能最優，壓電式轉換元件主要應用在非六維力傳感器中。根據轉換元件的不同，傳感器主要分為應變式力傳感器、光學式傳感器以及壓電式力傳感器：

應變式力傳感器：采用的是硅應變片或金屬箔，壓電式傳感器可分為電容和壓電兩種。其原理都是轉換元件應變片隨力敏元件同時發生形變，導致自身電阻值、電壓差、光柵變化，通過電信號反應力和力矩的改變。硅應變片能夠保持高剛度、穩定性和信噪比，缺點是成本較高、制作工藝復雜；

光學式元件：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，并且環境適用性較強，但缺點是電路復雜，信號漂移難以抑制。

03.?技術壁壘

六維力矩傳感器的技術壁壘體現在：結構耦合設計、標定校準、數據精確采集、解耦算法四個方面。

在六維力矩傳感器標定過程中，采用三個方向的力和三個方向的力矩同時加載的方式，就叫做六維聯合加載標定，需要標定的樣本點就達到了 9 的 6 次方，即 531441 個。

圖|樣本空間比較圖

六維聯合加載設備是高精度六維力傳感器研發和生產的必要條件。它可以對力覺傳感器實現正交三個方向力和三個方向力矩的同時精確加載，只有在傳感器標定和檢測過程中采用這種六維聯合加載的方式，才能實現 0.5%FS 準度。設備無標品可以采購，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昂貴是六維力矩傳感器無法廣泛普及的重要原因之一。ATI 旗下機器人常用的 mini45、axia80 m8、nano43 型號產品進口價格全都超過3萬元人民幣，大型傳感器 omega191進口價格在10.5萬元。國產廠商海伯森產品標價為 4.5萬元，優必選采用的單價1.5萬元。

六維力矩傳感器成本：BOM+貼片+研發+其他，應變片成本占比最大。應變片式六維力矩傳感器性能最優，我們以此類傳感器為例分析其成本結構：

BOM：彈性體（特種鋼材）+應變片（硅、金屬）+PCB 板+粘合膠（環氧樹脂等）。海外高端力傳感器主要使用硅應變片：根據邊灣貿易和竑浜電子數據，在分別除去運、稅費后，硅應變片龍頭 KYOWA 的 KFWB 型號應變片和 HPI 的 HFP-12- 063ZPW 應變片的價格分別為 696 元/片和 1148 元/片。彈性體、PCB 板以及粘合膠價格相對較為便宜。

貼片：目前國內外六維力矩傳感器廠商都依賴人工在顯微鏡下完成手動貼片、焊接操作。華蘭海外售人工貼片服務，根據其官網數據，一臺傳感器的貼片人工費用為1000元/臺左右。

研發：彈性體設計、貼片仿真、標定檢測、解耦算法以及六維聯合加載設備的技 術開發都需要大量的研發成本。

其他：軟件算法、六位聯合加載設備制造（固定成本）與設備維修、折舊等成本。

05. 市場空間

圖|我國六維力/力矩傳感器銷量

來源：GGII數據、中航證券研究所

根據GGII數據，2022年我國六維力/力矩傳感器銷量4840套，同比增長62.58%，預計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用下游以機器人（工業機器人、協作機器人）、醫療領域為主，未來人形機器人有望打開六維力矩傳感器的應用新空間。

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國內主要六維力傳感器企業介紹

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。公司主營智能力覺傳感器的研發、制造、銷售、及技術推廣，開發面向機器人及其他智能裝備行業的力覺傳感器產品，為機器人及其它智能裝備、工業過程監控、產品質量檢測、科研測試測量等領域提供力覺測量解決方案及相關產品。

傳感器主體內置嵌入式采集系統對應變片的電壓信號進行實時處理，轉換為實際承受的載荷值，以數字信號形式進行輸出。

表|坤維科技六維力產品列表

來源：坤維科技官網、與非研究院整理

坤維科技六維力產品覆蓋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、生產為一體的技術密集型企業，公司主營多軸力傳感器、力控打磨設備和汽車測試設備，圍繞力測量和力控制，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、一維力傳感器和關節扭矩傳感器。力控打磨設備包括iGrinder智能浮動力控、力控打磨工具和成套的機器人智能打磨設備。汽車測試設備包括汽車耐久測試力傳感器、汽車碰撞假人力傳感器、碰撞力墻和輔助駕駛測試系統ADAS。

SRI擁有27項專利，取得了ISO9001質量體系認證和CNAS實驗室認證。SRI擁有30多年傳感器設計和力控經驗，100% 自主研發及生產技術，傳感器型號超過500種，實際應用超過2000例，60000多SRI傳感器全球服務進行中。

客戶遍布世界各地，涵蓋汽車、機器人自動化和醫療等領域，典型客戶包括全球大部分汽車企業、美敦力Medtronic、ABB、KUKA、YASKAWA和高校研究所等。

圖|宇立儀器發展歷程

來源：宇立儀器官網

表|宇立系列六維力傳感器

來源：宇立儀器官網、與非研究院整理

宇立儀器六維力產品覆蓋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(深圳)有限公司2015年成立，公司始終專注工業傳感技術的創新，并在光學精密測量、工業2D/3D檢測、機器人智能應用等領域形成了成熟的產品矩陣，主營產品包括3D閃測傳感器、3D線光譜共焦傳感器、點光譜共焦位移傳感器、超高速工業相機和六維力傳感器等。目前公司全面布局海內外市場，旨在為3C電子、工業自動化、精密工件檢測、醫療、科研等行業領域提供精密智能傳感技術。

海伯森技術自主研發的六維力傳感器不僅被用于機器人的末端操縱裝置和夾具，而且還用于機器人的其他部分，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測肢體快速運動、偵測障礙物并向機器人的中央處理器提供安全警示。例如，當機器手臂中的力矩傳感器感測到機器手臂因碰撞到物體而出現突然及意外的外力時，其控制安全軟件能使手臂停止動作并縮回其位置。具體應用場景包括力反饋控制、柔性精密裝配、拖動示教等。

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

04. 藍點觸控

藍點觸控（北京）科技有限公司成立于2019年，是一家專注于智能機器人前沿力控技術研發及應用的國家高新技術企業。作為一家提供機器人力傳感器硬件、力控算法、行業工藝算法的力控方案提供商，藍點觸控自主研發的核心部件已全部實現國產化，已形成包括Wrist六維傳感器、Joint關節扭矩傳感器、力控工藝應用軟件包等多個產品系列。通過深度整合柔性力控算法與工藝算法，藍點觸控已在醫療、衛浴、航空航天、3C、汽車、重工等多個行業規?；涞?，應用于打磨、裝配、醫療手術機器人、焊接、工業自動化、科研等眾多領域。

藍點觸控六維力產品覆蓋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. 瑞爾特測控

瑞爾特核心技術團隊擁有20年德國先進傳感器設計、生產經驗，對國外各類測力稱重傳感器的結構和材料特性的處理以及加工造詣頗深。國外憑借德國力值測控專家技術的傳承，德國測力傳感技術創新者，不斷研發、生產精密微小型測力傳感器、高端動態和靜態扭矩傳感器、六維力、三維力、多維力傳感器。同時提供包括風洞、擰緊力、電動起，電動工具、六分量天平、橋梁、核電、貼片膜應力分析、高速稱重測力數據采集、多通道數據采集等一系列專業技術服務。

高精度六軸力傳感器，采用高質鋁合金和17-4PH 不銹鋼兩個大類原材料，強度高；并聯機構設計，耦合低；內部數字解耦，抗干擾能力強，廣泛應用于機器人，自動化設備，生物力學，汽車碰撞試驗及耐久性試驗。

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總結

目前，六維力矩傳感器的應用下游以工業、醫療機器人應用為主，行業總體銷售規模不足萬臺。標定和檢測難道較大，設備研發費用及人工貼片安裝成本高等因素，導致現階段銷售單價較高。

針對國內市場，宇立儀器、坤維科技、海伯森、瑞爾特屬于行業第一梯隊，具體表現在三個方面：進入行業相對較早，技術較為成熟，產品性能優越，準度誤差均能做到小于1%，且可進行產品迭代升級；都具備一定的批量化生產和出貨能力；市占率位于行業前列，四家廠商出貨占整個行業出貨量50%以上。

未來2-3年，如果人形機器人銷量達到1萬臺，對應六維力傳感器銷量4萬臺，平均每家廠商出貨達到1萬臺水平，行業平均單價有望降低至2000-5000元，屆時將打開六維力矩傳感器的更多的場景應用和市場空間。

審核編輯：黃飛