2024年人形機器人行業(yè)六維力傳感器專題分析：人形機器人帶來廣闊市場-國內(nèi)企業(yè)有望充分受益

2024年人形機器人行業(yè)六維力傳感器專題分析：人形機器人帶來廣闊市場_國內(nèi)企業(yè)有望充分受益1.六維力傳感器：高性能、高壁壘的力傳感器1.1.什么是六維力傳感器？根據(jù)海伯森技術有限公司官方賬號，六維力傳感器主要是利用應變計和電荷放大器將機械力矩轉(zhuǎn)化為電信號。通常包含一個彈性體和多個應變計。當傳感器受到力或力矩時,彈性體的形狀會發(fā)生微小變化,導致應變計電阻值的微小變化。這些變化被電荷放大器放大并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,以便在計算機上處理和記錄。六維力傳感器包含感應結構和數(shù)據(jù)處理結構兩部分，工作原理為應變效應。其中感應結構具體分為上臺（內(nèi)圈）、下臺（外圈）、測力梁（彈性體）、應變片、應變電橋、信號調(diào)理電路，數(shù)據(jù)處理結構包括數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理模塊等。工作原理為應變效應，即：（1）載荷→彈性應變。在載荷作用下，彈性體發(fā)生與所受載荷成一定關系的微小應變；（2）彈性應變→應變片電阻值變化。粘貼于彈性體上的應變片發(fā)生與彈性體相同的彈性應變，因此應變片電阻值發(fā)生改變；（3）應變片電阻值變化→電壓輸出。一般采用電位計式電路和惠斯通電橋電路這兩種測量電路將電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵觯话銘没菟雇姌螂娐?；?）電壓輸出→力/力矩信息輸出。六維力/力矩傳感器的載荷包含三維力和三維力矩，且傳感器的輸出電壓也包含六個通道的電壓分量。通過數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換，對傳感器的輸出電壓進行采集及數(shù)據(jù)處理。由于彈性體的機械結構、傳感器的機械加工精度、應變片粘貼技術以及測量方法等原因，使得幾乎每個施加在傳感器上的力/力矩都會對所有的輸出信號產(chǎn)生影響，即存在維間耦合，因此并不能得到本通道載荷的準確值，需要經(jīng)過特定的解耦算法得到準確的力/力矩信息。最終實現(xiàn)從最初的載荷到力/力矩信號的變換過程。1.2.電阻式應用最廣，核心為彈性體結構設計多維力傳感器按照工作原理可以分為電阻式、壓電式、光電式、電容式、霍爾式等。電阻式多維力傳感器以金屬箔式電阻應變片或半導體應變片作為敏感元件，利用金屬的應變效應或半導體的壓阻效應實現(xiàn)應變測量的一類傳感器。電阻式在多維力傳感器應用廣泛。它具有靈敏度高、測量范圍大、可靠性高、技術成熟等優(yōu)點。但同時也存在動態(tài)響應差、外界因素對應變電橋影響大等缺點。設計該類傳感器的關鍵是設計合理的彈性體結構。六維力/力矩傳感器的核心單元是彈性體，彈性體的結構設計影響著傳感器的靈敏度、動態(tài)性能、維間耦合等關鍵性能參數(shù)。1根據(jù)現(xiàn)有國內(nèi)外研究成果，六維力/力矩傳感器彈性體的結構主要集中在一體化結構和Stewart并聯(lián)結構兩種。一體化結構的六維力傳感器包括豎梁式、橫梁式、復合梁式、圓筒式等，其中十字型彈性體對稱性好，兼顧了橫向和豎向的應變效果十字梁與輪緣之間為柔性連接，從而簡化了力學模型，該結構實際使用效果較好，被廣泛使用。1.3.參數(shù)較多，其中串擾、精度和準度為核心參數(shù)根據(jù)俊德科技官網(wǎng)，六維力/力矩傳感器的主要參數(shù)包括：滿量程、滿量程輸出、靈敏度、解耦矩陣、非線性、遲滯、串擾、零點、精度、分辨率、過載能力、溫漂、準度。根據(jù)坤維科技官方公眾號，體現(xiàn)六維力/力矩傳感器綜合性能的關鍵指標有串擾、精度和準度。串擾指標用來衡量多維力傳感器各測量方向間的耦合影響，可以反映測量誤差水平。比較優(yōu)秀的串擾指標在1%FS左右，2-5%FS比較常見。分別對六維力傳感器的六個測量方向精確加載至各自的額定載荷，記錄六個方向的測量結果。如載荷組1中，僅僅對Fx方向加載到額定載荷，并且假設加載方向和載荷值是非常準確的，所以Fx是100%FS，其它方向是0%FS。表格右側(cè)Fy、Fz、Mx、My、Mz的測量結果就是在Fx作用下的串擾。因為此時Fy、Fz、Mx、My、Mz的理論真值都是0。Fy、Fz、Mx、My、Mz測量結果就體現(xiàn)了Fx對其它五個測量方向的耦合干擾情況。多維力傳感器的廠商往往選擇表格中最大串擾值作為其datasheet中的串擾指標。但是對于六維力傳感器，如果對Fx方向不加載，對另五個方向加載到100%FS，此時Fx的輸出結果并不是其他五個方向串擾結果的疊加，此時Fx的輸出結果往往大于產(chǎn)品datasheet中的串擾指標。根據(jù)坤維科技官方公眾號，常用精度和準度這兩個指標描述六維力傳感器具體的測量誤差水平。多維力傳感器精度衡量的是測量結果之間的重復性，其檢定方法是，在相同環(huán)境條件下，在額定載荷范圍內(nèi)，進行多次重復聯(lián)合加載相同一組載荷后，計算得到的傳感器測量值的標準差，并除以量程。多維力傳感器準度衡量的是測量結果與理論真值的偏離程度。其獲得的方法是，對傳感器進行多組多維聯(lián)合加載，計算得到的傳感器測量值與所加載荷理論真值之間的標準偏差，并除以量程。其中，準度涵蓋了滯后、線性、蠕變等誤差因素，更能體現(xiàn)產(chǎn)品的綜合性能，是多維力傳感器最為核心的技術指標之一。1.4.技術壁壘：硬軟件解耦與六維聯(lián)合加載根據(jù)坤維科技官方公眾號，對于六維力傳感器而言，標定需要同時考慮六個維度。一般來說，校準和標定的方法和內(nèi)容基本相同、設備一致，都需要采用六維聯(lián)合加載的方式，即三方向的力和三方向的力矩同時加載。六維聯(lián)合加載標定的樣本空間過于復雜，一維力傳感器只需9個樣本點來標定，六維力傳感器的樣本空間則包含531441個樣本點。根據(jù)坤維科技官方公眾號，采用六維力聯(lián)合加載標定/檢測能使傳感器準度更好、串擾更低。六維力傳感器在承受多個維度力的同時作用時，非線性特征顯著，而六個維度的線性模型單純疊加無法精確描述，因此多樣本的六維聯(lián)合加載具有三點優(yōu)勢：（1）交叉樣本點可以使傳感器的受力情況模擬更接近真實的使用情況；（2）有利于考察傳感器在多維載荷同時作用下的非線性力學特性，進而有效改善傳感器結構的設計；（3）基于傳感器非線性力學特性做的標定，可以大幅優(yōu)化解耦算法的數(shù)學模型。六維力/力矩傳感器提升性能、降低誤差的關鍵是消除維間耦合。理想的六維力傳感器每個通道的輸出只與本通道的加載力/力矩相關，與其他通道無關。但實際上由于彈性體的機械機構、傳感器的機械加工精度、應變片粘貼技術、測量方法等原因，使得每個施加在傳感器的力/力矩都會對其它輸出信號產(chǎn)生影響，即維間耦合。只有解決維間耦合問題，才能實現(xiàn)六維力/力矩的精確衡量。在平衡靜/動態(tài)性能同時，消除維間耦合的解耦方法常見有兩種：（1）硬件解耦：六維力/力矩傳感器的結構受到其應用場合的限制，而彈性體的形式和布置將直接影響到傳感器的靈敏度、剛度、線性度、動態(tài)性能、維間耦合等，傳感器性能的優(yōu)劣很大程度上由此決定。其中，浮動梁結構和滑移結構就是典型的機械解耦形式。（2）軟件解耦：利用軟件算法實現(xiàn)解耦。由于不同通道的輸入、輸出數(shù)據(jù)之間并不總是線性的，因此人工神經(jīng)網(wǎng)絡算法逐漸取代前者被廣泛應用于多維力傳感器的靜態(tài)解耦中，其中基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的非線性解耦算法最為常見。根據(jù)坤維科技官方公眾號，六維聯(lián)合加載設備目前還沒有標準產(chǎn)品可以直接采購，一般都是由六維力傳感器的廠商自行研制的。六維聯(lián)合加載設備的研發(fā)涉及到空間光學定位、載荷位移補償、機電一體化等多項綜合技術，有上百個KnowHow，非常依賴工程經(jīng)驗。一旦某個細節(jié)考慮不周全，加載效果就會不理想，加載設備自己產(chǎn)生的耦合誤差可能超過1%FS，這將無法標定出高準度的六維力傳感器。2.六維力傳感器下游應用廣泛，行業(yè)保持較高增速2.1.六維力傳感器應用場景廣泛，下游產(chǎn)業(yè)多六維力/力矩傳感器以其能夠感知外力和外力矩的全部信息而成為最重要的一類力傳感器，根據(jù)海伯森技術，目前廣泛應用于汽車行業(yè)的碰撞測試、輪轂、座椅等零部件測試以及基于力觸覺的人機交互、類人機器人、生物醫(yī)學研究、醫(yī)療機械、航空航天等領域。具體應用如下：工業(yè)制造：（1）機器人控制。六維力傳感器可以通過測量機器人末端的力和力矩，幫助機器人實現(xiàn)高精度的控制與操作；（2）質(zhì)量檢測。在制造商進行質(zhì)量檢測時，六維力傳感器可以用于測試產(chǎn)品的強度、耐久性和固定性等指標；（3）加工過程監(jiān)控。六維力傳感器可以用于檢測切削力、刀具磨損情況并及時反饋數(shù)據(jù)給操作者；（4）設備測試。六維力傳感器可以被嵌入到各類設備用來測試這些設備對壓力和扭矩的響應和穩(wěn)定性；（5）汽車工業(yè)。在汽車制造中，六維力傳感器可以用于測試引擎、變速器、轉(zhuǎn)向裝置等各種零部件的性能，協(xié)助汽車制造商開發(fā)更節(jié)能、更安全、更可靠的車輛。科研實驗：（1）材料性能測試。六維力傳感器可以用于測量材料在受力作用下的強度、剛度、塑性變形等性能參數(shù)，以便科研工作者進行材料性能評估與優(yōu)化；（2）生物醫(yī)學研究。六維力傳感器可以用于測量生物組織或細胞在不同力作用下的變形、應力分布等參數(shù)，探索生物系統(tǒng)的機制和性質(zhì)；（3）機器人技術研究。六維力傳感器被嵌入到機器人的末端執(zhí)行器，實現(xiàn)高精度機器人控制與操作；（4）航空航天工程研究。六維力傳感器可以用于測試航空航天器在不同狀態(tài)下的受力情況，以檢測其設計是否合理，并提供數(shù)據(jù)支持以便優(yōu)化；（5）物理實驗。六維力傳感器可以用于測量物體位置、方向、速度、加速度等參數(shù)。醫(yī)療領域：（1）手術輔助系統(tǒng)?？梢杂糜谑中g機器人幫助醫(yī)生更加準確、安全的手術操作；（2）運動康復、功能性評估。六維力傳感器可以用于測量運動康復患者的肌肉力量、關節(jié)穩(wěn)定性等參數(shù)來評估其康復情況，并根據(jù)測試結果制定治療方案；（3）步態(tài)分析、姿勢評估。六維力傳感器可以被用于步態(tài)分析系統(tǒng)和姿勢評估系統(tǒng)，來幫助醫(yī)生診斷和治療運動障礙、神經(jīng)損傷以及脊柱側(cè)彎、平衡障礙等問題。2.2.力傳感器市場規(guī)模持續(xù)擴大，行業(yè)保持較高增速根據(jù)GlobalInformation，2023年全球力傳感器市場規(guī)模達到27億美元。IMARCGroup預計到2032年市場規(guī)模將達到41億美元，2024-2032年復合年增長率（CAGR）為4.54%。由于電動車(EV)銷量的成長、各種制造流程的自動化程度不斷提高以提高效率和生產(chǎn)力，以及消費性電子產(chǎn)品和穿戴式裝置的日益普及，該市場正在經(jīng)歷穩(wěn)定成長。高工機器人產(chǎn)業(yè)研究所（GGII）數(shù)據(jù)顯示，2022年中國市場六維力/力矩傳感器銷量8360套，同比增長57.97%，其中機器人行業(yè)銷售4840套，同比增長62.58%。其預測到2027年中國市場六維力/力傳感器銷量有望突破84000套，復合增長率超過60%，其中機器人行業(yè)銷售有望突破42000套；市場規(guī)模方面：GGII數(shù)據(jù)顯示，2022年中國六維力/力矩傳感器市場規(guī)模2.39億元，同比增長52.04%，其中機器人行業(yè)六維力/力矩傳感器市場規(guī)模1.56億，同比增長54.35%。GGII預計，2027年中國六維力/力矩傳感器市場規(guī)模將超過15億元，CAGR超過45%。根據(jù)優(yōu)必選招股書，在其披露生產(chǎn)智能服務機器人的主要原材料中，一些簡單的環(huán)境光傳感器平均價格僅為0.4元人民幣，而更高端的傳感器如六維力傳感器的價格可超過15000元人民幣。3.人形機器人核心零部件，有望迎來廣闊市場空間3.1.力傳感器：人形機器人精確感知環(huán)境信息的關鍵技術傳感器作為機器人感知外界環(huán)境的關鍵部位，在人形機器人系統(tǒng)中處于重要地位。在眾多可感知的外界信息中，如視覺、聽覺、嗅覺、力覺等，力覺感知能獲取機器人與外界環(huán)境之間的相互作用力，是機器人最為基礎和關鍵的環(huán)境信息獲取方法之一。力覺信息的準確獲取，是機器人對環(huán)境狀態(tài)的認知和順利完成后續(xù)的力反饋與力控制的基礎和前提。六維力/力矩傳感器通常安裝于機器人末端執(zhí)行器與機械臂之間，用于檢測作業(yè)中的機器人與環(huán)境之間的多維交互力/力矩，并將交互力/力矩反饋給機器人力控制系統(tǒng)。比如打磨作業(yè)中機器人完成的抓取、測量、移動和放置等動作，需要通過多維力傳感器檢測機械手與環(huán)境的接觸力并反饋作用于機器人控制器。3.2.六維力傳感器助力人形機器人“行穩(wěn)致遠”根據(jù)特斯拉官方賬號，2023年12月特斯拉發(fā)布了第二代人形機器人擎天柱OptimusGen2演示視頻，視頻中機器人用左手的拇指和食指把雞蛋從紙漿蛋托里拿起來，再用右手的食指和拇指捏住，將雞蛋穩(wěn)穩(wěn)地放到鍋里。根據(jù)中國電子報，相較于工業(yè)機器人，人形機器人手部的受力方向更復雜，因此有業(yè)界人士認為，手部的力量感知應該用六維力傳感器實現(xiàn)。坤維科技CTO袁明論介紹稱：“如果力的方向是固定的，可以采用一維力傳感器；如果力作用點與傳感器標定參考點重合，但力的方向隨機變化，可以用三維力傳感器；而如果力的方向和作用點都在三維空間里隨機變化，就應該選用六維力傳感器進行測量?！备鶕?jù)優(yōu)必選官網(wǎng)，優(yōu)必選是人形機器人的領航企業(yè)，是全球極少數(shù)具備人形機器人全棧式技術能力的公司。目前擁有Walker、WalkerX和熊貓機器人優(yōu)悠三個系列的人形機器人產(chǎn)品，并且旗下的人形機器人均在手腕和腳踝處配置了4個六維力/力矩傳感器。優(yōu)必選人形機器人從2016年開始研發(fā)至今歷經(jīng)四次大迭代。Walker二代人形機器人具備36個高性能伺服關節(jié)以及力覺、視覺、聽覺、空間知覺等全方位的感知系統(tǒng)，可以實現(xiàn)平穩(wěn)快速的行走和精準的操作，并具備了在常用家庭環(huán)境和辦公場景的自由活動和服務的能力。而WalkerX相比前幾代人形機器人在運動能力和智能化方面有明顯升級。WalkerX搭載高性能伺服關節(jié)以及多維力覺、多目立體視覺、全向聽覺和慣性、測距等全方位的感知系統(tǒng)，全面升級視覺定位導航和手眼協(xié)調(diào)操作技術，自主運動及決策能力大幅提高，實現(xiàn)平穩(wěn)快速的行走和精準安全的交互，能在多種場景下提供智能化、有溫度的服務。根據(jù)優(yōu)必選官網(wǎng)，熊貓機器人優(yōu)悠是以大熊貓形象作為設計原型，在大型人形機器人Walker的基礎上為迪拜世博會中國館專門定制。擁有41個高性能伺服驅(qū)動關節(jié)全方位感知系統(tǒng)、視聽觸多通道感知、可運用多模態(tài)情感交互方式進行人機互動，能完成導覽講解、太極瑜伽、書寫繪畫等交互動作。4.投資分析4.1.柯力傳感：深耕行業(yè)多年，力傳感器龍頭公司是智能傳感器領軍企業(yè)，主要研制和生產(chǎn)各類型物理量傳感器，以及不同工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及多場景應用解決方案。目前公司已是全球大型鋼制傳感器制造企業(yè)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用拓展引領者之一。面對人形機器人帶來的傳感器行業(yè)發(fā)展機遇，公司在2024年集團規(guī)劃大會上明確投資核心需求是“機器人與多物理量傳感器”，重點推進數(shù)字、高端、非衡、機器人、多物理量、扭矩傳感器產(chǎn)品及市場。根據(jù)公司在互動平臺的回復，公司開發(fā)的六維力產(chǎn)品，可用于機器手臂運動與工作載荷監(jiān)測、曲面研磨拋光、加工中心精雕加工、醫(yī)療設備精密測控等，目前六維力系列產(chǎn)品仍處于小批量開發(fā)試制階段。4.2.東華測試：結構力學性能測試龍頭企業(yè)，具備傳感器完整生產(chǎn)能力東華測試是國內(nèi)領先的結