特斯拉在2023年12月12日發(fā)布的Optimus-Gen2視頻中展示了其人形機器人在操控能力上的顯著進步。通過精確地感知和控制力度，力傳感器使得機器人能夠執(zhí)行更加復雜和精細的任務(wù)，提高了其在實際應(yīng)用中的適應(yīng)性和可靠性。以下是視頻展示的幾個關(guān)鍵點以及力傳感器在其中的作用：

　　抓取和放下雞蛋：機器人能夠輕松準確地抓取和放下雞蛋，這表明它具備了精細的操控能力和對力度的精確控制。力傳感器在這里起到了關(guān)鍵作用，它幫助機器人感知握力的大小，以確保不會損壞脆弱的物體。

　　左手轉(zhuǎn)右手：機器人能夠連貫地將物體從一只手轉(zhuǎn)移到另一只手，這需要精確的力控制和協(xié)調(diào)。力傳感器在這里幫助機器人感知和調(diào)節(jié)兩手之間傳遞物體時的力度，確保平穩(wěn)過渡。

　　90度深蹲：機器人能夠做出均勻的90度深蹲，這個動作需要全身多處關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)和平衡。力傳感器在這個過程中幫助機器人感知身體各部分的受力情況，以保持平衡和穩(wěn)定。

　　行走速度的變化：機器人的行走速度變化表明它能夠根據(jù)需要調(diào)整步伐，這同樣需要力傳感器來感知足部與地面的接觸力度，以及調(diào)整步伐時的力矩。

　　足部和腿部的形態(tài)：機器人的足部和腿部設(shè)計模仿了人類的形態(tài)，這有助于它在不同地形上行走。力傳感器在這里幫助機器人感知地面的硬度和不平整度，從而調(diào)整步伐和平衡。

Optimus-Gen2抓取雞蛋(左圖).90度深蹲(右圖),來源:澎湃新聞

　　01、什么是力傳感器

　　力/力矩/力覺傳感器是一種檢測和度量力/力矩的裝置，它能夠?qū)⒆饔迷谄渖系牧D(zhuǎn)換為電信號或其他形式的信號，以便于信息的收集、傳輸、處理、分析和顯示。本文將力或力矩、力覺傳感器統(tǒng)稱為力傳感器。力傳感器在工業(yè)自動化、機器人技術(shù)、醫(yī)療設(shè)備、交通運輸?shù)榷鄠€領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

　　具身智能機器人的核心在于感知層、認知層，來源:具身智能機器人公眾號

　　力傳感器主要包括本體單元和應(yīng)變/形變檢測系統(tǒng)兩大部分，由力敏元件、轉(zhuǎn)換元件和信號處理單元等具體元件組成，能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。當有力作用時，力施加于傳感器本體單元上，并引起本體單元的應(yīng)變或形變，檢測系統(tǒng)(應(yīng)變片或光學系統(tǒng))可感知本體的應(yīng)變或形變，通過電路將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電壓，繼而通過測量電壓值來表征力的大小，并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號，最終實現(xiàn)力的測量。

　　在組成元件中，力敏元件指力傳感器中直接感受或相應(yīng)被測量的部分，轉(zhuǎn)換元件指力傳感器中能將力敏元件感受或相應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。例如應(yīng)變式力傳感器的力敏元件是彈性敏感元件(彈性體)，常見的彈性體材料有鋁合金、合金鋼和不銹鋼，轉(zhuǎn)換元件為貼在彈性體上的應(yīng)變片(計)，如電阻應(yīng)變片，信號處理單元一般為電路，包括漆包線、PCB 板等，應(yīng)變片在電路中充當電阻。

　　02、力傳感的兩種分類方法

　　1、力傳感器按照測量維度的不同，可以分為一維至六維力傳感器，每種類型的傳感器根據(jù)其測量的力的方向和作用點的不同，適用于不同的應(yīng)用場景：

　　一維力傳感器：這種傳感器只能測量沿一個特定方向的力。適用于力的方向和作用點固定不變的情況，例如簡單的稱重或壓力測量。代表產(chǎn)品有稱重傳感器、壓力傳感器等。

　　二維力傳感器：能夠測量兩個正交方向上的力，通常是水平和垂直方向。適用于需要同時測量兩個方向力的應(yīng)用，如某些類型的推力測量。

　　三維力傳感器：能夠測量三個正交方向上的力，通常是X、Y和Z軸方向。適用于需要測量空間中任意方向力的場景，例如機器人的力控制。

　　四維力傳感器：在三維力傳感器的基礎(chǔ)上增加了對某一方向力矩的測量。適用于需要了解力的方向和產(chǎn)生的力矩的復雜應(yīng)用。

　　五維力傳感器：測量三個正交力和兩個正交力矩。這種傳感器的應(yīng)用相對較少，但可以提供更全面的力和力矩信息。

　　六維力傳感器：是一種特殊的力傳感器，能夠同時測量三個正交力和三個正扭矩。這種傳感器是維度最高的力覺傳感器，能夠提供最全面精準的力覺信息。六維力傳感器適用于需要精確控制和感知復雜交互力的應(yīng)用，如機器人手術(shù)、精密裝配、拖動示教等。

　　最常見的是一維、三維和六維力傳感器，二維、四維和五維的力傳感器較少。

　　力傳感器按測力維數(shù)分類,來源:坤維科技.力馳傳感.安信證券

　　2、根據(jù)其測量原理不同，力傳感器可以分為光電式、應(yīng)變式、電容式、壓電式等類型。每種類型的力傳感器都有其特定的優(yōu)勢和局限性，選擇哪種類型的傳感器通常取決于應(yīng)用的具體需求，包括測量范圍、精度、響應(yīng)時間、成本和環(huán)境條件等。其中，應(yīng)變式力傳感器應(yīng)用范圍最廣。壓電、電容和光電等測量原理的力傳感器有一定的理論研究和實驗基礎(chǔ)，但下游尚未得到廣泛應(yīng)用。

力傳感器按測量原理分類，來源：儀器信息網(wǎng)、化工儀器網(wǎng)、傳感器專家網(wǎng)，《Handbook of Modern Sensors》、霍盾官網(wǎng)、漢矢德官網(wǎng)、TE Connectivity 官網(wǎng)、安信證券

　　應(yīng)變式力傳感器是利用材料在受力時產(chǎn)生的形變來測量力。通常，應(yīng)變片(一種敏感元件)被粘貼在基底材料上，當基底受力變形時，應(yīng)變片的電阻會發(fā)生變化，通過測量電阻變化來確定受力大小。它們因其穩(wěn)定性、高剛度、高信噪比、高精度、低成本和易于使用而廣受歡迎，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、機器人和各種測試設(shè)備。

　　應(yīng)變式力傳感器按照應(yīng)變片的分類，可以分為金屬電阻應(yīng)變片(工具鋼、不銹鋼、鋁合金或鈹銅等)或硅(半導體)應(yīng)變片力傳感器，后者性能更好。

　　由于半導體應(yīng)變片的高靈敏度和快速響應(yīng)能力，它們在需要精確測量微小力的應(yīng)用中非常有用，例如在精密儀器、微電子設(shè)備和生物醫(yī)學工程中。而金屬應(yīng)變片由于其穩(wěn)定性和耐用性，更適合于工業(yè)環(huán)境中的力測量。在選擇力傳感器時，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和環(huán)境條件來決定使用哪種類型的應(yīng)變片。例如，如果應(yīng)用需要在高溫或惡劣環(huán)境下工作，可能更傾向于選擇金屬應(yīng)變片;而如果需要測量微小力或?qū)崿F(xiàn)高精度控制，則半導體應(yīng)變片可能是更好的選擇。

　　03

　　力傳感器產(chǎn)業(yè)鏈

　　力傳感器的設(shè)計和制造涉及力學、材料科學、電子工程等多個技術(shù)領(lǐng)域。以應(yīng)變式傳感器為例，力傳感器產(chǎn)業(yè)鏈上游主要為材料類、元器件及組件類、生產(chǎn)或檢測設(shè)備等細分行業(yè)，中游主要為力傳感器的加工制造和封裝檢測，下游應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，可應(yīng)用于工業(yè)、消費電子、汽車電子、機器人、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域。

　　力傳感器產(chǎn)業(yè)鏈，資料來源：柯力傳感招股說明書

　　04、六維力傳感器核心參數(shù)及關(guān)鍵技術(shù)

　　六維力傳感器主要包括電容式、壓電式、光電式和應(yīng)變片式等類型。目前，市場應(yīng)用的六維力傳感器大部分是基于應(yīng)變式的測量。六維力傳感器的設(shè)計和實現(xiàn)遠比簡單地組合三個一維力傳感器和三個扭矩傳感器要復雜得多。它的非線性力學特征明顯，要考慮多通道信號的溫漂、蠕變、交叉干擾、數(shù)據(jù)處理的實時性，再加之六維聯(lián)合加載標定的復雜性 ，六維力傳感器的技術(shù)難度可謂是一維力傳感器難度的六次方。

　　六維力傳感器能給出最為全面的力覺信息以及提升傳感精度，并非是多個低維的力傳感器可替代的。六維力傳感器能夠同時測量三個空間方向上的力(Fx、Fy、Fz)和繞這三個方向的力矩(Mx、My、Mz)，提供了一個完整的力和力矩的矢量描述。由于力是矢量量，具有大小和方向，六維力傳感器能夠準確測量力的方向，而不受力作用點變化的影響。當使用多個低維力傳感器組合時，每個傳感器的測量誤差可能會累積，而且它們之間可能存在耦合誤差，而六維力傳感器作為一個整體，可以減少這些誤差源。

　　核心參數(shù)

　　六維力傳感器的主要性能參數(shù)包括：量程、過載能力、分辨率、重復精度、串擾、準度等。在選擇六維力傳感器時，需要綜合考慮這些性能參數(shù)以及應(yīng)用場景的具體要求，以確保傳感器能夠滿足所需的性能標準。

　　測量范圍(量程)：這是傳感器能夠測量的最大力量和力矩的范圍。選擇傳感器時，需要確保其量程能夠覆蓋預期的最大力量和力矩。

　　過載能力：這個參數(shù)表明傳感器能夠承受的最大力量和力矩超過其額定量程的程度，而不會導致傳感器損壞或性能下降。過載能力對于確保傳感器在意外或極端條件下的耐用性非常重要。

　　分辨率：分辨率是傳感器能夠檢測的最小力量或力矩變化。對于需要精細力控制的應(yīng)用，高分辨率的傳感器是必要的。

　　重復精度(精度)：這個參數(shù)反映了傳感器在多次測量同一值時的一致性。高重復精度意味著傳感器在連續(xù)測量中提供的結(jié)果更加穩(wěn)定和可靠。

　　串擾：衡量傳感器不同方向的力間的耦合干擾，是反映六維力傳感器制造、標定水平的核心指標之一。低串擾意味著傳感器在測量時各方向之間的干擾較小，這對于精確測量至關(guān)重要。

　　準度：準度是傳感器測量值與實際值之間的差異的綜合體現(xiàn)，包括了滯后、線性度和蠕變等誤差因素。高準度的傳感器能夠提供更接近真實值的測量結(jié)果，是評價傳感器性能的關(guān)鍵指標。

　　關(guān)鍵問題

　　六維力傳感器的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在技術(shù)實現(xiàn)、性能優(yōu)化、應(yīng)用集成等方面，具體包括：

　　動態(tài)響應(yīng)能力：六維力傳感器需要快速準確地響應(yīng)動態(tài)力變化，如機器人打磨拋光時的接觸力或物體高速運動過程中的稱重。

　　全方位機械過載保護：為避免傳感器在受到超量程力作用時損壞，需要設(shè)計有效的過載保護結(jié)構(gòu)，這在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性。

　　溫度漂移和穩(wěn)定性控制：傳感器必須具備良好的溫度補償機制，以減少溫度變化對測量結(jié)果的影響，并保持長期穩(wěn)定性。

　　多通道信號處理：六維力傳感器需要同時處理多個方向的力和力矩信號，這要求高度精確的信號采集和處理技術(shù)。

　　交叉干擾和耦合誤差：在多維力傳感器中，不同方向的力和力矩之間可能存在耦合，需要通過精確的解耦算法來分離這些信號。一般說來，降低耦合干擾的兩種途徑：結(jié)構(gòu)解耦、算法解耦。結(jié)構(gòu)解耦和算法解耦通常需要結(jié)合使用，以實現(xiàn)最佳的解耦效果。結(jié)構(gòu)解耦可以減少耦合效應(yīng)，降低算法解耦的難度;而算法解耦可以進一步校正結(jié)構(gòu)解耦難以消除的耦合干擾，提高測量精度。

　　標定和校準技術(shù)：六維力傳感器需要通過復雜的標定和校準過程來確保測量精度，這通常涉及到精確的測試設(shè)備和方法。

　　傳感器融合：在某些應(yīng)用中，需要將力傳感器與其他類型的傳感器(如位置、速度、加速度傳感器)相結(jié)合，解決不同傳感器之間數(shù)據(jù)融合的技術(shù)難題。

　　材料選擇和加工工藝：選擇合適的材料并優(yōu)化其性能是技術(shù)難點之一，同時，力傳感器的生產(chǎn)涉及精密的加工工藝。

　　小型化和輕量化：在保持性能的前提下，減小傳感器的體積和重量，以適應(yīng)空間受限的應(yīng)用場合。

　　實時數(shù)據(jù)處理：開發(fā)高效的數(shù)據(jù)處理算法，以實現(xiàn)實時或近實時的數(shù)據(jù)處理和反饋。

　　長期穩(wěn)定性和可靠性：傳感器需要在各種環(huán)境條件下保持長期穩(wěn)定工作，材料老化和疲勞壽命是設(shè)計時需要考慮的因素。

　　成本控制：在保證技術(shù)性能的同時，如何有效控制力傳感器的生產(chǎn)成本，是實現(xiàn)傳感器商業(yè)化的關(guān)鍵。

　　精度和分辨率：六維力傳感器需要具備高測量精度和分辨率，以滿足高精度應(yīng)用的需求。

　　系統(tǒng)集成：將六維力傳感器集成到機器人或其他自動化系統(tǒng)中，需要解決機械設(shè)計、電子接口和軟件兼容性等問題。

　　05、在人形機器人中的應(yīng)用場景

　　當前，六維力傳感器被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)的碰撞測試、輪轂、座椅等零部件測試以及航空航天飛行器、生物力學、醫(yī)療領(lǐng)域、科研實驗、機器人與工業(yè)自動化等眾多科技領(lǐng)域。

　　表：六維力傳感器在人形機器人領(lǐng)域的主要應(yīng)用場景

　　人形機器人領(lǐng)域，六維力傳感器已成為高性能人形機器人的標配，通常安裝在手腕、腳腕、足底或手部，在運控規(guī)劃、姿態(tài)調(diào)整、力度感知等中起到重要作用，以提升手部操作的靈活性以及腳部行走的穩(wěn)定性，提升人形機器人在復雜環(huán)境中的自主性和適應(yīng)性，可以實現(xiàn)在碎石、地磚、草坪、厚地、草坪等不平整地面上穩(wěn)定快速行走，通過全新的腳掌姿態(tài)控制算法以及柔性自適應(yīng)多種地面。

　　目前特斯拉Optimus、優(yōu)必選Walker X、達闥科技的小紫XR-4、本田ASIMO、美國宇航局的Valkyrie等，都已采用六維力傳感器來提升機器人的性能。

　　以下是六維力傳感器在人形機器人中的一些關(guān)鍵應(yīng)用和安裝位置：

　　手腕部位：六維力傳感器安裝在手腕部位，可以幫助機器人實現(xiàn)精細的手部操作，如抓握、搬運和裝配等任務(wù)。

　　腳腕、足底：在腳腕或足底安裝六維力傳感器，有助于機器人在行走和平衡控制中感知地面的反作用力，以便機器人控制系統(tǒng)可以調(diào)整人形機器人手臂和身體的姿態(tài)，提高行走穩(wěn)定性。

　　手部接觸點：在機器人手部的接觸點安裝六維力傳感器，可以提升手部操作的靈活性和適應(yīng)性，特別是在需要柔順控制的場景中。

　　運控規(guī)劃：六維力傳感器提供的數(shù)據(jù)對于機器人的運動控制規(guī)劃至關(guān)重要，它們可以幫助機器人更好地規(guī)劃動作，避免碰撞和損傷。

　　姿態(tài)調(diào)整：在機器人的姿態(tài)調(diào)整過程中，六維力傳感器可以提供必要的反饋信息，幫助機器人保持平衡和穩(wěn)定。

　　力度感知：六維力傳感器使機器人能夠感知與外界物體交互時的力度，這對于需要精確控制力度的應(yīng)用非常重要。

六維力傳感器適用于人形機器人的手腕、腳踝、靈巧手等部位

　　此外，人形機器人還可能使用三維力傳感器、關(guān)節(jié)扭矩傳感器或一維拉力傳感器，同時有些也會用到觸覺傳感器、電子皮膚等。

　　多維力傳感器的組合使用：在一些應(yīng)用中，除了六維力傳感器，人形機器人也可能同時使用三維力傳感器、關(guān)節(jié)扭矩傳感器或一維拉力傳感器，以滿足不同的控制需求。如特斯拉Optimus前部可能在腳趾部位增加了一維力傳感器，來獲得更多點信息，以便適應(yīng)更加復雜的地面場景。

　　觸覺傳感器和電子皮膚：除了力傳感器，人形機器人還可能集成觸覺傳感器和電子皮膚，以提供更全面的環(huán)境感知能力。

　　06、六維力傳感器成本分析

　　六維力傳感器成本構(gòu)成包括材料、制造和人工成本，其中超 50%的成本來自于應(yīng)變片和人工加工成本。

　　作為六維力傳感器的核心組成部分，高質(zhì)量的應(yīng)變片成本較高，單個六維力矩傳感器所需要應(yīng)變片的數(shù)量至少為 24 個，考慮到抗溫漂、蠕變等需求，一般單個六維力矩傳感器的應(yīng)變片的數(shù)量約為 30-40 個，單個六維力矩傳感器應(yīng)變片的成本在 5000-6000 元。

　　六維力傳感器成品對于精度、準度要求極高，因此人工加工技術(shù)壁壘較高，尤其貼片與標定階段，需要大量的技術(shù)工人進行精細操作，且短期無法實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。未來，MEMS工藝可能是實現(xiàn)六維力傳感器高效生產(chǎn)的主要方向，疊加生產(chǎn)自動化率提升將有助降本。

一種高精度六維力傳感器的爆炸圖，材料成本中應(yīng)變片占比高資料來源：《一種高精度六維力傳感器_吳美貞等》、《一種微型應(yīng)變式六維力傳感器及其標定裝置_王鵬等》

　　在六維力傳感器下游應(yīng)用中，工業(yè)自動化(包含傳統(tǒng)機器人)領(lǐng)域應(yīng)用規(guī)模占比最大，但人形機器人行業(yè)應(yīng)用規(guī)模增速最快。根據(jù) MIR 數(shù)據(jù)，2023 年六維力傳感器仍主要應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，應(yīng)用規(guī)模占比超過 77%，其次是汽車;但在人形機器人行業(yè)應(yīng)用規(guī)模同比增長146.7%，遠超其他行業(yè)增速。在人形機器人量產(chǎn)加速、降價迫切的預期下，六維力傳感器或?qū)⒂瓉斫祪r潮。

　　六維力開發(fā)的難度和壁壘高，在市場基數(shù)較小的當下價格昂貴，遠高于低維力傳感器。根據(jù) MIR 調(diào)研，六維力傳感器的成本在數(shù)千元，而產(chǎn)品單價可達2-4萬元，表明其利潤率較高，存在較大的降價空間，有利于未來成本的降低和市場競爭力的提升。預計兩年內(nèi)單個六維力傳感器產(chǎn)品的價格可能下降至5000元以內(nèi)。這一降價潮可能會吸引更多的應(yīng)用和市場參與者，推動行業(yè)的快速發(fā)展和新一輪的洗牌。

　　07、六維力傳感器市場格局及典型企業(yè)

　　目前，國產(chǎn)六維力傳感器與外資主流產(chǎn)品在精準度方面已基本對齊，但在靈敏度、串擾、抗過載能力及維間耦合誤差等方面仍存在差距，且真正具備批量化產(chǎn)品供應(yīng)能力的廠商依然偏少。根據(jù) MIR 數(shù)據(jù)，近幾年國內(nèi)品牌憑借供應(yīng)鏈優(yōu)勢進一步降低成本，在保證性能的同時提供價格更低的產(chǎn)品以及優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，國產(chǎn)化率逐步提升。但目前國產(chǎn)廠商市場份額僅僅略高于 30%，國內(nèi)六維力傳感器市場仍以外資品牌為主，外資品牌在產(chǎn)品和應(yīng)用上占有較大先發(fā)優(yōu)勢。

　　從國內(nèi)市場來看，六維力傳感器市場集中度較高，CR5 占比超過 50%。其中 ATI(美國)占據(jù)絕對龍頭地位，份額占比為 22.4%，其次是宇立儀器(中國)占比 12.2%、Epson(日本)占比 6.4%、藍點觸控(中國)占比 4.8%、坤維科技(中國)占比 4.7%。

資料來源：共研產(chǎn)業(yè)咨詢(共研網(wǎng))

　　從代表企業(yè)分布來看，全球六維力傳感器主要分為日韓品牌、歐美品牌和國產(chǎn)品牌三大陣營。各陣營企業(yè)呈現(xiàn)不同的配套特點：

　　日韓地區(qū)，六維力傳感器廠商主要配套當?shù)貦C器人本體廠商。根據(jù) GGII，日韓地區(qū)六維力/力矩傳感器廠商主要配套當?shù)貦C器人本體廠商，如韓國企業(yè) Robotous、Aidin Robotics 主要合作廠商包括 Doosan Robotics、Neuromeka 和 Rainbow Robotics;日本企業(yè) Sintokogio 和WACOH-TECH 主要合作廠商包括發(fā)那科、電裝、三菱、那智不二越、安川等，Epson 的六維力傳感器則主要配套 Epson 的工業(yè)機器人使用。

　　歐美地區(qū)，六維力傳感器廠商可分為傳統(tǒng)傳感器廠商、機器人末端工具廠商兩類：

　　傳統(tǒng)的傳感器生產(chǎn)商，包括 ATI、Bota Systems AG、ME-Me?systeme GmbH、AMTl、Kistler 等;

　　全球知名的機器人末端工具生產(chǎn)商，主要有 SCHUNK、OnRobot、Robotiq 等，歐美地區(qū)廠商合作企業(yè)以協(xié)作機器人本體廠商為主，主要包括優(yōu)傲機器人、達明機器人和歐姆龍等。

　　近年來，國產(chǎn)六維力傳感器廠商逐漸成長，如宇立儀器(SRI)、坤維科技、鑫精誠、海伯森、藍點觸控、神源生智能、瑞爾特等，均已有相關(guān)產(chǎn)品落地并進入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。其他廠商如重慶魯班機器人技術(shù)研究院、埃力智能等，通過自主研發(fā)力傳感器技術(shù)，已經(jīng)具備六維力/力矩傳感器的生產(chǎn)能力，部分產(chǎn)品型號開始進入下游用戶的驗證測試階段。