12月13日，特斯拉Optimus官方發(fā)布Optimus-Gen2視頻。Optimus-Gen2與上一代相比外形出現(xiàn)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(nèi)部傳感器和外部傳感器，其中內(nèi)部傳感器是用來感知機器人的自身狀態(tài)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(huán)境、目標物的狀態(tài)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(qū)動關(guān)節(jié)和肢體末端觸感力學(xué)信號的感知，以及防摔倒等功能，而身體的其他關(guān)節(jié)則使用關(guān)節(jié)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(shù)難度和使用難度高，但對于機器人產(chǎn)業(yè)鏈的智能裝配和以及人形機器人的精密場景應(yīng)用非常重要。

在優(yōu)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(yōu)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(huán)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(fā)揮著怎么樣的作用？下面筆者將和大家一起探討和學(xué)習(xí)，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(zhuǎn)時的力的效果，可以是靜態(tài)力矩（未產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的力矩）或動態(tài)力矩（產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的力矩）。力矩傳感器的作用是將物體的力矩轉(zhuǎn)化為電信號，從而可以進行測量、監(jiān)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(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，包括飛行器的升力、阻力、側(cè)向力、俯仰力矩、偏航力矩和滾轉(zhuǎn)力矩，逐漸應(yīng)用到汽車測試、生物力學(xué)、機器人等領(lǐng)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(nèi)，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(nèi)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(lián)合承載的情況下，測量值偏差在量程的0.3%FS以內(nèi)。

圖|機器人末端關(guān)節(jié)

來源：坤維科技公眾號

機器人末端關(guān)節(jié)上使用的六維力傳感器一般還要連接一個執(zhí)行機構(gòu)，比如是打磨頭、夾爪、靈巧手等，執(zhí)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(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：

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；

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；

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。

03.?技術(shù)壁壘

六維力矩傳感器的技術(shù)壁壘體現(xiàn)在：結(jié)構(gòu)耦合設(shè)計、標定校準、數(shù)據(jù)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(lián)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(lián)合加載設(shè)備是高精度六維力傳感器研發(fā)和生產(chǎn)的必要條件。它可以對力覺傳感器實現(xiàn)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(lián)合加載的方式，才能實現(xiàn) 0.5%FS 準度。設(shè)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(chǎn)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(chǎn)廠商海伯森產(chǎn)品標價為 4.5萬元，優(yōu)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(fā)+其他，應(yīng)變片成本占比最大。應(yīng)變片式六維力矩傳感器性能最優(yōu)，我們以此類傳感器為例分析其成本結(jié)構(gòu)：

BOM：彈性體（特種鋼材）+應(yīng)變片（硅、金屬）+PCB 板+粘合膠（環(huán)氧樹脂等）。海外高端力傳感器主要使用硅應(yīng)變片：根據(jù)邊灣貿(mào)易和竑浜電子數(shù)據(jù)，在分別除去運、稅費后，硅應(yīng)變片龍頭 KYOWA 的 KFWB 型號應(yīng)變片和 HPI 的 HFP-12- 063ZPW 應(yīng)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(nèi)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(wù)，根據(jù)其官網(wǎng)數(shù)據(jù)，一臺傳感器的貼片人工費用為1000元/臺左右。

研發(fā)：彈性體設(shè)計、貼片仿真、標定檢測、解耦算法以及六維聯(lián)合加載設(shè)備的技 術(shù)開發(fā)都需要大量的研發(fā)成本。

其他：軟件算法、六位聯(lián)合加載設(shè)備制造（固定成本）與設(shè)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(shù)據(jù)、中航證券研究所

根據(jù)GGII數(shù)據(jù)，2022年我國六維力/力矩傳感器銷量4840套，同比增長62.58%，預(yù)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(yīng)用下游以機器人（工業(yè)機器人、協(xié)作機器人）、醫(yī)療領(lǐng)域為主，未來人形機器人有望打開六維力矩傳感器的應(yīng)用新空間。

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國內(nèi)主要六維力傳感器企業(yè)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(yè)。公司主營智能力覺傳感器的研發(fā)、制造、銷售、及技術(shù)推廣，開發(fā)面向機器人及其他智能裝備行業(yè)的力覺傳感器產(chǎn)品，為機器人及其它智能裝備、工業(yè)過程監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量檢測、科研測試測量等領(lǐng)域提供力覺測量解決方案及相關(guān)產(chǎn)品。

傳感器主體內(nèi)置嵌入式采集系統(tǒng)對應(yīng)變片的電壓信號進行實時處理，轉(zhuǎn)換為實際承受的載荷值，以數(shù)字信號形式進行輸出。

表|坤維科技六維力產(chǎn)品列表

來源：坤維科技官網(wǎng)、與非研究院整理

坤維科技六維力產(chǎn)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(fā)、生產(chǎn)為一體的技術(shù)密集型企業(yè)，公司主營多軸力傳感器、力控打磨設(shè)備和汽車測試設(shè)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(guān)節(jié)扭矩傳感器。力控打磨設(shè)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(shè)備。汽車測試設(shè)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(tǒng)ADAS。

SRI擁有27項專利，取得了ISO9001質(zhì)量體系認證和CNAS實驗室認證。SRI擁有30多年傳感器設(shè)計和力控經(jīng)驗，100% 自主研發(fā)及生產(chǎn)技術(shù)，傳感器型號超過500種，實際應(yīng)用超過2000例，60000多SRI傳感器全球服務(wù)進行中。

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

圖|宇立儀器發(fā)展歷程

來源：宇立儀器官網(wǎng)

表|宇立系列六維力傳感器

來源：宇立儀器官網(wǎng)、與非研究院整理

宇立儀器六維力產(chǎn)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(shù)(深圳)有限公司2015年成立，公司始終專注工業(yè)傳感技術(shù)的創(chuàng)新，并在光學(xué)精密測量、工業(yè)2D/3D檢測、機器人智能應(yīng)用等領(lǐng)域形成了成熟的產(chǎn)品矩陣，主營產(chǎn)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(yè)相機和六維力傳感器等。目前公司全面布局海內(nèi)外市場，旨在為3C電子、工業(yè)自動化、精密工件檢測、醫(yī)療、科研等行業(yè)領(lǐng)域提供精密智能傳感技術(shù)。

海伯森技術(shù)自主研發(fā)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(jiān)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(xiàn)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(yīng)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(chǎn)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(shù)研發(fā)及應(yīng)用的國家高新技術(shù)企業(yè)。作為一家提供機器人力傳感器硬件、力控算法、行業(yè)工藝算法的力控方案提供商，藍點觸控自主研發(fā)的核心部件已全部實現(xiàn)國產(chǎn)化，已形成包括Wrist六維傳感器、Joint關(guān)節(jié)扭矩傳感器、力控工藝應(yīng)用軟件包等多個產(chǎn)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(yī)療、衛(wèi)浴、航空航天、3C、汽車、重工等多個行業(yè)規(guī)?；涞?，應(yīng)用于打磨、裝配、醫(yī)療手術(shù)機器人、焊接、工業(yè)自動化、科研等眾多領(lǐng)域。

藍點觸控六維力產(chǎn)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(shù)團隊擁有20年德國先進傳感器設(shè)計、生產(chǎn)經(jīng)驗，對國外各類測力稱重傳感器的結(jié)構(gòu)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(shù)的傳承，德國測力傳感技術(shù)創(chuàng)新者，不斷研發(fā)、生產(chǎn)精密微小型測力傳感器、高端動態(tài)和靜態(tài)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(yīng)力分析、高速稱重測力數(shù)據(jù)采集、多通道數(shù)據(jù)采集等一系列專業(yè)技術(shù)服務(wù)。

高精度六軸力傳感器，采用高質(zhì)鋁合金和17-4PH 不銹鋼兩個大類原材料，強度高；并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計，耦合低；內(nèi)部數(shù)字解耦，抗干擾能力強，廣泛應(yīng)用于機器人，自動化設(shè)備，生物力學(xué)，汽車碰撞試驗及耐久性試驗。

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總結(jié)

目前，六維力矩傳感器的應(yīng)用下游以工業(yè)、醫(yī)療機器人應(yīng)用為主，行業(yè)總體銷售規(guī)模不足萬臺。標定和檢測難道較大，設(shè)備研發(fā)費用及人工貼片安裝成本高等因素，導(dǎo)致現(xiàn)階段銷售單價較高。

針對國內(nèi)市場，宇立儀器、坤維科技、海伯森、瑞爾特屬于行業(yè)第一梯隊，具體表現(xiàn)在三個方面：進入行業(yè)相對較早，技術(shù)較為成熟，產(chǎn)品性能優(yōu)越，準度誤差均能做到小于1%，且可進行產(chǎn)品迭代升級；都具備一定的批量化生產(chǎn)和出貨能力；市占率位于行業(yè)前列，四家廠商出貨占整個行業(yè)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(yīng)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(yè)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(yīng)用和市場空間。

審核編輯：黃飛