人形機(jī)器人領(lǐng)域六維力傳感器市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)138.40億元

隨著人形機(jī)器人量產(chǎn)及商業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，高工機(jī)器人產(chǎn)業(yè)研究所（GGII）預(yù)測(cè)，到2030年，全球人形機(jī)器人領(lǐng)域力傳感器市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)328.06億元，其中人形機(jī)器人領(lǐng)域六維力傳感器市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)138.40億元。

感知是人形機(jī)器人控制和執(zhí)行的前提。感知層的傳感器是軟件控制和硬件零部件的橋梁，是物理世界與數(shù)字世界的接口，是實(shí)現(xiàn)具身智能的關(guān)鍵。

力傳感器作為其中一類，負(fù)責(zé)將力的量值轉(zhuǎn)換為相關(guān)電信號(hào)，可以檢測(cè)張力、壓力、重量、扭矩、應(yīng)變和內(nèi)應(yīng)力等機(jī)械量。人形機(jī)器人常用的是維度最高的力矩傳感器——六維力傳感器（也稱：六維力矩傳感器）。

六維力傳感器能夠給出最為全面的力覺(jué)信息，同時(shí)，其在全方位機(jī)械過(guò)載保護(hù)、動(dòng)態(tài)性能等領(lǐng)域技術(shù)壁壘也較高。

通過(guò)六維力傳感器來(lái)感知與工件之間的相互作用力，并將感知到的力信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)繼而根據(jù)感知到的力信號(hào)調(diào)整人形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡和力度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)力度的精確控制。

而事實(shí)上，究竟什么技術(shù)路線的六維力傳感器更適合人形機(jī)器人，業(yè)界仍在持續(xù)探索。

“誰(shuí)”更合適？

技術(shù)路線探索

根據(jù)傳感元件的不同，六維力傳感器主要分為應(yīng)變片式、光學(xué)式、壓電、電容式、MEMS硅原理等各種原理。

市場(chǎng)中技術(shù)成熟且應(yīng)用較廣的是應(yīng)變片式。應(yīng)變片式通常采用的是硅應(yīng)變片或金屬箔，本質(zhì)是材料本身發(fā)生形變，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為阻值變化，具有精度高、測(cè)量范圍廣、成本低、高頻響特性好等特點(diǎn)。

那么，應(yīng)變片式是最適合人形機(jī)器人的六維力傳感器嗎？

“應(yīng)變片式六維力傳感器可以滿足人形機(jī)器人手腕的應(yīng)用需求，但對(duì)于腳踝而言，顯得有些力不勝任，并不是最合適的技術(shù)路線。”鑫精誠(chéng)傳感器董事長(zhǎng)吳浩在接受高工機(jī)器人調(diào)研時(shí)表示。

應(yīng)變片式所存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)為長(zhǎng)期可靠性不足。由于應(yīng)變片式是膠水粘貼的工藝，采用該技術(shù)路線的六維力傳感器避免不了存在膠水氧化老化后的零點(diǎn)漂移，溫度漂移、蠕變等問(wèn)題。吳浩表示，從原理上來(lái)看這基本上是無(wú)解的。但對(duì)于人形機(jī)器人的腳踝而言，六維力傳感器的長(zhǎng)期可靠性是不能作讓步的核心性能。

除此之外，高剛性和抗過(guò)載能力也是考核六維力傳感器是否能夠滿足人形機(jī)器人的核心性能。

人類的踝關(guān)節(jié)為重要承重關(guān)節(jié)，數(shù)據(jù)顯示，步行時(shí)足部承重是體重的1.5倍。就像人的踝關(guān)節(jié)一樣，人形機(jī)器人的腳踝同樣需要承受超出其自身的重量。以特斯拉展示的第二代人形機(jī)器人Optimus為例，該人形機(jī)器人的身高為1.8米,重量為57KG，相對(duì)應(yīng)其腳踝所需要承受的重量或?qū)⒊^(guò)57KG。

如上文所言，同時(shí)需要兼具高剛性、強(qiáng)大的抗過(guò)載能力和溫度靈敏度漂移控制能力，以及長(zhǎng)期可靠性，那么究竟什么技術(shù)路線的六維力傳感器會(huì)比應(yīng)變片式更適合人形機(jī)器人應(yīng)用呢？

圍繞這個(gè)問(wèn)題，鑫精誠(chéng)傳感器展開(kāi)了多技術(shù)路線的研發(fā)探索，并已有收獲，于近期推出了兩大系列不同方向的六維力傳感器產(chǎn)品，分別是壓電六維力傳感器和MEMS原理關(guān)節(jié)力矩傳感器。

壓電六維力傳感器

更貼合人形機(jī)器人腳踝應(yīng)用要求

壓電式技術(shù)路線的特點(diǎn)是：高剛性、高靈敏度、無(wú)零點(diǎn)漂移、不受溫度變化影響，理論上無(wú)限次使用壽命。壓電式無(wú)需外加電源，也不需要膠水粘貼工藝，不存在應(yīng)變片式的膠水氧化老化等問(wèn)題。

由于壓電式六維力傳感器技術(shù)難度高，目前市場(chǎng)應(yīng)用仍以瑞士Kistler等國(guó)外品牌為主。反觀國(guó)內(nèi)，多數(shù)企業(yè)尚未布局，或正處于研發(fā)、驗(yàn)證等階段。如今，鑫精誠(chéng)傳感器已攻破這項(xiàng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了壓電式六維力傳感器的自研自產(chǎn)。

鑫精誠(chéng)傳感器所研發(fā)的壓電六維力傳感器采用壓電石英晶體原理，是一款已預(yù)壓的六維力傳感器，可用于測(cè)量三個(gè)正交方向的力（Fx,Fy,Fz）和力矩（Mx,My,Mz），所有的方向的力和力矩信號(hào)由單獨(dú)的壓電晶體感應(yīng)并輸出。

鑫精誠(chéng)傳感器推出的壓電六維力傳感器具備高剛性、高穩(wěn)定性、低溫漂、低零飄、長(zhǎng)期可靠性好、抗過(guò)載能力強(qiáng)（≤120%）、工作溫度范圍廣、使用壽命長(zhǎng)、固有頻率高、上下雙法蘭連接、極低的閾值、使用壽命過(guò)億次、IP等級(jí)高等優(yōu)勢(shì)，更加貼合人形機(jī)器人腳踝處的應(yīng)用需求。

具體來(lái)看，該產(chǎn)品的溫度靈敏度漂移（≤0.05%F.S/℃）較應(yīng)變片式表現(xiàn)更好，且工作溫度范圍較廣（-40-120℃），尤其能夠滿足通用型人形機(jī)器人應(yīng)用。此外在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，鑫精誠(chéng)傳感器的壓電六維力傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，即便在非常狹小的空間內(nèi)，也可以完成力/力矩的動(dòng)態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量。

關(guān)于它的剛性和靈敏度，吳浩舉例表示：“壓電六維力傳感器可以非常好的兼顧剛性和靈敏度，它既能準(zhǔn)確測(cè)量卡車(chē)的重量，又同時(shí)能分辨出駕駛員吐出的口香糖的重量。”

對(duì)動(dòng)態(tài)力測(cè)試應(yīng)用，石英壓電測(cè)力傳感器具有很多優(yōu)點(diǎn)和獨(dú)特的特性，成為動(dòng)態(tài)力測(cè)量的最好的選擇。但是它的保壓性能不好，在靜態(tài)力測(cè)量方面的能力略顯不足。

石英壓電測(cè)力傳感器產(chǎn)生的測(cè)量信號(hào)將隨時(shí)間衰減，不適合做長(zhǎng)周期、靜態(tài)測(cè)量，因此不能用于靜力測(cè)量的應(yīng)變式稱重傳感器做互換。舉一個(gè)通俗的例子：放十個(gè)砝碼時(shí)壓電傳感器當(dāng)即可以測(cè)量，但是靜置一段時(shí)間后就測(cè)不出來(lái)了。除此之外，壓電式力傳感器的精度表現(xiàn)并不如應(yīng)變片式高。

“但這兩個(gè)方面的不足并不影響它在人形機(jī)器人中的應(yīng)用效果。從理論上來(lái)說(shuō)，人形機(jī)器人不停地在運(yùn)動(dòng)，測(cè)的是動(dòng)態(tài)力。另外，人形機(jī)器人對(duì)六維力傳感器的要求主要是重復(fù)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，而并非要有多高的精度。”吳浩表示。

MEMS原理關(guān)節(jié)力矩傳感器

適用于協(xié)作機(jī)器人和人形機(jī)器人

除壓電六維力傳感器之外，鑫精誠(chéng)傳感器還圍繞MEMS硅原理開(kāi)發(fā)了適用于協(xié)作機(jī)器人和人形機(jī)器人的MEMS原理關(guān)節(jié)力矩傳感器。

據(jù)悉，鑫精誠(chéng)傳感器研發(fā)的MEMS原理關(guān)節(jié)力矩傳感器具有高剛性、抗沖擊能力強(qiáng)、零點(diǎn)漂移小、抗彎矩能力強(qiáng)、正反向?qū)ΨQ性好、受徑向力影響、物理帶寬高1000HZ 以上、全溫度范圍補(bǔ)償、靈敏度更高等特點(diǎn)。

綜合來(lái)看，該力矩傳感器可以適應(yīng)機(jī)器人的碰撞、跳躍等沖擊，不會(huì)損壞傳感器，不會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性、一致性更可靠。

“讓客戶更放心、更安心、更安全，MEMS原理關(guān)節(jié)力矩傳感器具有極致性價(jià)比，有利于人形機(jī)器人行業(yè)早日量產(chǎn)?！?strong>吳浩表示。此外，其擁有獨(dú)有的交叉載荷影響自補(bǔ)償技術(shù)，使得交叉載荷的對(duì)扭矩的信號(hào)影響小。

該MEMS原理關(guān)節(jié)力矩傳感器同樣無(wú)需膠水粘貼，采用硅微熔技術(shù)。且它與壓電六維力傳感器一樣，在過(guò)載能力、溫度靈敏度漂移、長(zhǎng)期可靠性、剛性、一致性等方面均表現(xiàn)突出。

吳浩更是直言，采用該技術(shù)路線的MEMS原理關(guān)節(jié)力矩傳感器在多項(xiàng)性能上都比應(yīng)變片式好10倍，尤其靈敏度是應(yīng)變片式的20倍。

協(xié)作機(jī)器人通常采用的六維力傳感器方案有兩種：一種是安裝在協(xié)作臂末端；另外一種是安裝在每個(gè)關(guān)節(jié)處。每個(gè)關(guān)節(jié)處需要用到1個(gè)關(guān)節(jié)扭矩傳感器，1臺(tái)協(xié)作機(jī)器人則總共需要6個(gè)或7個(gè)，取決于關(guān)節(jié)數(shù)量。

而對(duì)于人形機(jī)器人而言，其所需的MEMS原理關(guān)節(jié)力矩傳感器數(shù)量則取決于本體自身的設(shè)計(jì)方案。以特斯拉展示的第二代人形機(jī)器人Optimus為例，其共有40個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)安裝一個(gè)力矩傳感器，總共需要40個(gè)MEMS原理關(guān)節(jié)力矩傳感器。

從生產(chǎn)角度來(lái)看，據(jù)吳浩介紹，該技術(shù)路線的MEMS原理關(guān)節(jié)力矩傳感器對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)的要求高，因此前期需要投入的設(shè)備及產(chǎn)線成本較高。但從另一個(gè)角度來(lái)看，當(dāng)量起來(lái)了，進(jìn)入規(guī)模化生產(chǎn)后，該產(chǎn)品的成本反而會(huì)比應(yīng)變片式更低。

“新品MEMS原理力矩傳感器即將發(fā)布。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試和優(yōu)化，這款革命性的新型傳感器使用MEMS原理為基礎(chǔ)，創(chuàng)新性地改進(jìn)了力矩測(cè)量方案，從而實(shí)現(xiàn)了高精度和高效率。在我們努力創(chuàng)新的同時(shí)，我們保持對(duì)質(zhì)量的承諾，提供最適合客戶需求的產(chǎn)品?！眳呛普f(shuō)道。

遠(yuǎn)望“人形”等風(fēng)來(lái)，腳踏實(shí)地干實(shí)事

在人形機(jī)器人領(lǐng)域，鑫精誠(chéng)傳感器早已有所布局，不僅有對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，而且已經(jīng)給行業(yè)頭部的多家人形機(jī)器人企業(yè)打樣合作中。值得一提的是，鑫精誠(chéng)傳感器已實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)，可做到保證品質(zhì)的批量交付。

圖片來(lái)源：鑫精誠(chéng)傳感器

但吳浩表示，人形機(jī)器人只是公司未來(lái)5-10年甚至更加長(zhǎng)遠(yuǎn)的增長(zhǎng)點(diǎn)，近三年內(nèi)的主要增長(zhǎng)點(diǎn)將主要來(lái)自工業(yè)機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域，以及焊接和精密裝配領(lǐng)域。

其中在協(xié)作機(jī)器人方面，2023年鑫精誠(chéng)傳感器已陸續(xù)給大族機(jī)器人、遨博智能、法奧意威、長(zhǎng)廣溪智能、越疆機(jī)器人等頭部廠商打樣。其主要配合協(xié)作機(jī)器人，針對(duì)焊接環(huán)節(jié)進(jìn)行拖拽示教，完成焊接軌跡規(guī)劃。

在產(chǎn)品研發(fā)方面，鑫精誠(chéng)傳感器一直以來(lái)都堅(jiān)持“多技術(shù)路線”創(chuàng)新開(kāi)發(fā)。吳浩表示，公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)年輕且學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，以壓電六維力傳感器為例，從研發(fā)到落地僅花了6個(gè)月。

當(dāng)前，鑫精誠(chéng)傳感器的六維力傳感器產(chǎn)品直徑跨度覆蓋9.5mm-300mm，力量程跨度從5N到50KN，力矩量程跨度從0.1N.m到1000N.m，可覆蓋大部分應(yīng)用領(lǐng)域。其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)包括中空式，法蘭式，IP68防水、微型式、自帶緊固螺釘式等，幾乎覆蓋了常規(guī)六維力傳感器的所有結(jié)構(gòu)。

未來(lái)，鑫精誠(chéng)傳感器將繼續(xù)專注力學(xué)原理傳感器的開(kāi)發(fā)，攻克高精度、小體積、低成本、集成化、智能型的高端力學(xué)傳感器。

2024年4月18日，鑫精誠(chéng)傳感器將參加由高工移動(dòng)機(jī)器人、高工機(jī)器人產(chǎn)業(yè)研究所（GGII）舉辦的2024中國(guó)人形機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用峰會(huì)，并作為參編單位在現(xiàn)場(chǎng)共同見(jiàn)證《人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍(lán)皮書(shū)》的首發(fā)儀式。

審核編輯：劉清