作者 | 楚欣

出品 | 焉知

圈子 | 加微yanzhi-2020，进人形机器人社群

本文内容及顺序：

力传感器定义~分类~产业链~六维力传感器核心参数&关键技术~在人形机器人中的应用场景~成本分析~市场格局及典型企业（附源表格下载）

• 抓取和放下鸡蛋：机器人能够轻松准确地抓取和放下鸡蛋，这表明它具备了精细的操控能力和对力度的精确控制。力传感器在这里起到了关键作用，它帮助机器人感知握力的大小，以确保不会损坏脆弱的物体。

• 左手转右手：机器人能够连贯地将物体从一只手转移到另一只手，这需要精确的力控制和协调。力传感器在这里帮助机器人感知和调节两手之间传递物体时的力度，确保平稳过渡。

• 90度深蹲：机器人能够做出均匀的90度深蹲，这个动作需要全身多处关节的协调和平衡。力传感器在这个过程中帮助机器人感知身体各部分的受力情况，以保持平衡和稳定。

• 行走速度的变化：机器人的行走速度变化表明它能够根据需要调整步伐，这同样需要力传感器来感知足部与地面的接触力度，以及调整步伐时的力矩。

• 足部和腿部的形态：机器人的足部和腿部设计模仿了人类的形态，这有助于它在不同地形上行走。力传感器在这里帮助机器人感知地面的硬度和不平整度，从而调整步伐和平衡。

Optimus-Gen2抓取鸡蛋(左图).90度深蹲(右图),来源:澎湃新闻

什么是力传感器

力/力矩/力觉传感器是一种检测和度量力/力矩的装置，它能够将作用在其上的力转换为电信号或其他形式的信号，以便于信息的收集、传输、处理、分析和显示。本文将力或力矩、力觉传感器统称为力传感器。力传感器在工业自动化、机器人技术、医疗设备、交通运输等多个领域都有广泛的应用。

具身智能机器人的核心在于感知层、认知层，来源:具身智能机器人公众号

力传感器主要包括本体单元和应变/形变检测系统两大部分，由力敏元件、转换元件和信号处理单元等具体元件组成，能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。当有力作用时，力施加于传感器本体单元上，并引起本体单元的应变或形变，检测系统（应变片或光学系统）可感知本体的应变或形变，通过电路将其转化为相应电压，继而通过测量电压值来表征力的大小，并转换成可用输出信号，最终实现力的测量。

在组成元件中，力敏元件指力传感器中直接感受或相应被测量的部分，转换元件指力传感器中能将力敏元件感受或相应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。例如应变式力传感器的力敏元件是弹性敏感元件（弹性体），常见的弹性体材料有铝合金、合金钢和不锈钢，转换元件为贴在弹性体上的应变片（计），如电阻应变片，信号处理单元一般为电路，包括漆包线、PCB 板等，应变片在电路中充当电阻。

力传感的两种分类方法

• 一维力传感器：这种传感器只能测量沿一个特定方向的力。适用于力的方向和作用点固定不变的情况，例如简单的称重或压力测量。代表产品有称重传感器、压力传感器等。

• 二维力传感器：能够测量两个正交方向上的力，通常是水平和垂直方向。适用于需要同时测量两个方向力的应用，如某些类型的推力测量。

• 三维力传感器：能够测量三个正交方向上的力，通常是X、Y和Z轴方向。适用于需要测量空间中任意方向力的场景，例如机器人的力控制。

• 四维力传感器：在三维力传感器的基础上增加了对某一方向力矩的测量。适用于需要了解力的方向和产生的力矩的复杂应用。

• 五维力传感器：测量三个正交力和两个正交力矩。这种传感器的应用相对较少，但可以提供更全面的力和力矩信息。

• 六维力传感器：是一种特殊的力传感器，能够同时测量三个正交力和三个正扭矩。这种传感器是维度最高的力觉传感器，能够提供最全面精准的力觉信息。六维力传感器适用于需要精确控制和感知复杂交互力的应用，如机器人手术、精密装配、拖动示教等。

力传感器按测力维数分类,来源:坤维科技.力驰传感.安信证券

2、根据其测量原理不同，力传感器可以分为光电式、应变式、电容式、压电式等类型。每种类型的力传感器都有其特定的优势和局限性，选择哪种类型的传感器通常取决于应用的具体需求，包括测量范围、精度、响应时间、成本和环境条件等。其中，应变式力传感器应用范围最广。压电、电容和光电等测量原理的力传感器有一定的理论研究和实验基础，但下游尚未得到广泛应用。

力传感器按测量原理分类，来源：仪器信息网、化工仪器网、传感器专家网，《Handbook of Modern Sensors》、霍盾官网、汉矢德官网、TE Connectivity 官网、安信证券

应变式力传感器是利用材料在受力时产生的形变来测量力。通常，应变片（一种敏感元件）被粘贴在基底材料上，当基底受力变形时，应变片的电阻会发生变化，通过测量电阻变化来确定受力大小。它们因其稳定性、高刚度、高信噪比、高精度、低成本和易于使用而广受欢迎，广泛应用于工业自动化、机器人和各种测试设备。

应变式力传感器按照应变片的分类，可以分为金属电阻应变片（工具钢、不锈钢、铝合金或铍铜等）或硅（半导体）应变片力传感器，后者性能更好。

由于半导体应变片的高灵敏度和快速响应能力，它们在需要精确测量微小力的应用中非常有用，例如在精密仪器、微电子设备和生物医学工程中。而金属应变片由于其稳定性和耐用性，更适合于工业环境中的力测量。在选择力传感器时，需要根据具体的应用需求和环境条件来决定使用哪种类型的应变片。例如，如果应用需要在高温或恶劣环境下工作，可能更倾向于选择金属应变片；而如果需要测量微小力或实现高精度控制，则半导体应变片可能是更好的选择。

力传感器产业链

力传感器的设计和制造涉及力学、材料科学、电子工程等多个技术领域。以应变式传感器为例，力传感器产业链上游主要为材料类、元器件及组件类、生产或检测设备等细分行业，中游主要为力传感器的加工制造和封装检测，下游应用领域广泛，可应用于工业、消费电子、汽车电子、机器人、医疗、航空航天等领域。

力传感器产业链，资料来源：柯力传感招股说明书

六维力传感器核心参数及关键技术

六维力传感器主要包括电容式、压电式、光电式和应变片式等类型。目前，市场应用的六维力传感器大部分是基于应变式的测量。六维力传感器的设计和实现远比简单地组合三个一维力传感器和三个扭矩传感器要复杂得多。它的非线性力学特征明显，要考虑多通道信号的温漂、蠕变、交叉干扰、数据处理的实时性，再加之六维联合加载标定的复杂性 ，六维力传感器的技术难度可谓是一维力传感器难度的六次方。

六维力传感器能给出最为全面的力觉信息以及提升传感精度，并非是多个低维的力传感器可替代的。六维力传感器能够同时测量三个空间方向上的力（Fx、Fy、Fz）和绕这三个方向的力矩（Mx、My、Mz），提供了一个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，六维力传感器能够准确测量力的方向，而不受力作用点变化的影响。当使用多个低维力传感器组合时，每个传感器的测量误差可能会累积，而且它们之间可能存在耦合误差，而六维力传感器作为一个整体，可以减少这些误差源。

核心参数

六维力传感器的主要性能参数包括：量程、过载能力、分辨率、重复精度、串扰、准度等。在选择六维力传感器时，需要综合考虑这些性能参数以及应用场景的具体要求，以确保传感器能够满足所需的性能标准。

• 测量范围（量程）：这是传感器能够测量的最大力量和力矩的范围。选择传感器时，需要确保其量程能够覆盖预期的最大力量和力矩。

• 过载能力：这个参数表明传感器能够承受的最大力量和力矩超过其额定量程的程度，而不会导致传感器损坏或性能下降。过载能力对于确保传感器在意外或极端条件下的耐用性非常重要。

• 分辨率：分辨率是传感器能够检测的最小力量或力矩变化。对于需要精细力控制的应用，高分辨率的传感器是必要的。

• 重复精度（精度）：这个参数反映了传感器在多次测量同一值时的一致性。高重复精度意味着传感器在连续测量中提供的结果更加稳定和可靠。

• 串扰：衡量传感器不同方向的力间的耦合干扰，是反映六维力传感器制造、标定水平的核心指标之一。低串扰意味着传感器在测量时各方向之间的干扰较小，这对于精确测量至关重要。

• 准度：准度是传感器测量值与实际值之间的差异的综合体现，包括了滞后、线性度和蠕变等误差因素。高准度的传感器能够提供更接近真实值的测量结果，是评价传感器性能的关键指标。

关键问题

六维力传感器的关键技术主要集中在技术实现、性能优化、应用集成等方面，具体包括：

• 动态响应能力：六维力传感器需要快速准确地响应动态力变化，如机器人打磨抛光时的接触力或物体高速运动过程中的称重。

• 全方位机械过载保护：为避免传感器在受到超量程力作用时损坏，需要设计有效的过载保护结构，这在技术上具有挑战性。

• 温度漂移和稳定性控制：传感器必须具备良好的温度补偿机制，以减少温度变化对测量结果的影响，并保持长期稳定性。

• 多通道信号处理：六维力传感器需要同时处理多个方向的力和力矩信号，这要求高度精确的信号采集和处理技术。

• 交叉干扰和耦合误差：在多维力传感器中，不同方向的力和力矩之间可能存在耦合，需要通过精确的解耦算法来分离这些信号。一般说来，降低耦合干扰的两种途径：结构解耦、算法解耦。结构解耦和算法解耦通常需要结合使用，以实现最佳的解耦效果。结构解耦可以减少耦合效应，降低算法解耦的难度；而算法解耦可以进一步校正结构解耦难以消除的耦合干扰，提高测量精度。 

• 标定和校准技术：六维力传感器需要通过复杂的标定和校准过程来确保测量精度，这通常涉及到精确的测试设备和方法。

• 传感器融合：在某些应用中，需要将力传感器与其他类型的传感器（如位置、速度、加速度传感器）相结合，解决不同传感器之间数据融合的技术难题。

• 材料选择和加工工艺：选择合适的材料并优化其性能是技术难点之一，同时，力传感器的生产涉及精密的加工工艺。

• 小型化和轻量化：在保持性能的前提下，减小传感器的体积和重量，以适应空间受限的应用场合。

• 实时数据处理：开发高效的数据处理算法，以实现实时或近实时的数据处理和反馈。

• 长期稳定性和可靠性：传感器需要在各种环境条件下保持长期稳定工作，材料老化和疲劳寿命是设计时需要考虑的因素。

• 成本控制：在保证技术性能的同时，如何有效控制力传感器的生产成本，是实现传感器商业化的关键。

• 精度和分辨率：六维力传感器需要具备高测量精度和分辨率，以满足高精度应用的需求。

• 系统集成：将六维力传感器集成到机器人或其他自动化系统中，需要解决机械设计、电子接口和软件兼容性等问题。

在人形机器人中的应用场景

当前，六维力传感器被广泛应用于汽车行业的碰撞测试、轮毂、座椅等零部件测试以及航空航天飞行器、生物力学、医疗领域、科研实验、机器人与工业自动化等众多科技领域。

表：六维力传感器在人形机器人领域的主要应用场景

人形机器人领域，六维力传感器已成为高性能人形机器人的标配，通常安装在手腕、脚腕、足底或手部，在运控规划、姿态调整、力度感知等中起到重要作用，以提升手部操作的灵活性以及脚部行走的稳定性，提升人形机器人在复杂环境中的自主性和适应性，可以实现在碎石、地砖、草坪、厚地、草坪等不平整地面上稳定快速行走，通过全新的脚掌姿态控制算法以及柔性自适应多种地面。

目前特斯拉Optimus、优必选Walker X、达闼科技的小紫XR-4、本田ASIMO、美国宇航局的Valkyrie等，都已采用六维力传感器来提升机器人的性能。

以下是六维力传感器在人形机器人中的一些关键应用和安装位置：

• 手腕部位：六维力传感器安装在手腕部位，可以帮助机器人实现精细的手部操作，如抓握、搬运和装配等任务。

• 脚腕、足底：在脚腕或足底安装六维力传感器，有助于机器人在行走和平衡控制中感知地面的反作用力，以便机器人控制系统可以调整人形机器人手臂和身体的姿态，提高行走稳定性。

• 手部接触点：在机器人手部的接触点安装六维力传感器，可以提升手部操作的灵活性和适应性，特别是在需要柔顺控制的场景中。

• 运控规划：六维力传感器提供的数据对于机器人的运动控制规划至关重要，它们可以帮助机器人更好地规划动作，避免碰撞和损伤。

• 姿态调整：在机器人的姿态调整过程中，六维力传感器可以提供必要的反馈信息，帮助机器人保持平衡和稳定。

• 力度感知：六维力传感器使机器人能够感知与外界物体交互时的力度，这对于需要精确控制力度的应用非常重要。

六维力传感器适用于人形机器人的手腕、脚踝、灵巧手等部位

• 多维力传感器的组合使用：在一些应用中，除了六维力传感器，人形机器人也可能同时使用三维力传感器、关节扭矩传感器或一维拉力传感器，以满足不同的控制需求。如特斯拉Optimus前部可能在脚趾部位增加了一维力传感器，来获得更多点信息，以便适应更加复杂的地面场景。

• 触觉传感器和电子皮肤：除了力传感器，人形机器人还可能集成触觉传感器和电子皮肤，以提供更全面的环境感知能力。

一种高精度六维力传感器的爆炸图，材料成本中应变片占比高资料来源：《一种高精度六维力传感器_吴美贞等》、《一种微型应变式六维力传感器及其标定装置_王鹏等》

六维力传感器市场格局及典型企业

资料来源：共研产业咨询（共研网）

• 传统的传感器生产商，包括 ATI、Bota Systems AG、ME-Meßsysteme GmbH、AMTl、Kistler 等；
• 全球知名的机器人末端工具生产商，主要有 SCHUNK、OnRobot、Robotiq 等，欧美地区厂商合作企业以协作机器人本体厂商为主，主要包括优傲机器人、达明机器人和欧姆龙等。