六維力傳感器是一種高精度的力覺傳感器，能夠同時測量三軸方向的線性力和力矩，憑借其高精度測量、抗干擾能力和小型化設計，廣泛應用于機器人、自動化生產(chǎn)、汽車和醫(yī)療設備等領域。隨著智能化和集成化技術(shù)的發(fā)展，傳感器的實時數(shù)據(jù)處理能力不斷提升，推動著各行業(yè)的創(chuàng)新應用。全球市場持續(xù)增長，2023年銷售額已達2億美元，預計2030年將增至23億美元。中國市場增長迅速，2022年達到2億元人民幣，市場銷量8,360套。宇立儀器、藍點觸控和坤維科技等國內(nèi)企業(yè)開始展現(xiàn)出強勁競爭力，預計到2025年國產(chǎn)品牌市場份額將增至39%。
一
多維度高精度測量六維力傳感器是一種高維度力覺傳感器，能夠精準測量三軸方向的線性力和力矩，廣泛應用于機器人、自動化生產(chǎn)、汽車和醫(yī)療設備等領域。其核心優(yōu)勢包括高精度測量、抗干擾能力、低漂移特性及小型化設計，適應多樣化場景并與人工智能技術(shù)無縫對接。
六維力傳感器的定義。六維力傳感器是維度最高的力覺傳感器，能夠同時測量物體在三個空間軸（X、Y、Z軸）方向上的線性力以及繞這三個軸的力矩（扭矩）。它通過集成多個力傳感器元件，能夠提供精確的多維度力學數(shù)據(jù)，被廣泛應用于需要高精度力/力矩反饋的領域，如機器人控制、自動化生產(chǎn)、汽車、醫(yī)療設備等。
六維力傳感器的優(yōu)勢。六維力傳感器憑借多項顯著特點，在力學測量領域占據(jù)重要地位。高精度測量能力是六維力傳感器核心優(yōu)勢之一，能夠同時準確測量三個方向的力和力矩，通過先進的信號處理算法和高精度的測量元件，確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。其次，六維力傳感器具有強大的抗干擾能力和低漂移特性，能夠在復雜環(huán)境中保持穩(wěn)定的測量性能，避免數(shù)據(jù)串擾問題。此外，其高集成度設計使得傳感器體積小、重量輕，便于在各種設備中安裝和使用，提高了系統(tǒng)的靈活性和適應性。同時，其廣泛的負載覆蓋范圍與多種通訊方式選擇，滿足了不同應用場景的多樣化需求。在智能化方面，六維力傳感器與人工智能技術(shù)的結(jié)合尤為亮眼，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸和處理，進一步提升了其在智能制造和高端裝備制造中的應用價值。
六維力傳感器的發(fā)展歷程。六維力傳感器的發(fā)展始于20世紀中期，最初源于航空航天產(chǎn)業(yè)的需求。進入21世紀，隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，六維力傳感器的精度和穩(wěn)定性得到了大幅提升。2010年代，隨著智能制造和自動化技術(shù)的快速發(fā)展，六維力傳感器在機器人、自動化生產(chǎn)線、汽車測試等領域得到了廣泛應用。例如，2012年，德國Futek公司推出了其高性能六維力傳感器，該產(chǎn)品在精度和穩(wěn)定性方面達到了新的高度。2020年代，隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合，六維力傳感器在智能機器人、醫(yī)療康復設備等新興領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。以2023年為例，日本K-Liberty公司推出了其最新款六維力傳感器，該產(chǎn)品在信號處理和數(shù)據(jù)傳輸方面進行了優(yōu)化，能夠更好地滿足復雜應用場景的需求。未來，隨著技術(shù)的不斷進步，六維力傳感器將在更多領域發(fā)揮重要作用，推動相關行業(yè)的快速發(fā)展。
六維力傳感器通過應變計和電荷放大器將機械力矩轉(zhuǎn)化為電信號，其核心單元為彈性體，該結(jié)構(gòu)設計影響傳感器的靈敏度和動態(tài)性能。信號解耦技術(shù)是其關鍵技術(shù)之一，通過結(jié)構(gòu)和算法解耦，消除不同方向力和力矩之間的耦合干擾，確保測量結(jié)果的準確性和穩(wěn)定性。
六維力傳感器工作原理。六維力傳感器通過應變計和電荷放大器將機械力矩轉(zhuǎn)化為電信號，其核心部件包括一個彈性體和多個高靈敏度應變計。應變計通常由金屬箔或硅材料制成，用于感知彈性體在受力時的微小形變。外力作用時，彈性體發(fā)生形變，引起應變片電阻值的變化。這種電阻變化通過電橋電路放大，并最終轉(zhuǎn)化為可讀的電壓信號，從而實現(xiàn)力與力矩的精確測量。
六維力傳感器的核心單元。六維力傳感器的核心單元是彈性體，其結(jié)構(gòu)設計直接影響傳感器的靈敏度、動態(tài)性能、維間耦合等關鍵性能參數(shù)。彈性體通常由高強度、高彈性模量的材料制成，如鋁合金、合金鋼或不銹鋼等。外力作用時，彈性體會發(fā)生微小的形變，盡管肉眼無法察覺，但足以引起粘貼在彈性體上的應變片或壓電元件的電阻或電荷變化。彈性體的結(jié)構(gòu)設計需要考慮其對稱性和剛度，以確保在不同方向上的力和力矩作用下，能夠產(chǎn)生準確且一致的形變。此外，彈性體的設計還必須具備良好的耐受性和防腐性能，以適應各種復雜的工作環(huán)境。
信號解耦技術(shù)。六維力傳感器在測量過程中，不同方向的力和力矩之間可能存在耦合現(xiàn)象，即一個方向的力或力矩可能會對其他方向的測量結(jié)果產(chǎn)生干擾。為提高測量精度，傳感器采用信號解耦技術(shù)，通過復雜的算法和數(shù)學模型，將各方向的力和力矩分量分離。。信號解耦通常包括兩種方式，結(jié)構(gòu)解耦通過優(yōu)化傳感器的機械結(jié)構(gòu)設計，減少耦合效應；算法解耦則通過軟件算法進一步校正結(jié)構(gòu)解耦難以消除的耦合干擾。
二
高性能人形機器人的標配六維力傳感器在航空航天領域用于飛行器的姿態(tài)控制和導航，確保飛行穩(wěn)定和安全。機器人領域，它為機器人手臂和足部提供精確的力感知與控制，實現(xiàn)高精度的交互和動作執(zhí)行。汽車領域，六維力傳感器應用于底盤控制和碰撞安全系統(tǒng)，提升車輛的操控性能和安全保障。
航空航天領域。在航空航天領域，六維力傳感器被廣泛應用于飛行器的控制和導航系統(tǒng)中。在飛行器的起飛、巡航、著陸等過程需要對其姿態(tài)、位置和速度等參數(shù)進行精確測量和控制。六維力傳感器能夠?qū)崟r測量飛行器所受的力和力矩，為飛行控制系統(tǒng)提供準確的數(shù)據(jù)支持，從而確保飛行器的穩(wěn)定性和安全性。例如，在飛機的飛行測試中，六維力傳感器可以安裝在飛機的機翼或尾翼上，用于測量空氣動力學參數(shù)，這對于分析飛行器的性能和優(yōu)化設計至關重要。此外，六維力傳感器還被用于衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)中，幫助衛(wèi)星在軌道上保持正確的姿態(tài)，確保其正常工作。例如，SpaceX的火箭在發(fā)射和返回過程中，通過六維力傳感器監(jiān)測其受力情況，以確保飛行的穩(wěn)定性和安全性。
機器人領域。六維力傳感器在機器人領域廣泛應用于機器人手臂、足部等部件的力感知與控制。機器人在與人類協(xié)作時，需要具備精確的力感知能力以確保交互的安全性與精度。六維力傳感器能夠?qū)崟r測量機器人所受的力和力矩，為控制系統(tǒng)提供準確的數(shù)據(jù)支持，從而實現(xiàn)高精度的力控制。例如，特斯拉的Optimus人形機器人通過在手腕和腳腕安裝六維力傳感器，能夠感知外界的力反饋，完成復雜動作和任務。此外，六維力傳感器在機器人運動規(guī)劃和路徑規(guī)劃中也發(fā)揮著重要作用。在復雜環(huán)境中，機器人需要依賴精確的環(huán)境感知與路徑規(guī)劃實現(xiàn)自主導航。六維力傳感器通過實時監(jiān)測受力情況，為機器人提供動態(tài)數(shù)據(jù)支持，從而優(yōu)化運動路徑，提升導航能力與操作效率。
汽車領域。在汽車領域，六維力傳感器廣泛應用于車輛的底盤控制和安全系統(tǒng)。底盤控制系統(tǒng)需要實時監(jiān)測車輛所受的力和力矩，以維持穩(wěn)定性和安全性。六維力傳感器通過精準的數(shù)據(jù)測量，為底盤控制系統(tǒng)提供實時支持，從而提升車輛的操控性能與安全保障。此外，六維力傳感器在碰撞安全系統(tǒng)中同樣發(fā)揮重要作用。當車輛發(fā)生碰撞時，傳感器能夠快速檢測碰撞的力和方向，并為安全系統(tǒng)提供準確數(shù)據(jù)支持，促使系統(tǒng)迅速采取措施，如觸發(fā)安全氣囊或啟動防護機制，從而有效保護乘客安全。
現(xiàn)代信號處理技術(shù)提高了標定精度并簡化了過程。材料創(chuàng)新方面，碳纖維復合材料和納米材料的應用提升了傳感器的機械強度、耐久性和靈敏度。智能化和集成化技術(shù)的發(fā)展使得傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理和分析，提高系統(tǒng)的效率和準確性，滿足復雜應用場景的需求。
信號處理與標定技術(shù)的創(chuàng)新。信號處理與標定技術(shù)的創(chuàng)新是六維力傳感器技術(shù)進步的重要組成部分。傳統(tǒng)的標定方法需要大量的實驗數(shù)據(jù)和復雜的計算過程，且容易受到環(huán)境因素的影響。現(xiàn)代的信號處理技術(shù)，如小波變換和神經(jīng)網(wǎng)絡，被應用于傳感器信號的預處理和噪聲消除中。例如，小波閾值消噪技術(shù)能夠有效地去除傳感器信號中的噪聲，提高信號的信噪比。在標定方面，基于多項式擬合的解耦算法被提出，該算法通過建立傳感器輸入與輸出之間的多項式關系，能夠更準確地反映傳感器的非線性特性。這種方法不僅提高了標定的精度，還簡化了標定過程，降低了成本。
材料創(chuàng)新。材料創(chuàng)新是提升六維力傳感器性能的關鍵因素之一。在某些極端環(huán)境下，傳統(tǒng)的傳感器材料如鋁合金和不銹鋼可能無法滿足要求。近年來，隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，高性能復合材料和納米材料被引入到六維力傳感器的制造中。例如，碳纖維復合材料因其高強度、低密度和良好的抗疲勞性能，被用于制造傳感器的彈性體結(jié)構(gòu)。這種材料的應用不僅提高了傳感器的機械強度和耐久性，還降低了其重量，使其更適合于航空航天等對重量有嚴格要求的應用領域。此外，納米材料的使用也使得傳感器的靈敏度和精度得到了顯著提升。
智能化和集成化趨勢。隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，六維力傳感器正在向智能化和集成化方向發(fā)展。智能化技術(shù)通過引入智能算法，可以實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的實時處理和分析，提高傳感器的智能化水平。例如，現(xiàn)代的六維力傳感器可以與機器學習算法結(jié)合，自動識別和適應不同的操作環(huán)境和任務需求，從而提高機器人的自主性和靈活性。集成化技術(shù)則通過將多個傳感器和功能模塊集成在一起，實現(xiàn)多維度的測量和控制，提高系統(tǒng)的效率和準確性。例如，在醫(yī)療康復設備中，集成化的六維力傳感器可以同時監(jiān)測患者的多個運動參數(shù)，為康復治療提供全面的數(shù)據(jù)支持。
三
未來降價空間廣闊2023年，全球六維力傳感器市場銷售額為2億美元，預計到2030年將增長至23億美元，年復合增長率為40.5%。中國市場在2022年達到2億元人民幣，同比增長52%。預計未來兩年內(nèi)六維力傳感器的價格將大幅下降至5,000元以內(nèi)，市場將迎來降價潮。
全球六維力傳感器市場。據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院，2023年全球力傳感器市場規(guī)模達到27億美元。相比之下，六維力傳感器市場相對小眾，根據(jù)QYR（恒州博智）的統(tǒng)計及預測，2023年全球六維力傳感器市場銷售額達到了2億美元，預計2030年將達到23億美元，年復合增長率（CAGR）為40.5%。
中國六維力傳感器市場。GGII數(shù)據(jù)顯示，2022中國六維力傳感器市場規(guī)模約為2億元，同比增長52%，市場銷量8,360套，同比增長58%。其中，機器人用六維力傳感器市場規(guī)模占比較高，約占65%左右，市場銷量為4,840套，同比增長62.6%。
市場將迎來降價潮。根據(jù)GGII數(shù)據(jù)顯示，六維力傳感器的平均價格約為2-4萬元，是低維力傳感器價格的10倍左右。而根據(jù)MIR的調(diào)研，六維力傳感器的成本僅為數(shù)千元，與2-4萬元的產(chǎn)品售價相比，其利潤率相對較高，且降價空間巨大。因此，預計在未來兩年內(nèi)，六維力傳感器的單個產(chǎn)品價格有望降至5,000元以內(nèi)。這一趨勢意味著六維力傳感器市場將迎來降價潮，行業(yè)將面臨新一輪的競爭和洗牌。
六維力傳感器市場在人形機器人的推動下增長迅速，2023年在人形機器人行業(yè)的應用規(guī)模同比增長147%。目前，中國市場主要由外資品牌主導，但預計到2025年國產(chǎn)品牌市場份額將增至39%。未來，六維力傳感器將向微型化、智能化和多元化方向發(fā)展。
人形機器人拉動市場增長。在六維力傳感器下游應用中，工業(yè)自動化（包含傳統(tǒng)機器人）領域應用規(guī)模占比最大，但人形機器人行業(yè)應用規(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用于工業(yè)自動化領域，應用規(guī)模占比超過77%，其次是汽車。然而，人形機器人行業(yè)的應用增速最快，2023年同比增長達到147%，遠超其他行業(yè)。另外，單獨觀察全球機器人領域的應用，六維力傳感器在此領域的應用比例超過50%，占比較高。
國產(chǎn)化率有望提升。目前，中國六維力傳感器市場主要由外資品牌主導，尤其是美國和日本的企業(yè)。據(jù)智研咨詢數(shù)據(jù)顯示，2023年，外資品牌在中國市場的份額達到68%，而國產(chǎn)品牌的市場份額約為32%。然而，在“國產(chǎn)替代”戰(zhàn)略的推動下，國產(chǎn)品牌正在逐步發(fā)力，市場份額有望進一步提升。據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院，預計到2025年，國產(chǎn)品牌的市場份額將增至39%。近年來，國內(nèi)品牌如宇立儀器、坤維科技等在測量精度和抗過載能力等方面取得了顯著進步，與外資品牌的差距正在縮小。盡管如此，國產(chǎn)與外資主流產(chǎn)品在靈敏度、串擾、抗過載能力及維間耦合誤差等方面仍存在一定的差距。隨著技術(shù)的不斷進步和市場需求的擴大，國產(chǎn)六維力傳感器的性能和市場份額有望進一步提升，推動國產(chǎn)化進程的加速。
四
國內(nèi)外領軍企業(yè)ATI采用硅應變片技術(shù)，產(chǎn)品線豐富，涵蓋多個系列，2023年在中國市場的份額為22.4%。Schunk六維力傳感器如FT-AXIA系列，具有內(nèi)置電子裝置和高兼容性，采用高精度應變儀技術(shù)。AMTI專注于高精度測量解決方案，其Nano17系列產(chǎn)品以高精度和低噪聲著稱。
ATI。ATI Industrial Automation成立于1989年，是六維力傳感器行業(yè)的全球領導者之一，專注于機器人末端執(zhí)行器的研發(fā)制造。ATI的六維力傳感器采用先進的硅應變片技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的金屬箔式應變片，具有更高的信噪比和穩(wěn)定性。其產(chǎn)品線包括Axia系列、Nano系列、Mini系列、Gamma系列、Delta系列和Omega系列等，能夠滿足從32N到40,000N，3Nm到6,000Nm的量程需求。在中國市場，ATI的六維力傳感器占據(jù)重要份額，2023年在中國市場的份額達到22.4%。
Schunk。Schunk成立于1945年，是全球知名的機器人末端工具和自動化解決方案提供商。在六維力傳感器領域，Schunk憑借其先進的技術(shù)和廣泛的應用，占據(jù)了重要的市場份額。其六維力傳感器產(chǎn)品，如FT-AXIA系列，具有內(nèi)置電子裝置，支持即插即用功能，能夠通過軟件模塊與多種機器人品牌如KUKA和Universal Robots直接兼容。FT-AXIA系列傳感器采用高精度的應變儀（DMS）技術(shù)，能夠測量所有六個自由度上的力和力矩，具有較高的過載范圍和集成溫度補償功能，確保在各種環(huán)境下的測量精度。
AMTI。Advanced Mechanical Technology成立于1986年，是六維力傳感器領域的知名廠商之一。公司專注于開發(fā)高精度的力和力矩測量解決方案，AMTI的六維力傳感器產(chǎn)品如Nano17系列，以其高精度和低噪聲特性著稱，能夠提供精確的力和力矩測量數(shù)據(jù)。Nano17系列采用先進的應變片技術(shù)，具備優(yōu)異的線性和重復性，適用于各種需要高精度測量的應用場景，確保在嚴苛環(huán)境下依然提供穩(wěn)定可靠的測量性能。
宇立儀器生產(chǎn)的六維力傳感器產(chǎn)品在國際知名機器人企業(yè)中得到廣泛應用，并已進入人形機器人領域，與優(yōu)必選等企業(yè)展開合作。藍點觸控專注于智能機器人力控技術(shù)，其ST系列和EQ系列產(chǎn)品綜合精度優(yōu)于0.3%。坤維科技采用MEMS應變計技術(shù)，在協(xié)作機器人末端附件市場占有率領先，并在人形機器人領域取得顯著認可。
宇立儀器。宇立儀器（SRI）成立于2007年，是中國六維力傳感器行業(yè)的領先企業(yè)之一。自2012年起，宇立儀器開始專注于六維力傳感器的研發(fā)與生產(chǎn)，其產(chǎn)品憑借廣泛的量程和尺寸覆蓋，以及結(jié)構(gòu)解耦與矩陣解耦技術(shù)，迅速在國內(nèi)外市場占據(jù)重要地位。宇立儀器的六維力傳感器產(chǎn)品線豐富，設計了7大系列、共計256種類型的六維力傳感器，包括M33XX系列和M38XX系列等，量程從9N至600KN，尺寸從15mm至450mm不等，能夠滿足各種復雜工業(yè)環(huán)境的需求。其產(chǎn)品在ABB、YASKAWA、KUKA、FOXCONN等國際知名機器人企業(yè)中得到廣泛應用，并已進入人形機器人領域，與優(yōu)必選等企業(yè)展開合作。宇立儀器的六維力傳感器在價格上具有顯著的競爭力，單價約為1.5萬元人民幣，相較于國外品牌更具性價比，使其在全球市場中占據(jù)重要份額，2023年在國內(nèi)市場的份額達到14%，位居第二。
藍點觸控。藍點觸控成立于2019年，是一家專注于智能機器人前沿力控技術(shù)的研發(fā)及應用的企業(yè)。公司憑借其在多維力傳感器、關節(jié)扭矩傳感器和機器人力控技術(shù)方面的深厚經(jīng)驗，迅速在六維力傳感器市場中占據(jù)了一席之地。藍點觸控的六維力傳感器產(chǎn)品包括ST系列和EQ系列。其中，ST系列六維力傳感器具備工業(yè)級多維力測量能力，采用高精度解耦算法和高信噪比數(shù)據(jù)采集功能，綜合精度優(yōu)于0.3%，，適用于復雜的工業(yè)自動化和醫(yī)療手術(shù)機器人應用。公司在2023年的國內(nèi)市場份額為4.8%，位居國內(nèi)第四。
坤維科技。坤維科技成立于2018年，是一家專注于高精度六維力傳感器及力控解決方案的研發(fā)與推廣的企業(yè)。公司在六維力傳感器領域具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，其產(chǎn)品廣泛應用于協(xié)作機器人、醫(yī)療機器人、自動化集成等多個領域。坤維科技的KWR系列六維力傳感器采用先進的MEMS應變計技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的金屬箔式應變計，具有更高的靈敏度和更低的功耗。該系列產(chǎn)品在協(xié)作機器人末端附件市場占有領先地位，并在人形機器人領域也獲得了顯著的市場認可，體現(xiàn)了其技術(shù)創(chuàng)新和市場競爭力。2023年，坤維科技的國內(nèi)市場份額為4.7%，位列國內(nèi)市場第五。
（來源久謙資本）
