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1. 為什么需要力控？

1.1. 力控是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的核心

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的目的是使機(jī)器人能夠按照人類的指令，完成復(fù)雜的動(dòng)作任務(wù)和自 主決策。我們?cè)O(shè)計(jì)并生產(chǎn)機(jī)器人的主要目的就是使機(jī)器人能代替人類從事特定任務(wù)， 因此可以說(shuō)，運(yùn)動(dòng)控制是機(jī)器人研究中的核心所在。 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的本質(zhì)是對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，而伺服系統(tǒng)一般有三種控制方式， 分別是轉(zhuǎn)矩控制、位置控制和速度控制。

轉(zhuǎn)矩控制：是指伺服驅(qū)動(dòng)器僅對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，原理是通過(guò)電流環(huán)控制 電機(jī)轉(zhuǎn)矩。電流環(huán)處于最內(nèi)側(cè)，此環(huán)完全在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部進(jìn)行，通過(guò)霍爾裝 置，檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器給電機(jī)的各相的輸出電流，負(fù)反饋給電流的設(shè)定進(jìn)行PID調(diào)節(jié)， 從而達(dá)到輸出電流盡量接近等于設(shè)定電流。

速度控制：是指驅(qū)動(dòng)器僅對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，原理是通過(guò)電流環(huán)和 速度環(huán)控制位置。通過(guò)檢測(cè)的伺服電機(jī)編碼器的信號(hào)來(lái)進(jìn)行負(fù)反饋 PID 調(diào)節(jié)， 環(huán)內(nèi) PID 輸出直接就是電流環(huán)的設(shè)定，所以速度環(huán)控制包括速度環(huán)和電流環(huán)。

位置控制：是指驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，原理是通過(guò)電流 環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)控制位置。位置環(huán)是最外環(huán)，可在驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)編碼 器間構(gòu)建也可以在外部控制器和電機(jī)編碼器或最終負(fù)載間構(gòu)建，要根據(jù)實(shí)際情 況來(lái)定。由于位置控制環(huán)內(nèi)部輸出就是速度環(huán)的設(shè)定，位置控制模式下系統(tǒng)進(jìn) 行了所有 3 個(gè)環(huán)的運(yùn)算，此時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)算量最大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也最慢。

轉(zhuǎn)矩控制在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中的地位愈發(fā)重要。在三種控制方式中，傳統(tǒng)機(jī)器人一 般會(huì)使用位置控制，比如機(jī)械臂會(huì)沿著事先規(guī)劃好的軌跡在封閉、確認(rèn)的空間中運(yùn) 動(dòng)。但是隨著機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景的多樣化，轉(zhuǎn)矩控制的重要性愈發(fā)明顯。 柔性控制能幫助機(jī)器人適應(yīng)更多場(chǎng)景需求。一般而言，位置和速度控制可以認(rèn)為是 “硬約束”，即機(jī)器人只能在設(shè)定區(qū)間中運(yùn)行，而轉(zhuǎn)矩控制是“軟約束”或“柔性控 制”，機(jī)器人可以根據(jù)場(chǎng)景需求而不斷調(diào)整作用力的大小。舉個(gè)例子，機(jī)器人行走在 不規(guī)則且未知的路面上，由于路面情況未知無(wú)法做事先的建模預(yù)測(cè)或者由于不規(guī)則 路面狀態(tài)太多而無(wú)法做精確的建模，這時(shí)如果使用純位置控制的話，就無(wú)法規(guī)劃處 一條合適的位置軌跡，此時(shí)我們必須引入力控，做到實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)控制。

1.2. 傳感器和電流環(huán)是力控的主要方式

目前針對(duì)機(jī)器人硬件層面的力反饋測(cè)量主要有三種方式，應(yīng)變片式力矩傳感器、電 磁式力矩傳感器和彈性體，而應(yīng)變片式和電磁式都可以歸屬于力傳感器。 力矩傳感器：將力矩傳感器安裝在腳掌和踝關(guān)節(jié)、機(jī)械手和腕關(guān)節(jié)之間，用于 測(cè)量末端執(zhí)行器與外界環(huán)境交互的受力情況。 電流環(huán)：通過(guò)電機(jī)的電流閉環(huán)做力閉環(huán)反饋控制，適用于直驅(qū)電機(jī)或減速比較 小的執(zhí)行器。

那么，這三種測(cè)量方式具體適用在哪些場(chǎng)景中呢？我們認(rèn)為，這與整個(gè)執(zhí)行器方案 的設(shè)計(jì)具有密切關(guān)系。 目前針對(duì)機(jī)器人行業(yè)的常用執(zhí)行器方案有三種，包括高剛度的常規(guī)方案、SEA、本 體驅(qū)動(dòng)器。三種方案的核心區(qū)別其實(shí)在于對(duì)力矩的測(cè)量上，常規(guī)方案使用基于應(yīng)變 片原理的力矩傳感器測(cè)量力反饋，SEA 帶有剛度更低的彈性體，因此一般使用電磁 式或應(yīng)變片式測(cè)量，而本體驅(qū)動(dòng)器則使用電環(huán)流的方案并取消了傳感器的配置。

常規(guī)方案：使用力矩傳感器測(cè)量執(zhí)行器中的力反饋是目前主流方案，也是技術(shù)最為 成熟的路線。除了成本昂貴、安裝復(fù)雜以及部分性能問(wèn)題外，應(yīng)變片式傳感器在機(jī) 器人實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)顯著優(yōu)于其他兩者。這一方案我們會(huì)在接下來(lái)第二章重點(diǎn)介 紹。 SEA 方案：通過(guò)彈性體測(cè)量扭矩，一般會(huì)使用電磁傳感器或應(yīng)變片式測(cè)量扭矩。至 于使用哪種方案，會(huì)綜合考慮到成本，剛度、分辨率等因素。比如在國(guó)外學(xué)者的研 究中，兩種方式在 SEA 驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出各自的優(yōu)劣勢(shì)。對(duì)于 電磁式而言，雖然其可以克服應(yīng)變片式存在的線性誤差、零漂、溫漂以及成本昂貴 等的缺點(diǎn)，但他在剛度和分辨率等方面存在較大問(wèn)題。

因?yàn)樵谝蟾邉偠人降南到y(tǒng)中，電磁式編碼的分辨率會(huì)被迫降低，而應(yīng)變片式則 能通過(guò)調(diào)整儀器放大器的增益來(lái)補(bǔ)償這一缺點(diǎn)。因此在下表中可以發(fā)現(xiàn)，雖然兩者 的分辨率大相徑庭，但應(yīng)變式的剛度是電磁式的 10 倍。換句話來(lái)說(shuō)，在保持一定分 辨率的情況下，電磁式的剛度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致扭矩能力降低以及過(guò)低的過(guò)載安全系數(shù)， 最終或使得機(jī)器人執(zhí)行器在實(shí)際運(yùn)作過(guò)程容易受損。值得一提的是，部分應(yīng)用 SEA 方案的四足機(jī)器狗，為了同時(shí)保持高剛度和高分辨率，一般會(huì)使用 3 個(gè)編碼器，且 為價(jià)格較昂貴的 19 位磁編。 簡(jiǎn)而言之，彈性體剛度是區(qū)分兩種方案的標(biāo)尺。在低剛度偏柔性的機(jī)器人關(guān)節(jié)中， 可以使用電磁式，在中剛度且對(duì)分辨率要求并不高的情況下也可以使用電磁式，而 在高剛度要求下主要使用應(yīng)變片式。

本體驅(qū)動(dòng)方案：用電流環(huán)替代昂貴的傳感器是機(jī)器人節(jié)省成本的一個(gè)重要途徑，因 此在這里大家最大的疑問(wèn)應(yīng)該是，為什么電流環(huán)不適用于上面兩種驅(qū)動(dòng)器方案？ 理論上來(lái)講，電流環(huán)可以用在常規(guī)方案和 SEA 方案中，但前提條件是減速器的減 速比不能太高。在減速比較高的配備諧波減速器的執(zhí)行器中，使用電流環(huán)測(cè)量力反 饋?zhàn)畲蟮膯?wèn)題在于無(wú)法克服啟動(dòng)扭矩精確識(shí)別的難點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō)，減速比越大，意 味著反驅(qū)力的透明度越低，增速啟動(dòng)扭矩就越高，輸出端就越難轉(zhuǎn)動(dòng)，從機(jī)器人的 表現(xiàn)上來(lái)看就是啟動(dòng)時(shí)拖拽比較費(fèi)勁，而電流環(huán)對(duì)啟動(dòng)扭矩的觀測(cè)弱于傳感器，最 終導(dǎo)致前者無(wú)法精確反饋力矩信息，進(jìn)而使得控制器無(wú)法輸出準(zhǔn)確扭矩。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)， 由于減速器靜摩擦力，需要較大的外力，才能使電流環(huán)檢測(cè)到，而力傳感器在這一 點(diǎn)上顯著優(yōu)于電流環(huán)。 換句話來(lái)說(shuō)，要保持較好的力控性能和成本相對(duì)可控，電流環(huán)在常規(guī)方案和 SEA 方 案中，更多適用于小負(fù)載的機(jī)器人關(guān)節(jié)。

2. 我們需要怎樣的力傳感器？

2.1. 什么是力傳感器？

2.1.1. 基本概念

力矩傳感器是對(duì)各種旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件上對(duì)扭轉(zhuǎn)力矩感知的檢測(cè)，通過(guò)將扭力 的物理變化轉(zhuǎn)換成精確的電信號(hào)，從而進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)測(cè)。 一個(gè)完整的傳感器結(jié)構(gòu)需要由上法蘭、下法蘭、彈性體、支撐臺(tái)、和密封蓋組成。 上法蘭外接機(jī)械手臂末端內(nèi)接彈性體，下法蘭和支撐臺(tái)采用一體式設(shè)計(jì)可以增強(qiáng)傳 感器的剛度，支撐臺(tái)內(nèi)留有空間和單線孔方便敏感元件布置和走線。

2.1.2. 工作原理

以電阻應(yīng)變片式傳感器為例，傳感器的工作方式大致路徑是：外界加載的力/力矩使 彈性體產(chǎn)生形變，粘貼在內(nèi)梁的應(yīng)變片組成的橋路將彎曲位移信息轉(zhuǎn)化為可以被測(cè) 量的模擬信號(hào)，隨后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊，先對(duì)來(lái)自傳感頭模塊的模擬信號(hào)預(yù)處理，即將電阻應(yīng)變片采集的信號(hào)進(jìn)行放大和濾波以適應(yīng)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換量程，隨后通過(guò) ADC 將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過(guò) USB 接口至上位機(jī)，最 后通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)采集數(shù)據(jù)分析處理。 因此，一個(gè)完整的六維力傳感器的傳感器系統(tǒng)不只是機(jī)械結(jié)構(gòu)框架，而是基于結(jié)構(gòu) 感知平臺(tái)設(shè)計(jì)的一套完整的系統(tǒng)，包括傳感器模塊和數(shù)據(jù)采集電路模塊。傳感模塊 部分由六維力傳感器彈性體和電阻應(yīng)變電橋組成。數(shù)據(jù)采集模塊由放大濾波模塊、 數(shù)據(jù)采集模塊和 USB 接口模塊組成。

拆解傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，應(yīng)變片和彈性體在轉(zhuǎn)換信息過(guò)程中起到重要作用。

1） 應(yīng)變片

應(yīng)變片的工作原理基于機(jī)械應(yīng)變引起的電阻變化的概念。應(yīng)變片通常由細(xì)線或箔組 成，通常由銅等高導(dǎo)電材料制成，附著在柔性背襯材料上。當(dāng)機(jī)械應(yīng)變施加到應(yīng)變 片上時(shí)，線或金箔會(huì)發(fā)生變形，導(dǎo)致其長(zhǎng)度和橫截面積發(fā)生變化，而這種尺寸的改 變導(dǎo)致線或箔的電阻發(fā)生相應(yīng)的變化。 具體而言，每個(gè)應(yīng)變片均由柔性基板絕緣的金屬箔組成，兩根引線使 電流通過(guò)壓力表，當(dāng)被測(cè)物體的表面拉伸或收縮時(shí)，電阻的變化就會(huì)被測(cè)量到。電 阻的變化與被測(cè)物體表面的長(zhǎng)度變化成正比，通過(guò)等式（電阻變化量/原有電阻=應(yīng) 變片系數(shù)*拉伸長(zhǎng)度）測(cè)量出電阻的變化。

進(jìn)一步而言，惠斯通電橋?qū)τ趹?yīng)變片形成的電阻變化進(jìn)行放大并輸出電信號(hào)?；菟?通電橋是一種可以精確測(cè)量電阻的儀器。惠斯通電橋由四個(gè)電阻器（R1、R2、R3 和 R4）組成，它們以菱形連接，直流電源連接在電路的頂部和底部點(diǎn)（電路中的 C 和 D）之間。該電橋用于通過(guò)將未知電阻與已知電阻值進(jìn)行比較來(lái)非常精確地找到未 知電阻。當(dāng)應(yīng)變片因形變而導(dǎo)致電阻發(fā)生變化時(shí)，惠斯通電橋電路就不平衡，這種 不平衡會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小的電輸出信號(hào)，該信號(hào)與施加的應(yīng)變成正比。 按照應(yīng)變片在惠斯通電橋使用的數(shù)量劃分，一般可以將惠斯通電橋分為四分之一橋、 半橋和全橋。 四分之一橋：四分之一橋是由一個(gè)應(yīng)變片和三個(gè)固定電阻構(gòu)成，主要用于測(cè)量 單軸。該系統(tǒng)易于配置，因此廣泛用于一般應(yīng)力或應(yīng)變測(cè)量。 半橋：對(duì)于半橋系統(tǒng)，將 2 個(gè)應(yīng)變片連接到電橋上，每個(gè)應(yīng)變片連接到相鄰或 相對(duì)的電橋上，其他為固定電阻。其中一個(gè)應(yīng)變片用作溫度補(bǔ)償?shù)奶摂M應(yīng)變片， 其中兩個(gè)應(yīng)變片都用作主動(dòng)應(yīng)變片。半橋系統(tǒng)用于消除目標(biāo)應(yīng)變以外的應(yīng)變分 量。 全橋：全橋系統(tǒng)有 4 個(gè)應(yīng)變片。該電路確保了應(yīng)變片傳感器的大輸出，改善了 溫度補(bǔ)償，消除了目標(biāo)應(yīng)變以外的應(yīng)變分量。全橋電路提供更高的靈敏度和最 小的溫度變化誤差。

應(yīng)變片可分為金屬式和半導(dǎo)體式兩大類：1）金屬式：絲式、箔式、薄膜式；2）半 導(dǎo)體式：薄膜式、擴(kuò)散式。根據(jù)基底材料不同又可分為紙基、膠基和金屬片基等。 絲式應(yīng)變片：將直徑 0.015~0.05mm、長(zhǎng)度 0.2~200mm 范圍的金屬絲，形狀彎曲后，用粘合劑粘貼在基底上而成。電阻絲兩端焊有引出線，使用時(shí)只 要將應(yīng)變片貼于被測(cè)彈性體上，就可構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。 箔式應(yīng)變片：它的敏感柵是通過(guò)光刻、腐蝕等工藝制成。箔柵厚度一般在 3μ m 至 10μm 之間。與絲式應(yīng)變片相比，箔式應(yīng)變片表面積大，散熱性好，允許 通過(guò)較大的電流。由于箔式應(yīng)變片很薄，因此具有較好的可撓性，靈敏度系數(shù) 較高。箔式應(yīng)變片還可以根據(jù)需要制成任意形狀，適合批量生產(chǎn)。 金屬薄膜應(yīng)變片：采用真空蒸鍍或?yàn)R射等方法，在薄的基底材料上制成一層金 屬電阻材料薄膜，然后用蝕刻技術(shù)制成各種形狀的柵，以形成應(yīng)變片。薄膜厚 度比箔柵還要薄，一般在 0.1μm 以下，其靈敏系數(shù)比箔式還要高，允許電流 密度大，工作溫度范圍較廣。

2） 彈性體

按照彈性體的形狀，可分為橫梁結(jié)構(gòu)和平行結(jié)構(gòu)。

橫梁結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是一個(gè)形狀像橫桿的彈性元件，應(yīng)變片放置在橫梁和柔性 支撐橫梁上。外圈通常通過(guò)施加在內(nèi)圈上的外力保持固定，從而導(dǎo)致變形。 橫梁結(jié)構(gòu)緊湊，由于其整體結(jié)構(gòu)提供了高剛度，但受到耦合效應(yīng)的影響，制造起來(lái) 具有挑戰(zhàn)性。而且橫梁結(jié)構(gòu)的彈性體設(shè)計(jì)同樣具備挑戰(zhàn)性。這種結(jié)構(gòu)傳感器重復(fù)性 較差，剛度和靈敏度達(dá)不到最優(yōu)。另外該結(jié)構(gòu)不具備過(guò)載保護(hù)能力，不適合重載工 況和瞬間沖載荷高的工作環(huán)境。 平行結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)是由一個(gè)上部平臺(tái)和一個(gè)下部固定底座組成，由六個(gè)或多個(gè)帶有 球形接頭的四肢連接。 與橫梁結(jié)構(gòu)相比，并聯(lián)結(jié)構(gòu)基于運(yùn)動(dòng)學(xué)和幾何學(xué)解析找到柔度矩陣。

2.1.3. 產(chǎn)品種類

力傳感器的分類通?；谄涔ぷ髟怼y(cè)量類型、輸出信號(hào)、測(cè)力維數(shù)類型等因素。 工作原理：根據(jù)工作應(yīng)用的物理原理的不同，分為應(yīng)變式、壓電式、電磁式、 光纖式、容量式等。 測(cè)量類型：可以分為壓力傳感器、拉力傳感器、扭矩傳感器等。 輸出信號(hào)：可以分為模擬輸出力傳感器和數(shù)字輸出力傳感器。測(cè)力維數(shù)：可以分為一至六維傳感器，其中一維、三維和六維力傳感器較為常 用。 我們?cè)谶@里重點(diǎn)介紹常用的應(yīng)變式傳感器和六維力傳感器。

1） 應(yīng)變式傳感器

定義：核心零件是應(yīng)變片，應(yīng)變片通常由一薄薄的金屬片或金屬膜組成，能夠精確 地測(cè)量彈性體的微小變形。它通常被粘貼在彈性體的表面上，當(dāng)彈性體發(fā)生變形時(shí)， 應(yīng)變片的電阻值會(huì)發(fā)生變化。

相較于其他傳感器，應(yīng)變片式因其精度高、寬量程以及快速響應(yīng)等特點(diǎn)而被廣泛采 用，目前主要應(yīng)用于各種工業(yè)和實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，例如橋梁和建筑物的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，和機(jī)器 部件的力學(xué)測(cè)試。 高精度: 應(yīng)變片式壓力傳感器具有高度靈敏的測(cè)量能力，能夠提供精確的壓力 測(cè)量結(jié)果。其可靠性和穩(wěn)定性使其成為需要高精度測(cè)量的應(yīng)用的理想選擇。 寬量程: 應(yīng)變片式壓力傳感器可根據(jù)具體應(yīng)用的需要進(jìn)行定制，具備較寬的壓 力量程范圍。它可以適應(yīng)從微小壓力到高壓力的廣泛測(cè)量范圍，滿足不同應(yīng)用 的需求。 耐用性: 應(yīng)變片式壓力傳感器通常采用高強(qiáng)度和耐腐蝕的材料制成，具備較高 的耐久性和可靠性。它們能夠在惡劣的工作環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，并具有較 長(zhǎng)的使用壽命。 快速響應(yīng): 由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕巧，應(yīng)變片式壓力傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)快速響 應(yīng)。它對(duì)于快速變化的壓力信號(hào)具有良好的捕捉能力，適用于需要實(shí)時(shí)響應(yīng)和 控制的應(yīng)用。 良好的線性性能: 應(yīng)變片式壓力傳感器在一定范圍內(nèi)表現(xiàn)出較好的線性響應(yīng)特 性，使得其輸出信號(hào)與輸入壓力之間存在良好的線性關(guān)系。這對(duì)于進(jìn)行精確的 壓力測(cè)量和數(shù)據(jù)分析非常重要。

2） 六維力矩傳感器

定義：能夠同時(shí)測(cè)量三個(gè)正交方向上的力（Fx, Fy, Fz）和三個(gè)繞這些軸的力矩（Mx, My, Mz），可以理解為測(cè)量物體在三維空間中的三個(gè)平移度量（X、Y、Z 軸上的移 動(dòng)）和三個(gè)旋轉(zhuǎn)度量（繞 X、Y、Z 軸的旋轉(zhuǎn)）的傳感器。它可以測(cè)量一個(gè)物體在空 間中的所有可能運(yùn)動(dòng)，包括平移和旋轉(zhuǎn)，因此也被稱為六自由度（6-DOF）傳感器。 六維力傳感器采用了先進(jìn)的解耦算法，能夠有效且精確地修正三個(gè)方向上的力和彎 矩之間的耦合誤差。由于能夠消除彎矩對(duì)力測(cè)量的干擾，這使得六維力傳感器在力 的測(cè)量準(zhǔn)確性方面，遠(yuǎn)超三維力傳感器。

相較于一維/三維，六維傳感器具備測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)迅速等特點(diǎn)。 安裝方便：集成度高，將六個(gè)傳感器合并為一個(gè)，簡(jiǎn)化了安裝過(guò)程，僅需 4-8 顆螺絲釘即可固定，節(jié)省了安裝時(shí)間。 同步性優(yōu)越：能夠?qū)崟r(shí)并且同步地測(cè)量六個(gè)方向的力和力矩，避免了由于時(shí)間 差導(dǎo)致的測(cè)量誤差，提高了測(cè)量的可靠性和準(zhǔn)確性。節(jié)省空間：占用空間小，為在空間有限的場(chǎng)合進(jìn)行高精度的多維度測(cè)量提供了 可能。耦合誤差低：高精度產(chǎn)品的耦合誤差可以控制在 1%以內(nèi)，即使是常規(guī) 產(chǎn)品，耦合誤差也能維持在 2%-5%之間，大大優(yōu)于多個(gè)一維力傳感器組合的方 案。 多維度測(cè)量：提供了全方位的力和力矩信息，對(duì)于需要綜合分析物體在多個(gè)方 向上的受力情況的應(yīng)用場(chǎng)景具有重要價(jià)值。六維力傳感器以其安裝簡(jiǎn)便、高度 同步、小空間占用、低耦合誤差和多維度測(cè)量的能力，成為多個(gè)領(lǐng)域中理想的 力和力矩測(cè)量工具。

2.2. 如何判別力傳感器的好壞？

衡量傳感器性能的指標(biāo)有很多，包括靈敏度、精度、非線性誤差、解耦誤差等等。 其中，以靈敏度、精度、工作頻帶和測(cè)量范圍為核心指標(biāo)度量。 靈敏度：靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)工作情況下，輸出量的變化量和輸入量的變化量 的比值。提高靈敏度，則與被測(cè)量變化相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)才會(huì)更大，從而有利于后 續(xù)信號(hào)處理。但靈敏度并非越高越好，因?yàn)殡S著靈敏度的提高，測(cè)量值中更多的引 入了與測(cè)量值無(wú)關(guān)的周邊量，相應(yīng)的測(cè)量穩(wěn)定性變差。 精度：傳感器的精度性能指標(biāo)指的是傳感器的測(cè)量精度，理想的傳感器應(yīng)具有較好 的精度性能。此外，因六維加速度傳感器能夠同時(shí)測(cè)量三維線加速度和三維角加速 度，為了確定各通道間測(cè)量精度能力的差異性，需測(cè)量六維加速度傳感器的精度各 向同性指標(biāo)。

工作頻帶：傳感器的工作頻帶代表了傳感器可測(cè)量信號(hào)的頻率范圍，理想的傳感器 應(yīng)該具有足夠?qū)挼墓ぷ黝l帶。其中，工作頻帶的下限受限于電荷放大器的下限截止 頻率，上限受限于傳感器的固有頻率，而且為了遠(yuǎn)離共振區(qū)的影響，一般傳感器的 上限頻率取傳感器固有頻率的 1/3-1/5。 測(cè)量范圍：傳感器的測(cè)量范圍主要受制于彈性球鉸鏈的強(qiáng)度，即在測(cè)量范圍內(nèi)，要 保證彈性球鉸鏈不會(huì)因受交變的應(yīng)力的作用而發(fā)生疲勞破壞。

2.3. 力傳感器的技術(shù)壁壘有哪些？

從上述的傳感器核心指標(biāo)可以看出，精度是力傳感器最為重要的衡量指標(biāo)，它決定 著機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中對(duì)作用力的感知和反饋能力。而影響精度的因素很多， 較為重要且解決技術(shù)難度較高的主要是維間耦合和無(wú)效負(fù)載兩個(gè)因素。

1） 維間耦合

問(wèn)題：六維力傳感器在加工裝配完成后，理想情況下在只受到來(lái)自該維度力／力矩 加載時(shí)，其余維度不會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)。然而，由于傳感器自身結(jié)構(gòu)以及加工誤差等 因素的影響，導(dǎo)致某一方的作用力都會(huì)對(duì)其余五個(gè)方向的輸出信號(hào)產(chǎn)生影響，這就 是維間耦合。由于耦合誤差的存在，大大降低了傳感器的測(cè)量精度，難以消除的維 間耦合是影響傳統(tǒng)力覺(jué)感知系統(tǒng)精度提高的主要因素，甚至引起機(jī)器人控制系統(tǒng)的 誤動(dòng)作。 進(jìn)一步而言，幾乎所有傳統(tǒng)機(jī)器人多維力傳感器都存在不可消除的維間耦合，而且 部分耦合還有非線性的特征。非線性的維間耦合，不僅表現(xiàn)為各力/力矩通道的輸出 電壓-加載力/力矩呈現(xiàn)出非線性關(guān)系，而且各通道的維間耦合也不完全是線性的。 可以說(shuō)，在維間耦合中，非線性的維間耦合要比線性的更難處理，因此非線性的解 耦也是目前力傳感器的重要技術(shù)難點(diǎn)。

解決方案：現(xiàn)有的解耦方法主要包括結(jié)構(gòu)解耦和軟件解耦。前者從硬件入手，通過(guò) 彈性體等核心部件的設(shè)計(jì)和制造優(yōu)化，設(shè)法從根源上消除維間耦合，后者則是從軟 件入手，通過(guò)合適的解耦算法降低或消除耦合誤差。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，前者實(shí)現(xiàn)難度較大 且制造成本高，后者則成本低且靈活性高。

結(jié)構(gòu)解耦：非線性耦合產(chǎn)生的主要原因之一就是機(jī)械加工存在誤差和應(yīng)變片的 精確貼片位置難以保證。因此在生產(chǎn)制造過(guò)程中，優(yōu)化應(yīng)變片和彈性體的生產(chǎn) 是從硬件端解耦的一大途徑。 應(yīng)變片的生產(chǎn)流程包括基底制作、涂膠光刻、阻值調(diào)整、引線焊接等、靈敏系數(shù)測(cè) 定以及最終的貼片工序。其中較為重要的工序主要是開頭和結(jié)尾，即開頭的結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)和刻圖制版和結(jié)尾的靈敏系數(shù)測(cè)定以及貼片。

生產(chǎn)：傳統(tǒng)制造工藝中刻圖制片、涂膠光刻、基底制作、粗細(xì)腐蝕、阻值調(diào)整、引 線焊接、涂復(fù)蓋層、質(zhì)量檢查等工序多為手工操作和控制，人為的因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量 影響很大，而且應(yīng)變計(jì)成功率低，均一性差。 而美國(guó) VMM 公司和德國(guó) HBM 公司的應(yīng)變計(jì)生產(chǎn)工藝，自動(dòng)化程度都很高，幾乎 每道工序都采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制和處理。關(guān)鍵工序如基底制作、光刻腐蝕、精細(xì)調(diào) 阻，引線焊接、質(zhì)量檢測(cè)等都在自動(dòng)化程度很高的專用設(shè)備上進(jìn)行，制造工藝的可 重復(fù)性好，工藝兌現(xiàn)率高。因此應(yīng)變計(jì)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良，一致性和穩(wěn)定性好， 批次產(chǎn)品質(zhì)量幾乎無(wú)差別。 靈敏系數(shù)：靈敏系數(shù)是電阻應(yīng)變計(jì)的重要參數(shù)，，許多生產(chǎn)廠家都采用等應(yīng)力懸臂梁 進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果是靈敏系數(shù)分散大，準(zhǔn)確度低。因此靈敏系數(shù)對(duì)廠商的自動(dòng)加載 測(cè)量裝置有著較高的要求。 貼片：對(duì)于一般的傳感器，比如一維力傳感器等基本可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化貼片，但是由 于六維力傳感器的應(yīng)變片數(shù)量較多且體積較小，當(dāng)前的自動(dòng)貼片機(jī)無(wú)法完成這一任 務(wù)，因此大部分依然是通過(guò)人工手動(dòng)貼片。貼片工藝的差異，會(huì)導(dǎo)致同一批次產(chǎn)品 性能和質(zhì)量也有差異，廠商只能通過(guò)后期的校準(zhǔn)進(jìn)行彌補(bǔ)。因此，從這個(gè)角度來(lái)看， 貼片工藝這一難點(diǎn)不會(huì)成為廠商競(jìng)爭(zhēng)的“硬約束”。 總結(jié)以上三個(gè)核心步驟，可以發(fā)現(xiàn)，目前在應(yīng)變片的生產(chǎn)和組裝流程中，造成廠商 之間產(chǎn)品差異的主要在于應(yīng)變片的前道生產(chǎn)工序。

彈性體：對(duì)于電阻應(yīng)變片式測(cè)力傳感器來(lái)說(shuō)，彈性體結(jié)構(gòu)形狀與相關(guān)尺寸對(duì)測(cè)力傳 感器性能影響極大?？梢哉f(shuō)，測(cè)力傳感器性能主要取決于其彈性體形狀及相關(guān)尺寸。 測(cè)力傳感器彈性體設(shè)計(jì)不合理，彈性體加工精度多高、粘貼電阻應(yīng)變片品質(zhì)多好， 測(cè)力傳感器都難以達(dá)到較高測(cè)力性能。測(cè)力傳感器設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)彈性體進(jìn)行合理 設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 一般說(shuō)來(lái)，普通機(jī)械零件和構(gòu)件只須滿足足夠大安全系數(shù)下強(qiáng)度和剛度即可，對(duì)受 力條件下零件或構(gòu)件上應(yīng)力分布情況不必嚴(yán)格要求。而對(duì)于彈性體來(lái)說(shuō)，需要滿足 機(jī)械強(qiáng)度和剛度要求以外，必須保證彈性體上粘貼電阻應(yīng)變片部位應(yīng)力與彈性體承 受載荷保持嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系；同時(shí)，提高測(cè)力傳感器測(cè)力靈敏度，還應(yīng)使貼片部位達(dá) 到較高應(yīng)力水平。 由此可見，彈性體設(shè)計(jì)過(guò)程中必須滿足以下兩項(xiàng)要求：1）貼片部位應(yīng)力（應(yīng)變）應(yīng) 與被測(cè)力保持嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系；2）貼片部位應(yīng)具有較高應(yīng)力（應(yīng)變）水平。

軟件解耦：軟件解耦會(huì)用到解耦算法，所謂的解耦算法，實(shí)質(zhì)上是求取廣義力 向量和傳感器輸出信號(hào)之間精確的函數(shù)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各維力的準(zhǔn)確測(cè)量。由于六維力矩傳感器內(nèi)部的彈性體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，存在眾多因素影響傳感器的實(shí) 際靜態(tài)特性和理論值之間存在一定的誤差，因此通過(guò)采用靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的方法 來(lái)獲得傳感器真實(shí)的靜態(tài)特性。 進(jìn)一步而言，靜態(tài)解耦算法包括線性解耦和非線性解耦（區(qū)別在于認(rèn)定傳感器 系統(tǒng)是線性還是非線性），前者應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛，但精度不高。而實(shí)際上傳感 器輸出的波形較為復(fù)雜，并呈現(xiàn)非線性，因此非線性算法解耦是當(dāng)前的一大難 點(diǎn)。 a) 線性解耦：目前針對(duì)線性耦合誤差的算法較為成熟，一般會(huì)使用克拉默法 則或最小二乘法。當(dāng)傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)線性度較好時(shí)，一般會(huì)采用這兩種方 法進(jìn)行解耦，其解耦效率高，且結(jié)果較為準(zhǔn)確。 b) 非線性解耦：目前學(xué)界研究出多種非線性解耦算法，包括 BP ( Back Propagation) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RBF(Radial Basis Function，徑向基函數(shù)) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、 支持向量機(jī)、遺傳算法等。

而無(wú)論是進(jìn)行線性解耦還是非線性解耦，在解耦前都需要利用標(biāo)定裝置進(jìn)行標(biāo)定和 檢測(cè)，并利用標(biāo)定數(shù)據(jù)求解標(biāo)定矩陣。因此，標(biāo)定裝置的性能決定了標(biāo)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn) 確性，為后續(xù)高精度解耦奠定了基礎(chǔ)。 標(biāo)定：通過(guò)對(duì)六維樣本空間中的樣本點(diǎn)進(jìn)行精確加載，建立傳感器信號(hào)與力和 力矩的映射關(guān)系，獲得解耦算法的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)。標(biāo)定是獲得傳感器的固定 參數(shù)。 檢測(cè)：通過(guò)加載已知理論真值的載荷并同時(shí)記錄傳感器測(cè)量結(jié)果的方式，統(tǒng)計(jì)、 比較測(cè)量結(jié)果和理論真值的差異，獲得傳感器的精度和準(zhǔn)度。檢測(cè)是衡量標(biāo)定 的效果。

標(biāo)定和檢測(cè)都需要用到標(biāo)定裝置進(jìn)行，在現(xiàn)有的標(biāo)定裝置中，六維聯(lián)合加載設(shè)備是 十分重要且稀缺的標(biāo)定裝置之一。六維聯(lián)合加載設(shè)備可以對(duì)力傳感器實(shí)現(xiàn)正交三方 向力和力矩的同時(shí)精準(zhǔn)加載，只有在傳感器的標(biāo)定和檢測(cè)過(guò)程中，用這種六維聯(lián)合 加載的方式才能實(shí)現(xiàn) 0.5%FS 以內(nèi)的準(zhǔn)度。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)的必備條件 六維聯(lián)合加載設(shè)備的研發(fā)涉及到空間光學(xué)定位、載荷位移補(bǔ)償、機(jī)電一體化等多項(xiàng) 綜合技術(shù)，有上百個(gè) Know How，非常依賴工程經(jīng)驗(yàn)。一旦某個(gè)細(xì)節(jié)考慮不周全， 加載效果就會(huì)不理想，加載設(shè)備自己產(chǎn)生的耦合誤差可能超過(guò) 1%FS，這勢(shì)必?zé)o法 標(biāo)定出高準(zhǔn)度的六維力傳感器。值得一提的是，由于目前還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品可以直接 采購(gòu)，所以該設(shè)備一般由六維力傳感器的廠商自行研制。因此，六維聯(lián)合加載設(shè)備 是目前構(gòu)成市場(chǎng)上六維力傳感器差異的核心原因之一，也是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)六維力傳感 器的重要技術(shù)門檻。

2） 無(wú)效負(fù)載

問(wèn)題：影響傳感器精度的第二個(gè)因素是無(wú)效負(fù)載。無(wú)效負(fù)載是指在傳感器讀數(shù)中， 除了真實(shí)施加的有效負(fù)載力外存在的額外負(fù)載，無(wú)效負(fù)載會(huì)導(dǎo)致傳感器的實(shí)際讀數(shù) 和真實(shí)讀數(shù)發(fā)生偏離。一般而言，造成無(wú)效負(fù)載的因素有二： 一是傳感器以及整個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)自身的重力會(huì)對(duì)讀數(shù)產(chǎn)生影響； 二是在沒(méi)有任何外力作用下，環(huán)境（比如溫度、振動(dòng)、壓力和濕度等）造成的 傳感器輸出值的基準(zhǔn)值（即零點(diǎn)）發(fā)生漂移，也就是所謂的零漂。 在實(shí)際的測(cè)量應(yīng)用中，傳感器的初始讀數(shù)為機(jī)器人通電時(shí)的零點(diǎn)和工具的重力之和 構(gòu)成，因此初始讀數(shù)的準(zhǔn)確性是非常重要的，畢竟誤差會(huì)導(dǎo)致最終結(jié)果的不準(zhǔn)確， 最終影響機(jī)器人對(duì)作用力的信息反饋。因此重力實(shí)時(shí)補(bǔ)償與傳感器零點(diǎn)處理是較為 重要的處理步驟。

解決方案：對(duì)于工具重力負(fù)載，目前一般可通過(guò)算法解耦。而對(duì)于零點(diǎn)漂移而言， 產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的原因很多，任何元件參數(shù)的變化(包括電壓源電壓的波動(dòng))，都將造 成輸出電壓漂移。實(shí)踐證明，溫度變化是產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的主要原因，也是最難克服 的因素。這是由于半導(dǎo)體元器件的導(dǎo)電性對(duì)溫度非常敏感，而溫度又很難維持恒定。 對(duì)于一般的傳感器而言，可通過(guò)溫度補(bǔ)償（用另外一個(gè)元器件的溫漂來(lái)抵消電路的 漂移）、差動(dòng)式放大電路等方法抑制零漂問(wèn)題。 但六維力傳感器零點(diǎn)溫度漂移與一般傳感器不同，其關(guān)鍵是六維力傳感器是一種復(fù) 雜結(jié)構(gòu)，任一部分溫度分布不均或溫度梯度不對(duì)稱，均會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力使某些橋路輸 出變化。加工引起的不對(duì)稱性對(duì)溫度漂移影響很大，因此需要從彈性體等核心部件 的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程入手，通過(guò)硬件端的優(yōu)化抑制零漂。對(duì)于六維力矩傳感器而言， 抑制零漂對(duì)彈性體的制造工藝同樣有著較高要求。

3. 力傳感器的產(chǎn)業(yè)鏈剖析

3.1. 傳感器產(chǎn)業(yè)鏈

從傳感器的生產(chǎn)工藝流程可以看出，彈性體的制造加工和應(yīng)變片的生產(chǎn)組裝是兩個(gè) 較為重要的步驟。

首先是應(yīng)變片的生產(chǎn)。應(yīng)變片涉及到的原材料包括鋼材、鋁材、箔材、電線電 纜等，其中鋼材、鋁材以及電線電纜基本能實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)采購(gòu)，但是箔材基于材料 的特殊性，現(xiàn)在仍然以進(jìn)口為主。 其次是彈性體的制造。一般由傳感器廠商采購(gòu)上游鋼材或鋁材，按照傳感器設(shè) 計(jì)，將材料進(jìn)行機(jī)械加工，成為滿足應(yīng)變測(cè)試用的彈性元件。因此，彈性體的 供應(yīng)商一般是傳感器廠商。

3.2. 應(yīng)變片生產(chǎn)環(huán)節(jié)

國(guó)外應(yīng)變片生產(chǎn)技術(shù)較為領(lǐng)先，其中以美國(guó) Vishay、德國(guó) HBM、日本的 NMB 為代 表性企業(yè)。國(guó)內(nèi)廠商方面，中航電測(cè)是我國(guó)綜合實(shí)力、產(chǎn)品品類相對(duì)較強(qiáng)的應(yīng)變片 生產(chǎn)廠商，但在產(chǎn)品精度等性能方面與國(guó)際水平仍然有一定差異。 Vishay：成立于 1962 年，總部位于美國(guó)賓夕法尼亞州，是世界最大的無(wú)源半導(dǎo)體器 件、應(yīng)變片及稱重傳感器的最大制造商之一，目前集團(tuán)已經(jīng)有 69 個(gè)制造基地，遍 布全球 17 個(gè)國(guó)家。是國(guó)際公認(rèn)的電阻箔技術(shù)、傳感器和基于傳感器的適用于特定工 業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)方案的制造商。作為其四大運(yùn)營(yíng)事業(yè)部之一，Micro-Measurements (MM) 致力于開發(fā)、生產(chǎn)和銷售高精度應(yīng)變測(cè)量產(chǎn)品，提供 Advanced Sensors(AS 應(yīng)變片)、 應(yīng)力分析應(yīng)變片和應(yīng)變式傳感器、應(yīng)變片安裝附件等。

HBM：公司成立于 1950 年，公司總部位于德國(guó)達(dá)姆斯達(dá)特市，公司的創(chuàng)辦人霍丁 格先生是世界上應(yīng)變測(cè)量的先驅(qū)之一。當(dāng)前有 3個(gè)生產(chǎn)基地以及遍布全世界范圍內(nèi) 30 多個(gè)銷售代理機(jī)構(gòu)的跨國(guó)公司。公司的主要客戶遍布全球，世界上很多著名的衡器及測(cè)量方面的公司都與公司有密切的合作關(guān)系。HBM 產(chǎn)品范圍涵蓋傳感器、應(yīng)變 片、放大器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及用于結(jié)構(gòu)耐久性測(cè)試和分析的軟件。 作為全球領(lǐng)先的應(yīng)變片制造商，HBM 的應(yīng)變片種類繁多，適合多種不同的應(yīng)力測(cè)試 測(cè)量應(yīng)用，有超過(guò) 6000 種應(yīng)變片可供選擇。HBM 有超過(guò) 65 年的應(yīng)變片設(shè)計(jì)和制 造經(jīng)驗(yàn)。

NMB：成立于 1951 年，總部位于日本東京，多年來(lái)美蓓亞已經(jīng)形成了模具、軸承、 電腦配件、精密電機(jī)、應(yīng)變計(jì)、應(yīng)變式傳感器等多類產(chǎn)品系列。于 1994 年在中國(guó)投 資設(shè)立了第一個(gè)獨(dú)資生產(chǎn)基地--上海美蓓亞精密機(jī)電有限公司，截止至 2023 年 3 月， 美蓓亞三美已在上海、蘇州、珠海、青島等地?fù)碛辛?16家工廠和 2 個(gè)技術(shù)中心，銷售分支機(jī)構(gòu)遍布 17 個(gè)城市。2022 財(cái)年中國(guó)地區(qū)營(yíng)業(yè)額 2259 億日元，占集團(tuán)總營(yíng)業(yè) 額 17.5%。

中航電測(cè)：公司在國(guó)內(nèi)起步早、起點(diǎn)高，從事電測(cè)產(chǎn)品已有三十多年的歷史，具有 國(guó)際水平的設(shè)計(jì)能力、接近國(guó)際水平的工藝裝備及工藝制造技術(shù)，常溫電阻應(yīng)變計(jì) 技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到世界水平。公司具有應(yīng)變計(jì)、傳感器、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集、信號(hào) 處理、產(chǎn)品加工、特種工藝等一系列研發(fā)、設(shè)計(jì)及生產(chǎn)技術(shù)。 箔材熱處理技術(shù)：公司的箔材熱處理技術(shù)為自主研發(fā)，通過(guò)對(duì)熱處理爐的結(jié)構(gòu) 改造，提高了爐腔內(nèi)溫度場(chǎng)均勻性和箔材性能的一致性，降低了應(yīng)變計(jì)熱輸出 的分散。加強(qiáng)處理爐的密封性，保證高溫下處理箔材不受影響；采用了進(jìn)口的 溫度控制儀，保溫溫度精度在±0.1℃。 不銹鋼傳感器制造技術(shù)及負(fù)滯后應(yīng)變計(jì)制作技術(shù)：除美國(guó) Vishay 測(cè)量集團(tuán)及 德國(guó) HBM 公司外，公司為國(guó)內(nèi)本土唯一可以批量生產(chǎn)高性能不銹鋼傳感器 （采用沉淀硬化型不銹鋼為原料）的企業(yè)。 ZTC（溫度零點(diǎn)）、STC（溫度靈敏度）補(bǔ)償技術(shù)：ZTC、STC 是傳感器溫度 性能的主要指標(biāo)，該性能的檢測(cè)、補(bǔ)償需要較高的溫度基準(zhǔn)、力值基準(zhǔn)、以及 穩(wěn)定的檢測(cè)作保證，公司的這些基準(zhǔn)在同行業(yè)中屬于領(lǐng)先水平。 貼片技術(shù)：目前公司所掌握的貼片技術(shù)主要的工藝參數(shù)，已經(jīng)固化到批量生產(chǎn) 工藝中，批量生產(chǎn)的傳感器已完全具備 OIMLC3 級(jí)的能力,小批量可以達(dá)到 C4 級(jí)的能力。

3.3. 傳感器制造環(huán)節(jié)

六維力矩傳感器從應(yīng)變片生產(chǎn)、彈性體設(shè)計(jì)、參數(shù)標(biāo)定等一系列環(huán)節(jié)都需要較高的 技術(shù)工藝，國(guó)外比如 ATI、OnRobot 等在該行業(yè)已經(jīng)深耕多年，能夠?qū)崿F(xiàn)大量程、 高精度、高準(zhǔn)度等性能優(yōu)勢(shì)，而我國(guó)在該領(lǐng)域起步較晚，當(dāng)前正積極入局的包括宇 立、柯力等國(guó)內(nèi)優(yōu)秀企業(yè)。 ATI：美國(guó) ATI Industrial Automation 是全球范圍內(nèi)優(yōu)質(zhì)機(jī)器人零部件供應(yīng)商，專門 從事制造用于工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器人的高性能產(chǎn)品。ATI 公司在全球范圍內(nèi)為工業(yè)自 動(dòng)化、機(jī)器人以及相關(guān)領(lǐng)域提供了一系列的解決方案。它們?yōu)椴煌愋偷闹圃旌妥?動(dòng)化應(yīng)用設(shè)計(jì)并生產(chǎn)多種傳感器和附件。ATI 專注于機(jī)器人零部件的開發(fā)與制造， 核心產(chǎn)品涵蓋：多維力傳感器、順從性介質(zhì)連接器、伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備、材料去除工具 以及機(jī)器人防碰撞傳感器等。這些產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、航空航天、生物醫(yī)藥、 自動(dòng)化、電子產(chǎn)業(yè)、學(xué)術(shù)研究和核工程等多個(gè)領(lǐng)域。特別是在力/力矩傳感器方面， ATI 的產(chǎn)品被認(rèn)為處于業(yè)界領(lǐng)先，用于測(cè)量和分析機(jī)器人和其他工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的 力和力矩，幫助提高制造過(guò)程的精度、效率和安全性。在 2021 年 ATI 被 Novanta 公 司以 2.24 億美元的價(jià)格收購(gòu)。

ATI 在全球六維力傳感器市場(chǎng)中以其廣泛的產(chǎn)品系列和高性能保持領(lǐng)先地位。在 2022 年，公司的營(yíng)業(yè)收入達(dá)到約 5280 萬(wàn)美元。ATI 目前提供的六維力傳感器產(chǎn)品 有：Axia 系列、Nano 系列、Mini 系列、Gamma 系列、Delta 系列和 Omega 系列等， 同時(shí)提供根據(jù)客戶需求的定制服務(wù)。這些產(chǎn)品的量程從 32N 到 40000N，3Nm 到 6000Nm，能夠滿足大部分六維力傳感器的應(yīng)用需求。

OnRobot：丹麥 OnRobot 是機(jī)器人末端執(zhí)行器和協(xié)作機(jī)器人配件行業(yè)中國(guó)際龍頭企 業(yè)，主要專注于開發(fā)和制造先進(jìn)的機(jī)器人末端執(zhí)行器（End-of-Arm Tooling，EOAT）， 為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域提供解決方案。由四家專業(yè)的機(jī)器人技術(shù)公司合并而成，這四家 公司分別是 Perception Robotics（專門生產(chǎn)機(jī)器夾爪），OptoForce（專門生產(chǎn)機(jī)器人 力/扭矩傳感器），On Robot（專門生產(chǎn)電動(dòng)夾持器）和 Purple Robotics（專門生產(chǎn)雙 真空夾持器）。OnRobot 致力于推動(dòng)協(xié)作機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)旨在使機(jī)器 人更加智能、靈活，并易于使用。OnRobot 提供的產(chǎn)品主要包括各種類型的機(jī)器人 夾具、傳感器和軟件等。這些產(chǎn)品應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如包裝、裝配、材料搬運(yùn)和機(jī) 器上下料等。OnRobot 還提供軟件解決方案，以便用戶更加直觀和便捷地進(jìn)行機(jī)器 人編程和控制。 OnRobot 提供一系列完整的產(chǎn)品，為工業(yè)機(jī)器人提供多樣化的工具和軟件解決方案， 滿足了機(jī)器人在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的需求。公司的產(chǎn)品譜系極為豐富，包括：電動(dòng)夾 爪、真空夾爪、磁性?shī)A爪、Gecko 夾持技術(shù)、力/扭矩傳感器、2.5D 視覺(jué)系統(tǒng)、電動(dòng) 螺絲刀、砂光機(jī)和工具更換器等。這些產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)環(huán)境和場(chǎng)合，如 機(jī)床管理、材料搬運(yùn)、材料去除、質(zhì)量檢測(cè)和機(jī)械裝配等領(lǐng)域，展現(xiàn)了其多樣性和實(shí)用性。通過(guò)提供這些先進(jìn)的工具和軟件，OnRobot 強(qiáng)化了工業(yè)機(jī)器人的功能性和 靈活性，使之能更好地適應(yīng)和滿足各種工業(yè)應(yīng)用的需求。

柯力傳感：柯力傳感自 1995年成立以來(lái)，一直致力于應(yīng)變式傳感器、儀表和物聯(lián)網(wǎng) 系統(tǒng)等領(lǐng)域的研發(fā)、制造和銷售，是一家國(guó)家級(jí)重點(diǎn)高新技術(shù)企業(yè)，是國(guó)內(nèi)最重要 的稱重元件制造和銷售企業(yè)之一。作為國(guó)內(nèi)應(yīng)變式傳感器的領(lǐng)軍企業(yè)，公司的主營(yíng) 業(yè)務(wù)涵蓋了應(yīng)變式傳感器、儀表的研制、生產(chǎn)和銷售，以及系統(tǒng)集成和各種先進(jìn)系 統(tǒng)和服務(wù)的提供，如不停車檢測(cè)系統(tǒng)、無(wú)人值守一卡通智能稱重系統(tǒng)、制造業(yè)人工 智能系統(tǒng)、企業(yè)數(shù)字化建設(shè)軟件開發(fā)服務(wù)、移動(dòng)資產(chǎn)管理系統(tǒng)和物流分揀系統(tǒng)等。 柯力傳感在應(yīng)變式傳感器領(lǐng)域的深耕讓其市場(chǎng)份額達(dá)到 25%?？铝鞲羞B續(xù) 14 年 保持國(guó)內(nèi)稱重傳感器市場(chǎng)的第一的地位。作為國(guó)內(nèi)應(yīng)變式傳感器的龍頭企業(yè)，以其 強(qiáng)大的研發(fā)實(shí)力、先進(jìn)的技術(shù)水平和龐大的生產(chǎn)規(guī)模，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中占有約 25%的 市場(chǎng)份額。公司目前多維力系列產(chǎn)品仍處于研發(fā)和小批量試制階段。柯力傳感在深 圳成立了專門的機(jī)器人傳感器事業(yè)部，專注于開發(fā)多維力傳感器，如三維和六維力 傳感器。這些傳感器可以應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括機(jī)器手臂的運(yùn)動(dòng)和工作載荷監(jiān)測(cè)、 曲面研磨拋光、加工中心精雕加工和醫(yī)療設(shè)備精密測(cè)控，且具備高精度、高靈敏度、 強(qiáng)抗偏載能力和小維間耦合等優(yōu)勢(shì)。盡管這些多維力系列產(chǎn)品目前還處于小批量試 制階段，但公司正基于現(xiàn)有的高端力學(xué)傳感器，如微型、扭矩和多維力傳感器，加 快研發(fā)速度，并積極尋找與各大機(jī)器人制造商的合作機(jī)會(huì)。

宇立儀器：由原美國(guó) FTSS 的總工程師黃約博士創(chuàng)建的公司，是全球知名企業(yè) ABB的戰(zhàn)略供應(yīng)商，其產(chǎn)品被世界各地的機(jī)器人廣泛使用。宇立在機(jī)器人打磨、組裝以 及力控產(chǎn)品方面享有國(guó)際聲譽(yù)。美敦力 (Medtronic) 所生產(chǎn)的腹部手術(shù)機(jī)器人采用 了宇立的傳感器，意味著宇立的產(chǎn)品已經(jīng)符合醫(yī)療設(shè)備生產(chǎn)的高標(biāo)準(zhǔn)。作為全球領(lǐng) 先的六軸力傳感器供應(yīng)商，宇立的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括機(jī)器人與自動(dòng)化、 汽車碰撞測(cè)試、汽車耐久測(cè)試、生物力學(xué)和通用試驗(yàn)設(shè)備。 目前宇立已建設(shè)了 4500 平米的生產(chǎn)基地，擁有完善的生產(chǎn)體系，包括機(jī)械加工、潔 凈傳感器生產(chǎn)、組裝和測(cè)試車間。宇立儀器起初主要從事汽車碰撞假人領(lǐng)域的研發(fā) 與生產(chǎn)，打破了國(guó)外品牌的壟斷，逐漸發(fā)展成為一個(gè)集研發(fā)、生產(chǎn)為一體的高科技 企業(yè)。與 ABB、庫(kù)卡、安川、富士康等國(guó)際頂級(jí)機(jī)器人企業(yè)建立了合作關(guān)系，客戶 涵蓋了汽車安全、汽車耐久、機(jī)器人自動(dòng)化和醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域。其主要產(chǎn)品包括多 軸力傳感器，例如六維力傳感器、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)備如 iGrinder 智能浮動(dòng)力控和一套完整的機(jī)器人智能打磨設(shè)備，以及汽 車測(cè)試設(shè)備，如汽車耐久測(cè)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(cè)試系統(tǒng) ADAS。

4. 千億市場(chǎng)規(guī)模，有望受益人形機(jī)器人爆發(fā)

4.1. 市場(chǎng)規(guī)模

當(dāng)前六維力傳感器市場(chǎng)規(guī)模尚小，但未來(lái)有極大的成長(zhǎng)潛力。2019年全球力傳感器 市場(chǎng)價(jià)值為 18 億美元，預(yù)計(jì)到 2025 年將達(dá)到 25.3 億美元，在 2020-2025 年的預(yù)測(cè) 期內(nèi)復(fù)合年增長(zhǎng)率為 5.9%。根據(jù)高工機(jī)器人產(chǎn)業(yè)研究所（GGII）的數(shù)據(jù)， 2022 年 中國(guó)市場(chǎng)六維力/力矩傳感器銷量達(dá)到 8360 套。假設(shè)六維力傳感器銷售均價(jià)為 2 萬(wàn) 元，則 2022 年中國(guó)六維力傳感器市場(chǎng)規(guī)模約為 1.7 億元。 從總體出貨量觀察，目前六維力/力矩傳感器市場(chǎng)的基數(shù)仍然較小，還未形成顯著的 規(guī)模效應(yīng)。但隨著更多的參與者加入以及下游細(xì)分市場(chǎng)的認(rèn)知不斷提高，六維力/力 矩傳感器市場(chǎng)有望經(jīng)歷快速的發(fā)展期。在此期間預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)技術(shù)路線的發(fā)展， 產(chǎn)品矩陣的完善，產(chǎn)品成本的減少，以及國(guó)產(chǎn)化率的提升。

4.2. 人形機(jī)器人 0-1 爆發(fā)，帶來(lái)未來(lái)巨大新增需求

如我們?cè)凇度诵螜C(jī)器人專題（上篇）》所提到，機(jī)器人以其卓越的性能優(yōu)勢(shì)，正在逐 漸替代某些傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的角色。盡管傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人已能滿足工業(yè)制造中的大 多數(shù)需求，但人形機(jī)器人能夠填補(bǔ)其無(wú)法觸及的領(lǐng)域，主要是那些需要更高靈活性 的工種。例如，在搬運(yùn)、焊接、組裝、檢測(cè)等多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中，傳統(tǒng)機(jī)器人的應(yīng)用 受到其可移動(dòng)性差和安裝條件高的限制，特別是在需要高度靈活性和特定長(zhǎng)尾需求 的場(chǎng)合，其表現(xiàn)尤為不足。這些傳統(tǒng)型態(tài)的工業(yè)機(jī)器人，盡管可進(jìn)行功能開發(fā)來(lái)滿 足特定需求，但需經(jīng)過(guò)專業(yè)人員的編程、測(cè)試和開發(fā)，整個(gè)流程缺乏靈活性。與此 同時(shí)，盡管協(xié)助機(jī)器人易于操作和編程，卻只適用于簡(jiǎn)單任務(wù)，并且由于屬于輕量 級(jí)，其負(fù)載能力有限。綜上所述，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人在靈活性和易用性方面存在明顯 短板，難以滿足一些特定和靈活性要求較高的工業(yè)需求。 人形機(jī)器人將成為傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人不可或缺的補(bǔ)充，他們的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在出類拔 萃的靈活性和移動(dòng)能力。與人類一樣，他們可以迅速并靈活地在各種工廠場(chǎng)景中移 動(dòng)，能夠在任務(wù)執(zhí)行中通過(guò)大模型訓(xùn)練迭代，實(shí)現(xiàn)自主決策，以針對(duì)各種工作和場(chǎng) 景做出實(shí)時(shí)反饋。借助更高級(jí)別的自主決策能力和超越的移動(dòng)性，人形機(jī)器人能夠 有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的缺陷，并可以替代一些原本由人執(zhí)行的任務(wù)，展現(xiàn)在 工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用潛力巨大。

由于成本優(yōu)勢(shì)，機(jī)器人有潛力部分取代人力。尤其在勞動(dòng)力成本高昂的海外市場(chǎng)， 機(jī)器人代替人工的經(jīng)濟(jì)效益變得更加明顯。以美國(guó)為例，除了基本薪酬外，勞動(dòng)成 本還包括稅費(fèi)、福利、保險(xiǎn)、培訓(xùn)費(fèi)用和由于法律法規(guī)風(fēng)險(xiǎn)可能產(chǎn)生的潛在成本。 基于簡(jiǎn)單的成本對(duì)比，即使在機(jī)器人的價(jià)格和運(yùn)行成本都計(jì)入考慮，其運(yùn)行成本仍 然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人力成本。因此，盡管不可能完全取代人力，機(jī)器人的經(jīng)濟(jì)性和效率仍 將推動(dòng)它在某些領(lǐng)域替代傳統(tǒng)勞動(dòng)力，尤其是在那些價(jià)值不高的職位上。這反映了 機(jī)器人在未來(lái)工業(yè)場(chǎng)景中替代傳統(tǒng)勞動(dòng)力的巨大潛力和價(jià)值。 因此，隨著人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的 0-1 爆發(fā)放量，我們認(rèn)為，六維傳感器作為機(jī)器人的 重要零部件，將充分受益。