六维力传感器核心指标、竞争格局及增量空间如何?

最佳答案 匿名用户编辑于2025/05/22 09:35

国产玩家进展较快,人形机器人催生广阔空间。

1.六维力传感器是人形机器人精准力控的关键

六维力传感器能够检测力在空间作用的全部信息,即在笛卡尔空间坐标系所形成的三个力分量(Fx、Fy、Fz)和三个力矩分量(Mx、My、Mz)都可以被完整描述,从而对力进行精密测量与控制;六维力测量的需求最早来自航空航天飞行器领域,飞行器内部的六维力传感器用来测量飞行器的空气动力学特性,包括正交三方向力(升力、阻力、侧向力),以及三方向力矩(俯仰力矩、偏航力矩和滚转力矩)。

六维力传感器相对于三维力传感器增加对三方向力矩的测量,能够更精准地测量力觉信息。举例来看,当力的方向与传感器的测量轴线平行但不重合(即力的作用点与传感器标定参考点不重合)时,仅采用三维力传感器可能测量出现误差,因为基于理论力学中力的平移等效原理,相当于有一个力和弯矩同时作用在传感器上,此弯矩对传感器产生一定变形作用。三维力传感器加载标定时无法考虑弯矩,使得标定出的模型和参数无法将弯矩的干扰修正消除,导致误差。力经正交分解并平移后,传感器既要承受力 Fx/Fy/Fz 三分量作用,又要承受Mx/My/Mz三个弯矩作用,弯矩越大,三维力的测量越不准确。六维力传感器可精准地修正三方向力和三方向弯矩之间的耦合误差,很大程度上消除弯矩对力测量干扰。

核心指标:六维力传感器的核心指标包括串扰、精度、准度、满量程、满量程输出、灵敏度、迟滞、分辨率、过载能力等。

串扰:用来衡量多维力传感器各测量方向间的耦合影响,可反映测量误差水平,是衡量六维力传感器性能关键指标之一。串扰需分别对六维力传感器的六个测量方向精确加载至各自的额定载荷,记录六个方向测量结果。如载荷组1中,仅对 Fx 方向加载到额定载荷,并假设加载方向和载荷值准确,所以理论上Fx 是 100%FS,其它方向是 0%FS;而实际测试结果显示,Fy、Fz、Mx、My、Mz测量结果并非为 0%FS,其值大小即为在 Fx 作用下的串扰。根据坤维科技,比较优秀的串扰指标在 1%FS 左右,2~5%FS 比较常见。

精度与准度:精度强调测量结果的重复性,准度强调测量结果与理论真值之间的偏离程度。准度涵盖滞后、线性、蠕变等误差因素,更能体现产品的综合性能,是多维力传感器最为核心的技术指标之一。

精度等级:根据国家标准《GB/T33010-2016 中华人民共和国国家标准·力传感器的检验》,力传感器可分为 0.01~1 八个级别;2023 年9 月工信部发布的《关于组织开展 2023 年未来产业创新任务揭榜挂帅工作的通知》中,《人形机器人揭榜挂帅任务榜单》提到:到 2025 年,完成人形机器人系列化力传感器的设计与制造,满足驱动关节、手指、足底等肢体末端力测量需要,并在人形机器人上开展实际应用。传感器采用低成本、高性能的设计,精度达到0.5%FS,响应时间优于0.03s,具有智能信息采集与处理能力,提升力传感器的智能化水平。

2.竞争格局:国产替代进程加速

六维力传感器外资品牌先发优势明显,国内仍处产业早期,但已有国产替代趋势。全球六维力传感器厂商品牌主要分布在欧美、中国、日韩三大地区。根据QYResearch,目前六维力传感器行业高端市场以外资品牌ATI IndustrialAutomation、Epson 等为主,但外资品牌近几年市占率持续下降。近年来,国产入局者逐渐增加,但受限于该领域的高技术壁垒,真正具备批量化产品供应能力的厂商依然偏少。国内厂商包括坤维科技、鑫精诚、宇立仪器、柯力传感等。据智研咨询,2023 年国内六维力传感器 67.9%市场份额由外资品牌占据,相比2020年国产替代趋势明显(增长 13pct)。国产产品性能不断提升,2023 年国产六维力传感器品牌市场份额 32.1%,本土企业宇立仪器市场份额仅次于ATI,排名第二,占比 12.2%,其在工业机器人磨抛行业和汽车碰撞测试行业应用较多;蓝点触控、坤维科技也具备较强竞争力,分别占比 4.8%、4.7%;尽管国产品牌与外资产品在精准度方面已基本对齐,但在灵敏度、串扰、抗过载能力及维间耦合误差等指标上仍有提升空间。

部分中国玩家如坤维科技、宇立仪器、蓝点触控等国产品牌厂商未上市,上市公司中如柯力传感、凌云股份等上市公司也依托前期在传感器产业的积累,积极布局六维力传感器。国内六维力传感器入局者逐步增多。

3.市场规模:人形机器人打开增量空间

六维力传感器应用领域广泛,未来人形机器人将为六维力传感器带来广大应用空间。当前主要应用于汽车行业的碰撞测试、轮毂测试和零部件测试等,以及航空航天、生物力学、医疗康复、科研实验、机器人与自动化等领域。人形机器人对精准力控要求高,未来预计能够为六维力传感器带来庞大增量需求。

根据 QYResearch,2024 年全球六维力传感器销量近6 万套,其中国内销量约1.7万套。目前六维力传感器市场基数仍较小,规模效应不明显,价格依然较高,据GGII,现阶段的六维力传感器价格基本在 1~2 万之间;2025 年预计为人形机器人量产元年,随后续机器人出货量以及搭载率的提升带来的成本摊销,六维力传感器单价有望逐步下探有望下探至 1000-2000 元);结合GGII 测算2030 年人形机器人领域六维力传感器市场规模将达 138.4 亿元。