一、事件驱动

1、2023年9月，工信部发布《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》，面向元宇宙、人形机器人、脑机接口、通用人工智能4个重点方向。其中《人形机器人揭榜挂帅任务榜单》提到：

（三）力传感器

揭榜任务：面向人形机器人准确获取驱动关节和肢体末端触感力学信号的需求，突破稳定可靠的力传感器结构设计与制造、智能化信号处理与分析、多信息智能识别与模型分析等关键技术；研制系列化、高性能、低成本、智能化的新型力传感器；发展低成本、规模化的传感器生产制造方法，推动新型力传感器在人形机器人上的产业化应用。

预期目标：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、2023年12月12日，特斯拉 Optimus-Gen 2新视频发布，步行速度提升 30%，平衡能力和身体控制能力均有所改善，搭载了由特斯拉设计的执行器和传感器、2个自由度驱动颈部、响应更快的11个自由度手部、足部力/扭矩传感器、铰接式脚趾等。此次视频表明特斯拉对力/力矩传感器等做出较大改进。

3、《科创板日报》2024年4月27日报道，北京人形机器人创新中心自主研发的第一代通用人形机器人母平台暨本体“天工”发布。

 “天工”机器人身高163厘米，轻量化体重达43千克。发布会上， “天工”小跑上场，展示了行走、原地踏步、小跑上坡、转身等一系列动作。

 “天工”机器人配备多个视觉感知传感器，具备每秒550万亿次操作算力、高精度的惯性测量单元（IMU）和3D视觉传感器，已解决基本运动控制问题，还配备了高精度的六维力传感器，以提供精确的力量反馈。

提示：北京人形机器人创新中心是国内首家省级人形机器人创新中心，股东包括京城机电、优必选、小米机器人、亦庄机器人。

二、什么是力传感器？

力传感器，通过检测物体和设备之间的力来确定被测物体的位置和运动情况；核心原理是将力作用下的形变转换成电信号，能检测张力、拉力、压力、重量、扭矩、内应力和应变等力学量。

根据测量原理不同，分为光电式、应变式、电容式、压电式等类型。其中，应变式传感器在稳定性、刚度、信噪比等多方面具备优势，同时具备精度高、价格低、易用等优点而最受欢迎，应用范围最广，使用量约占力传感器总量的90%左右。

根据所测力的维数不同，力传感器分为单维力传感器和多维力传感器。最常见的是一维、三维和六维力传感器。

一维力传感器：在力的方向和作用点是固定的情况下，用于测量单一维数方向上的力或力矩，如天平、体重秤；三维力传感器：如果力的方向随机变化，但力的作用点保持不变，并且与传感器的标定参考点重合，可进行测量三个维度的力或力矩；六维力传感器：如果力的方向和作用点都在三维空间内随机变化，就可用其测量沿三个坐标轴方向的力和绕三个坐标轴方向的力矩。

三、为什么用六维力传感器？

（一）六维力传感器的优点

六维力传感器，能给出最全面的力学信息、提升传感精度，不是多个低维力传感器简单叠加就能替代的。六维力传感器凭借测量能力和高级解耦算法，成为提高测量准确性和可靠性的必选方案。具体的优点包括：

（1）提供更全面的力或力矩数据，增加了测量维度；（2）通过高精度联合加载标定，可获得强大的非线性拟合能力，内部算法能够解耦各方向力和力矩间的干扰，增加测量准确性；（3）获取力矩信息后，可利用力矩信息推算获取受力部件姿态，监测力矩是否在安全范围内，以避免传感器过载损坏。

（二）六维力传感器核心指标

（1）串扰：用来衡量六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；（2）精度：衡量测量结果之间的重复性；（3）准度：衡量测量结果与理论真值的偏离程度，涵盖滞后、线性、蠕变等误差因素，更能体现产品综合性能。

（三）六维力传感器应用广泛

当前，六维力传感器主要应用于工业自动化领域，规模占比超过7成，其次是汽车（碰撞测试、轮毂、座椅等零部件测试等）；但在人形机器人行业应用规模的增速远超其他行业。具体应用举例如下：

工业领域：打磨等传统工业机器人，产品安装在工业机器人末端，可实现高精密柔性装配、焊接、去毛刺作业、拖动示教等应用；

医疗手术和康复领域：安装在手术机器人末端的六维力产品可帮助感知人体各个方面的实时参数，包括力量、重量等，从而实现高质量的手术操作、降低手术风险。具体包括血管介入手术机器人、康复机器人、外科手术机器人等，目前还处于早期阶段，潜力较大。

四、六维力传感器在人形机器人中的应用

六维力传感器，能够提升机器人操作的精细化与柔性化程度，是当前机器人力控的最佳方案。在人形机器人中的应用场景包括：力控、摆动稳定控制、安全控制。

1、力控：机器人手臂可进行复杂的力控操作，比如抓取物品、装配或拍打等操作；六维力传感器能够感知机器人手臂施加在物品上的力和扭矩，以便机器人控制系统进行精密控制。

2、摆动稳定控制：人形机器人保持行走过程的平衡也要用到；可以感测机器人脚下地面反作用力，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。

3、安全控制：可用于安全控制系统，实现机器人在进行危险操作之前或者人类接近机器时的自动停止，避免对人体造成伤害。

总的来说，因为人形机器人对双足行走和手部精细操作的控制要求很高，因此六维力传感器通常安装在手腕、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。

五、技术壁垒

六维力传感器的核心技术门槛包括：解耦方法、六维联合加载标定检测系统、降低零点漂移、温度漂移等。

（一）解耦方法

多维力传感器的维间耦合，是说当精确施加（输入）某一单维度力或力矩时，其他维度会产生力分量输出，影响精度。一般用串扰指标来衡量多维力传感器各测量方向间的耦合影响，反映测量误差水平。优秀的串扰在 1%FS（Full Scale，全量程）左右，2-5%FS比较常见。上文提到，工信部的要求是争取精度达到0.5%FS。

减少耦合误差的方式有结构解耦、算法解耦两种。结构解耦，指改变结构和材料、改善加工工艺等，但实际应用中无论如何优化，都无法实现对载荷的完全解耦，因此彻底解耦必须引入数学模型，即算法解耦。算法解耦，也称软件解耦，指利用合适的算法推导出六维力传感器输入值与输出值的关系。

（二）六维联合检测标定设备

传感器的标定是指获得传感器固件参数，检测是获得传感器的精准度。检测与标定直接影响传感器的解耦过程和解耦结果的检验。

六维力传感器需要六维联合加载检定，即采用三个方向的力和三个方向的力矩同时加载的方式。简单来说，只有采用六维联合加载的方式，才能实现传感器0.5%FS的准度。

目前，六维联合加载检测或标定设备是高精度六维力传感器研发和生产的必要条件，但目前技术门槛和成本投入都较高。六维联合加载设备主要组成部件包括传感器支撑装置、自动加载系统、位移测量系统及数据采集系统。六维联合加载设备目前没有标准产品直接采购，一般都是由六维力传感器厂商自行研制。

（三）控制漂移误差

传感器的漂移是指在外界干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。零漂、温漂代表传感器长时间工作的稳定性。

零点漂移：传感器的零点如果漂移，则必须经常进行仪器调零，以消除测量误差；温度漂移：当温度变化时，传感器输出值的便宜程度，一般以温度变化1℃，输出最大偏差与满量程的百分比进行表示；

总体而言，漂移可通过硬件设计、材料、软件补偿、温度补偿以及自我矫正等来减小。

六、重点公司梳理

柯力传感：智能传感器龙头；开发的六维力传感器，可用于机器手臂运动与工作载荷监测、曲面研磨抛光、加工中心精雕加工、医疗设备精密测控等领域。六维力产品多次向工业机器人企业送样；

昊志机电：公司电主轴领域全球市场占有率第一；谐波减速器、无框力矩电机、编码器、直驱电机、驱动器等产品可应用于人形机器人；已有生产六维力矩传感器，该产品目前主要应用于与客户共同开发的按摩机器人上，且已形成批量销售；

瀚川智能：主要产品为智能制造装备和零部件；参股坤维科技，坤维科技是提供高精度力觉传感器（六轴力传感器）及力控解决方案的企业；

苏州固锝：参股明皜传感是国产MEMS加速度计传感器的主要供应商之一，产品包括加速度计传感器、力度传感器、温度传感器等；公司主要产品为各类半导体二极管，具备全面二极管晶圆、芯片设计制造及二极管封装、测试能力；子公司苏州晶银是导电银浆供应商；

汉宇集团：控股子公司同川科技已实现谐波减速器批量生产和销售；同川科技参股海伯森，海伯森主营包括3D闪测传感器、3D线光谱共焦传感器、点光谱共焦位移传感器、超高速工业相机和六维力传感器等，主要应用在机器视觉检测、3D视觉应用、机器人自动化控制和智慧交通等领域；

东华测试：国内领先的结构力学性能研究和电化学工作站整体解决方案提供商；传感器产品包括加速度、速度、位移、应变、转速、压力传感器等；现有产品可用于机器人结构力学性能分析与优化设计，帮助优化机器人的机械性能和运动控制，目前正在推进力矩传感器研发样品试制；

中航电测：中国航空工业集团控股。产品主要涉及飞机测控产品和配电系统、机动车检测系统、等多个方向；国内应变式传感器龙头企业，主要竞争对手是柯力传感；

康斯特：主营数字检测仪器设备研产销，提供高性能和高可靠性的压力、过程信号、温湿度校准测试产品解决方案。在传感器的测评和补偿算法方面处于国际领先水平，正加速进行多结构传感器开发与产线设计；加速布局 MEMS 压力传感器及垂直制造项目。

本文主要参考：

1、柯力传感2019年招股说明书；

2、明皜传感2023年6月科创板招股书