何为六维力传感器，在人形机器人中发挥什么作用？

12月13日，特斯拉Optimus官方发布Optimus-Gen2视频。Optimus-Gen2与上一代相比外形出现较大改变，硬件方面新增脚部力&扭矩传感器和手部触觉传感器，脚部具有脚趾和鞋子，运动速度提升30%，灵巧手具有11自由度，所有手指均具备感知触觉。

从宣传视频的介绍看，新增的触觉传感器、力传感器以及更强大的平衡感知能力是特斯拉第二代Optimus人形机器人的主要亮点。人形机器人传感器检测对象不同分为内部传感器和外部传感器，其中内部传感器是用来感知机器人的自身状态的传感器，比如位置、速度、加速度；外部传感器是用以感受机器人周围环境、目标物的状态信息的传感器，比如视觉、触觉、听觉、嗅觉、温度、力觉等。

人形机器人中，对柔顺控制要求高的手腕和脚踝使用六维力传感器，用于准确获取驱动关节和肢体末端触感力学信号的感知，以及防摔倒等功能，而身体的其他关节则使用关节扭矩传感器。

六维力传感器能够同时测量沿三个坐标轴方向的力和绕三个坐标轴方向的力矩，是维度最高的力传感器，能够给出最全面的力觉信息。相较于低维力传感器，六维力传感器的技术难度和使用难度高，但对于机器人产业链的智能装配和以及人形机器人的精密场景应用非常重要。

在优必选的Walker机器人介绍中，手腕和脚腕出总共搭载了4个六维力传感器。优必选招股书披露Walker机器人主要成本是六维力传感器，单价超过1.5万元，总价达到6万元，而其他环境传感器单价较低约仅为0.4元。

何为六维力传感器，为何单价那么高，在人形机器人中又发挥着怎么样的作用？下面笔者将和大家一起探讨和学习，共同揭开它神秘的面纱。

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六维力传感器介绍

01. 原理

力矩传感器是一种用于测量物体所受到的力矩或扭矩的传感器。力矩是绕轴旋转时的力的效果，可以是静态力矩（未产生旋转的力矩）或动态力矩（产生旋转的力矩）。力矩传感器的作用是将物体的力矩转化为电信号，从而可以进行测量、监测和控制。

六维力测量的需求最早来自航空航天飞行器研究领域，安装在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，包括飞行器的升力、阻力、侧向力、俯仰力矩、偏航力矩和滚转力矩，逐渐应用到汽车测试、生物力学、机器人等领域。

按照测量维度，力觉传感器可以分为一至六维力传感器。在指定的直角坐标系内，传感器如果能同时测量沿三个坐标轴方向的力和绕三个坐标轴方向的力矩，这类力觉传感器我们就称它为六维力传感器，或者六轴力传感器。

表|不同力的维度测量原理

来源：坤维科技公众号，与非研究院整理

六维力传感器的内部算法，会解耦各方向力和力矩间的干扰，使力的测量更为精准。高精准度的六维力器，可以确保在六维度联合承载的情况下，测量值偏差在量程的0.3%FS以内。

图|机器人末端关节

来源：坤维科技公众号

机器人末端关节上使用的六维力传感器一般还要连接一个执行机构，比如是打磨头、夹爪、灵巧手等，执行器工作过程中的力臂在几十到两三百mm之间，力臂较大且随机变化。因此机器人上的力觉传感器一般采用六维力传感。

02. 分类

按照压力原件分类，硅应变片式力传感器性能最优，压电式转换元件主要应用在非六维力传感器中。根据转换元件的不同，传感器主要分为应变式力传感器、光学式传感器以及压电式力传感器：

应变式力传感器：采用的是硅应变片或金属箔，压电式传感器可分为电容和压电两种。其原理都是转换元件应变片随力敏元件同时发生形变，导致自身电阻值、电压差、光栅变化，通过电信号反应力和力矩的改变。硅应变片能够保持高刚度、稳定性和信噪比，缺点是成本较高、制作工艺复杂；

光学式元件：测量范围较广、抗电磁干扰能力强，但缺点是刚性偏弱，并且对环境的要求较高；

压电/电容式元件：拥有高灵敏度和高分辨率，并且环境适用性较强，但缺点是电路复杂，信号漂移难以抑制。

03. 技术壁垒

六维力矩传感器的技术壁垒体现在：结构耦合设计、标定校准、数据精确采集、解耦算法四个方面。

在六维力矩传感器标定过程中，采用三个方向的力和三个方向的力矩同时加载的方式，就叫做六维联合加载标定，需要标定的样本点就达到了 9 的 6 次方，即 531441 个。

图|样本空间比较图

六维联合加载设备是高精度六维力传感器研发和生产的必要条件。它可以对力觉传感器实现正交三个方向力和三个方向力矩的同时精确加载，只有在传感器标定和检测过程中采用这种六维联合加载的方式，才能实现 0.5%FS 准度。设备无标品可以采购，靠厂家纯自研获得。

图|线性模型VS非线性模型

04. 成本

六维力矩传感器单价昂贵是六维力矩传感器无法广泛普及的重要原因之一。ATI 旗下机器人常用的 mini45、axia80 m8、nano43 型号产品进口价格全都超过3万元人民币，大型传感器 omega191进口价格在10.5万元。国产厂商海伯森产品标价为 4.5万元，优必选采用的单价1.5万元。

六维力矩传感器成本：BOM+贴片+研发+其他，应变片成本占比最大。应变片式六维力矩传感器性能最优，我们以此类传感器为例分析其成本结构：

BOM：弹性体（特种钢材）+应变片（硅、金属）+PCB 板+粘合胶（环氧树脂等）。海外高端力传感器主要使用硅应变片：根据边湾贸易和竑浜电子数据，在分别除去运、税费后，硅应变片龙头 KYOWA 的 KFWB 型号应变片和 HPI 的 HFP-12- 063ZPW 应变片的价格分别为 696 元/片和 1148 元/片。弹性体、PCB 板以及粘合胶价格相对较为便宜。

贴片：目前国内外六维力矩传感器厂商都依赖人工在显微镜下完成手动贴片、焊接操作。华兰海外售人工贴片服务，根据其官网数据，一台传感器的贴片人工费用为1000元/台左右。

研发：弹性体设计、贴片仿真、标定检测、解耦算法以及六维联合加载设备的技 术开发都需要大量的研发成本。

其他：软件算法、六位联合加载设备制造（固定成本）与设备维修、折旧等成本。

05. 市场空间

图|我国六维力/力矩传感器销量

来源：GGII数据、中航证券研究所

根据GGII数据，2022年我国六维力/力矩传感器销量4840套，同比增长62.58%，预计2023年销量有望突破6700套，同比增速40%左右。目前六维力矩传感器的应用下游以机器人（工业机器人、协作机器人）、医疗领域为主，未来人形机器人有望打开六维力矩传感器的应用新空间。

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国内主要六维力传感器企业介绍

01. 坤维科技

常州坤维传感科技有限公司成立于2018年，是一家致力于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。公司主营智能力觉传感器的研发、制造、销售、及技术推广，开发面向机器人及其他智能装备行业的力觉传感器产品，为机器人及其它智能装备、工业过程监控、产品质量检测、科研测试测量等领域提供力觉测量解决方案及相关产品。

传感器主体内置嵌入式采集系统对应变片的电压信号进行实时处理，转换为实际承受的载荷值，以数字信号形式进行输出。

表|坤维科技六维力产品列表

来源：坤维科技官网、与非研究院整理

坤维科技六维力产品覆盖11 大系列，尺寸覆盖直径36mm~116mm，厚度18mm~47mm，量程覆盖30N~8000N，1.5Nm ~8000Nm。

02. 宇立仪器

SRI宇立仪器是集研发、生产为一体的技术密集型企业，公司主营多轴力传感器、力控打磨设备和汽车测试设备，围绕力测量和力控制，为全球客户提供系列化的解决方案。多轴力传感器包括六维力传感器、三维力传感器、一维力传感器和关节扭矩传感器。力控打磨设备包括iGrinder智能浮动力控、力控打磨工具和成套的机器人智能打磨设备。汽车测试设备包括汽车耐久测试力传感器、汽车碰撞假人力传感器、碰撞力墙和辅助驾驶测试系统ADAS。

SRI拥有27项专利，取得了ISO9001质量体系认证和CNAS实验室认证。SRI拥有30多年传感器设计和力控经验，100% 自主研发及生产技术，传感器型号超过500种，实际应用超过2000例，60000多SRI传感器全球服务进行中。

客户遍布世界各地，涵盖汽车、机器人自动化和医疗等领域，典型客户包括全球大部分汽车企业、美敦力Medtronic、ABB、KUKA、YASKAWA和高校研究所等。

图|宇立仪器发展历程

来源：宇立仪器官网

表|宇立系列六维力传感器

来源：宇立仪器官网、与非研究院整理

宇立仪器六维力产品覆盖9大系列，尺寸覆盖直径15mm~1500mm，厚度5mm~110mm，量程覆盖25N~600000N，0.5Nm ~9000Nm。宇立仪器量程覆盖范围最广。

03. 海伯森

海伯森技术(深圳)有限公司2015年成立，公司始终专注工业传感技术的创新，并在光学精密测量、工业2D/3D检测、机器人智能应用等领域形成了成熟的产品矩阵，主营产品包括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。目前公司全面布局海内外市场，旨在为3C电子、工业自动化、精密工件检测、医疗、科研等行业领域提供精密智能传感技术。

海伯森技术自主研发的六维力传感器不仅被用于机器人的末端操纵装置和夹具，而且还用于机器人的其他部分，例如躯干、手臂、腿和头部等。这些特殊的力矩传感器被用于监测肢体快速运动、侦测障碍物并向机器人的中央处理器提供安全警示。例如，当机器手臂中的力矩传感器感测到机器手臂因碰撞到物体而出现突然及意外的外力时，其控制安全软件能使手臂停止动作并缩回其位置。具体应用场景包括力反馈控制、柔性精密装配、拖动示教等。

海伯森六维力产品覆盖6大系列，尺寸覆盖直径25mm~120mm，量程覆盖150N~4000N，4Nm ~150Nm。

04. 蓝点触控

蓝点触控（北京）科技有限公司成立于2019年，是一家专注于智能机器人前沿力控技术研发及应用的国家高新技术企业。作为一家提供机器人力传感器硬件、力控算法、行业工艺算法的力控方案提供商，蓝点触控自主研发的核心部件已全部实现国产化，已形成包括Wrist六维传感器、Joint关节扭矩传感器、力控工艺应用软件包等多个产品系列。通过深度整合柔性力控算法与工艺算法，蓝点触控已在医疗、卫浴、航空航天、3C、汽车、重工等多个行业规模化落地，应用于打磨、装配、医疗手术机器人、焊接、工业自动化、科研等众多领域。

蓝点触控六维力产品覆盖2大系列，尺寸覆盖φ80 mm *H25.5 mm、φ60 mm *H27.5 mm，量程覆盖150N ~3000N，6Nm ~40Nm。

05. 瑞尔特测控

瑞尔特核心技术团队拥有20年德国先进传感器设计、生产经验，对国外各类测力称重传感器的结构和材料特性的处理以及加工造诣颇深。国外凭借德国力值测控专家技术的传承，德国测力传感技术创新者，不断研发、生产精密微小型测力传感器、高端动态和静态扭矩传感器、六维力、三维力、多维力传感器。同时提供包括风洞、拧紧力、电动起，电动工具、六分量天平、桥梁、核电、贴片膜应力分析、高速称重测力数据采集、多通道数据采集等一系列专业技术服务。

高精度六轴力传感器，采用高质铝合金和17-4PH 不锈钢两个大类原材料，强度高；并联机构设计，耦合低；内部数字解耦，抗干扰能力强，广泛应用于机器人，自动化设备，生物力学，汽车碰撞试验及耐久性试验。

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总结

目前，六维力矩传感器的应用下游以工业、医疗机器人应用为主，行业总体销售规模不足万台。标定和检测难道较大，设备研发费用及人工贴片安装成本高等因素，导致现阶段销售单价较高。

针对国内市场，宇立仪器、坤维科技、海伯森、瑞尔特属于行业第一梯队，具体表现在三个方面：进入行业相对较早，技术较为成熟，产品性能优越，准度误差均能做到小于1%，且可进行产品迭代升级；都具备一定的批量化生产和出货能力；市占率位于行业前列，四家厂商出货占整个行业出货量50%以上。

未来2-3年，如果人形机器人销量达到1万台，对应六维力传感器销量4万台，平均每家厂商出货达到1万台水平，行业平均单价有望降低至2000-5000元，届时将打开六维力矩传感器的更多的场景应用和市场空间。

审核编辑：黄飞