力传感器行业专题报告：力学感知，星辰已现，蓝海可期

文琳行业研究 2024-04-11

（报告出品：华创证券）

一、力/力矩传感器：感知并度量力/力矩信号

（一）力/力矩传感器为工业感知的核心部件

力/力矩传感器将力/力矩信号转化为电信号。传感器是指能感受规定的被测量并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置。力传感器是将力的大小转换成相关电信号的元件。力传感器主要由力敏元件、转换元件和电路三部分组成，可以检测张力、压力、重量、扭矩、应变和内应力等机械量，已成为动力设备、工程机械、各种工作机械、工业自动化系统不可或缺的核心部件。

（二）力传感器可依据测量维度、转化元件、使用场景进行分类

力传感器分类标准众多，根据测量维度可分为一维至六维传感器；根据转化元件可分为电阻应变式、光学式、压电式和电容式传感器；根据使用场景又可分为力传感器可分为压力、称重（衡器）和力矩传感器。根据测量维度，力传感器可分为一维至六维传感器。一维力传感器测量一个方向的力，力的方向和作用点固定并与一维力传感器的标定坐标轴一致，可对力进行精确测量；三维力传感器测定三个正交方向的力，力的方向随机变化，但力的作用点保持不变并与传感器的标定参考点重合；六维力传感器可在指定的直角坐标系内同时精确测量 Fx、Fy、 Fz 三个方向的力信息和 Mx、My、Mz 三个方向的力矩信息，力的方向和作用点都在三维空间内随机变化。

根据转化元件，力传感器主要包括电阻应变式、光学式、压电式和电容式传感器。电阻应变式传感器测量原理是将应变片粘贴在弹性体上，作用在弹性体上的外载荷使应变片随之形变，应变片的电阻阻值随载荷大小线性变化，并通过测量系统测量这一信号变化并输出对应力值；光学式传感器的核心零件是光纤，基于光纤传感技术，将被测量转换为光学参数的变化量从而进行测量；压电式传感器是一类基于石英、压电陶瓷和压电薄膜等晶体材料的压电效应测量力信号的传感器；电容式传感器主要利用外力引起电容形变，导致其电容量产生变化来测量力值。

根据使用场景，力传感器可分为压力传感器、称重传感器（衡器）和力矩传感器。压力传感器用于测量液体与气体的压强，是压力检测仪表的重要组成部分；称重传感器（衡器）将作用在被测物体上的重力按一定比例转换成可计量的输出信号；力矩传感器分为动态和静态两大类，对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测。

（三）力传感器产业链加速发展，赋能各行各业

力传感器上游材料供应商充足，下游领域所涉范围广泛。根据测量原理不同，力传感器产业链上游为半导体材料、陶瓷材料、有机材料、金属材料等；中游主要包括力传感器的制造与封装工序；产业链下游应用广泛，包括汽车电子、通信电子、消费电子、工业电子等多种领域，其中汽车电子、消费电子、工业制造为传感器的主要下游应用，新型市场如物联网、人形机器人的崛起也推动需求的持续扩张。

二、六维力传感器下游应用广泛，精度需求带来高技术壁垒

（一）六维力传感器提供最高维度的力觉信息，结构多样复杂

六维力传感器提供最高维度的力觉信息，应用于高精尖领域。六维力传感器提供三轴力和三轴力矩反馈，是维度最高的力觉传感器，能给出最为全面的力觉信息，目前主要应用于检测、预防、控制、示教、测量和保护场景。随着机器人的发展进入智能机器人阶段，智能机器人的“触觉”、“力觉”和“听觉”主要通过其配备的传感器得以实现。其中，六维力传感器作为测量机器人末端操作器和外部环境相互接触或抓取工件时所承受力和力矩的传感器，为机器人的力控制和运动控制提供了力感信息，从而对完成一些复杂、精细的作业，实现机器人智能化起着重要作用。六维力传感器有较大的技术难度和使用难度，已被工信部纳入重点发展的核心零部件范畴。

六维力传感器结构符合性能要求，耦合方式多样。六维力传感器一般分成上台（或内圈）、下台（或外圈）、测力梁和应变计。当上台（或内圈）和下台（或外圈）有相对受力时，测力梁产生与外力大小成比例的应变，应变计将该应变转换成电信号输出。中性坐标系一般位于传感器的几何中心。其耦合方式包括矩阵解耦型和结构解耦型，矩阵解耦型六轴力传感器有 6 到 12 个通道输出，各路输出相互耦合；结构解耦型六轴力传感器只有 6 个通道输出，各路输出相互独立。

六维力传感器主要分为应变片式、光学式以及压电/电容式。根据传感元件的不同，六维力传感器主要分为应变片式、光学式以及压电/电容式。目前，市场应用的六维力传感器大部分是基于应变式的测量，基于压电、电容和光学等原理测量的传感器有一定的理论研究和实验，下游尚未得到广泛应用。随着相关研究的不断深入，不同测量机理的传感器将会发挥自身优势被应用到各种场合，进而推动六维力传感器向多元化方向发展。

（二）六维力传感器应用场景多元，助力制造性能提升

六维力传感器广泛应用于汽车制造业，提升效率、安全性和可靠性。在汽车制造中，六维力传感器可以用于测试引擎、变速器、转向装置等各种零部件的性能，六维力传感器被广泛地用在汽车安全设备测试、高速碰撞测试、性能测试、车身刚度测试和车辆动力学测试中。它们在确定新车和部件设计的完整性和最优化方面都能发挥重要作用，同时还有助于保证效率、安全性和正确的功能。在智能汽车发展和新能源汽车的需求拉动下，六维力传感器应用领域广阔。

六维力传感器运用于医疗手术和康复领域，助力医学领域发展。手术机器人的力感知可作为力反馈的依据以提升手术的安全性。根据临床场景的不同，手术机器人主要分为腔镜机器人、骨科机器人，穿刺机器人、经自然胶道机器人、泛血管机器人等五类机器人。目前，协作机械臂+六维力传感器的组合已广泛应用于血管介入手术机器人、外科手术机器人、医疗检测机器人及远程提控机器人等，中国手术机器人行业处于早期发展阶段，增长潜力较大。GGII 预计，未来 3-5 年，骨科机器人和泛血管手术机器人将占手术机器人市场的 20%以上。随着技术的不断进步和应用的深入，六维力传感器在医疗领域的应用前景将会更加广阔，六维力传感器产品将逐渐成为类似应用场景中的刚需。

六维力传感器提高航空航天系统的整体性能。航空航天领域是六维力传感器最早的重要应用领域之一，可用于测量风洞试验、飞机、卫星、火箭等飞行器各种运动状态下的六维力信息，通过这些信息，飞行器可以更加准确地感知环境，控制姿态，完成各项任务。随着航空航天技术的不断发展和应用的深入，六维力和力矩传感器还可以用于飞机制造、飞行器着陆和起飞过程的监测、机械臂控制、结构健康监测等领域。

六维力传感器应用于多关节机器人和协作机器人，在多领域需求持续提升。在机器人应用领域，六维力传感器主要应用于高精度抛光打磨、铣削、焊接及高精密装配等场景的多关节机器人以及对传感性能要求更高的协作机器人。在工业制造领域，通过安装在协作机器人的末端，用以实现高精密柔性装配、焊接、去毛刺作业、拖动示教等应用。在商业应用领域，可以让机器人更加智能地感知人体部位的力度和压力，实现更加准确和舒适的按摩理疗服务，目前已经成为一个新兴的趋势。在医疗领域，通过安装在协作机器人的末端的六维力传感器可以帮助手术机器人感知人体各个方面的实时参数，包括力量、重量等，从而实现更精细、高质量的手术操作，降低手术风险。

六维力传感器在人形机器人中旋转执行模组和直线执行模组发挥重要作用。人形机器人中，六维力矩传感器主要用在对柔顺控制要求高的手腕和脚踝。2023 年，特斯拉新款 Optimus 人形机器人完成了扭矩和力度控制，在面对环境检测与记忆等复杂任务时，在力控方面表现得更加灵敏。未来，人形机器人将通过配备（A1、视觉、力觉等) 传感器，呈现出多信息融合(触觉、力觉和视觉等)的力控实现形式，将为六维力传感器在人形机器人领域的应用带来巨大的发展空间。

（三）六维力传感器核心参数指标包括串扰、精度和准度，标定检测技术壁垒高

六维力传感器的测量准确度由串扰、精度、准度等性能决定。串扰指标用来衡量多维力传感器各测量方向间的耦合影响，可以反映测量误差水平，是体现产品性能的关键指标之一。以六维力传感器为例，串扰指标只能大概表明产品的耦合干扰情况，使用精度和准度这两个指标准确描述测量误差水平；精度衡量的是测量结果之间的重复性。其检定方法是，在相同环境条件下，在额定载荷范围内，进行多次重复联合加载相同一组载荷后，计算得到的传感器测量值的标准差，并除以量程；准度衡量的是测量结果与理论真值的偏离程度。其获得的方法是，对传感器进行多组多维联合加载，计算得到的传感器测量值与所加载荷理论真值之间的标准偏差，并除以量程。

六维力传感器技术壁垒高，核心难点在于结构/算法解耦、标定检测、材料配方。标定解耦是六维力传感器提高使用精度的主要方法。标定就是指通过对六维样本空间中的样本点进行精确加载，建立传感器信号与力和力矩的映射关系，获得解耦算法的数学模型和参数。因此，标定工作是六维力传感器研发阶段不可或缺的环节，六维力传感器标定装置的设计研发以及解耦算法的研究有着极为重要的工程实际意义。

静态标定为现有主流研究方向，但存在较多局限性。标定形式根据其加载方式分为静态和动态，其中静态标定较容易实现，成为现在的主流研究方向。通过优化力源的加载方式来进行标定装置的设计，通过六个力或力矩在空间上的合理布局，以实现对传感器六维力的标定。但是现有的标定装置存在较多的局限性，比如加载载荷有限、无法进行复合加载、无法加载所有维度正负方向、维间耦合较大等等缺陷。这些局限性因素很大程度上限制了六维力传感器标定的有效性，同时对于六维力传感器的最终使用精度有着很大的影响。

维间耦合降低传感器的检测精度，解耦算法为重要的解耦手段。解耦算法的选择是标定中最为重要的部分，解耦算法的解耦精度直接决定了六维力传感器的最终使用精度。由于传感器自身加工工艺，或者结构设计精度等会引入耦合，并且传感器弹性体的结构设计，弹性体蠕变、温漂、以及贴片精度等因素均会产生误差，使得作用在单一维度上载荷同样会对其余维度的输出电压产生影响，这便是维间耦合。维间耦合会大大降低传感器的检测精度，通过解耦算法进行解耦方法相对简单，成本较低，是主要的解耦手段。