机械设备行业力传感器深度研究报告：力传感器是力控的关键部件国内企业正逐步替代外资

内容目录内容目录力传感器是力控的键件，六维力传感器量息最为全面精准 5六维力传感器是维最的力觉传感器 5力传感器是机器人现动柔顺控制的核心件 8力传感器与电流环区别 14力传感器市场有望续长，欧美日韩占据导位 16力传感器市场规模过150亿美元，我国六维力传感器市场尚小 16国外企业占据六维传器核心市场 18国内核心力传感器司绍 23投资建议 26风险提示 26图表目录图表目录图1.一维、三维和六维传感器对比 6图2.六维力传感器 6图3.不同感力原件的力传感器对比 7图4.六维力力矩传感器展历史 8图5.六维力传感器在不领域的应用 9图6.机器人柔顺控制技分类 10图7.被动柔顺控制结构 图8.阻抗控制分类 12图9.六维力传感器在机人领域的应用 12图10.六维力传感器通安装在机器人的底或末端 13图机器人由自动化智能化进化 13图12.在手腕、脚踝关等处更适用六维力传器 13图13.简化机器人关节型 15图14.三环PID控制系示意 15图15.2020-2026年全球传感器市场规模预（人民币） 17图16.2017-2022年中国力力矩传感器机器人业场销量（套） 17图17.2017-2022年中国力力矩传感器机器人业场规模（百万元） 17图18.力矩传感器产特点 19图19.ROBOTOUS产品发展进程 21图20.ROBOTOUS力矩传感器的数据解决方案 22表1.不同类型六维力力传感器原理及优缺点 7表2.六维力传感器在机人领域的主要作用 13表4.电流环力控与力矩感器对比 16表5.全球六维力力矩传器主流厂商 18表6.2022年全球六维力力矩传感器市场竞格（按销量划分） 19表7.系列产品概况 20表8.ROBOTOUS6轴力扭矩传感器产品概况 22力传感器是力控的关键部件，六维力传感器测量信息最为全面精准六维力传感器是维度最高的力觉传感器力觉传感器，顾名思义就是感知并度量力的传感器。按照测量维度，力觉传感器可以分为一至六维力传感器。能测几个维度，它就是几维力传感器。最常见的是一维、三维和六维力传感器，二维和五维的力传感器较少。一维力传感器：如果力的方向和作用点是固定的，此时可以选择用一维力传感器进行测量。我们可以通过安装定位，使被测量力F（OZ）有称重传感器、压力传感器等。当力的方向与传感器的测量轴线平行但FPO保持重合，力F测量任务。因为被测量的力可以分解为三维力传感器标定坐标系下的三个正交分量（Fx、Fy、Fz），三维力传感器的三个测量单元可以分别对其进行测量。当力的作用点远离传感器，这个力在经过正交分解并平移Fx/Fy/Fz用，又要承受Mx/My/Mz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，此时应该选择用六维力传感器进行测量。因为空间中任意作用点上的力可以在六维力传感器的标定坐标系内，分解为沿标定坐标轴的三方向分力（FX、FY、FZ）和绕标定坐标轴的三方向力矩（MX、MY、MZ）。这类传感器更适用于参考点的距离较远，且随机变化情景，测量精度要求较高。一维三和维传器对比 数据来源：坤维科技公众号,六维力传感器是维度最高的力觉传感器，它能给出最为全面精准的力觉信息。/F/T的力传感器，能够同时测量中性坐标系（OXYZ）内的三个力（FX、、FZ）和三个力矩（MX、MZ）。六维力传感器一般分成固定端（机器人端）和加载端（），六维传器 数据来源：宇立仪器官网,根据传感元件的不同，六维力/力矩传感器主要分为:应变片式、光学式以及压电/电容式。目前，市场应用的六维力/力矩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。每种类型的六维力传感器都具有其独特的优点和适用范围，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。不同型维力力传器原及缺点 传感元件类型 原理 优点 缺点

材料本身发生形变进而转化为阻值变化

·精度高、技术成熟··频响特性好·可靠性高

·生产工艺复杂·金属箔式应变计输出微弱·对测试环境要求高光学式 通过光纤、光栅反映形变，再转化成力

·测量范围广·抗电磁干扰能力强·

·刚性偏弱·调理电路复杂压电/

电则是通过形变改变电荷

··环境适用性强

·信号漂移难以抑制数据来源：高工机器人公众号，经过对稳定性、刚度、动态特性、成本与信噪比五个维度的比较，硅应变传感器综合性能优异。不同力件力传器对比 数据来源：leaderobot公众号,六维力/力矩传感器的研发难度非常大。它不是三个一维力传感器和三个扭矩传六维力传感器面临两个关键技术问题：全方位机械过载保护和动态性能。机械国外对六维力/力矩传感器的研究起步较早。国内外学者对六维力传感器结构都做了大量的研究与改进，目的是提高传感器的灵敏度和抗过载能力，减少维间耦合误差，改善动态性能，从而更好地辅助机器人实现智能化控制。六维力力传器展史 数据来源：曹会彬，葛运建，孙玉香，王耀雄，高理富《六维力/力矩传感器研究发展综述》,力传感器是机器人实现主动柔顺控制的核心部件六维力测量技术属于平台型技术，根据应用场景的环境、载荷、安装、通讯、算力、动力学特性等需求不同，在不同的应用领域，六维力传感器的产品形态和技术特点也有较大区别。目前，六维力传感器主要应用于汽车行业的碰撞测试、轮毂、座椅等零部件测试以及航空航天、生物力学、医疗领域、科研实验、机器人与自动化等领域。在汽车领域，六维力/力矩传感器被广泛地用在汽车部件和系统级测试、发动机和动力总成测试、车辆和试验厂测试、总装和最终测试。它们在确定新车和部件设计的完整性和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。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。六维力传感器的应用能够提高航空航天系统的性能、安全性和可靠性。在医疗手术和康复领域臂+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操控机器人等;中国手术机器人行业处于早期发展阶段，增长潜力较大。根据GGII3-520%六维传器不领的应用 数据来源：高工机器人公众号,柔顺控制可解决很多传统位置控制难以解决的问题，有利于扩展机器人的功能。在许多交互任务中需要机器人与对象或环境发生接触，两者接触时，会在接触面之间产生相互作用力，只靠位置控制可能导致很大的误差。由于采用位置控制的机器人可通过结构化环境的设置，依靠快速、精准的位置控制预设编程完成固定轨迹的任务。而在执行接触任务时，末端执行器与规划轨迹之间的微小偏差人机协作要以机器人的柔顺控制作为前提。当与机器人产生交互的外界环境发生改变，机器人应对这种改变产生顺应性变化，这就是所谓的柔顺性。如让机器人末端执行器在受到环境扰动时能保持与环境的恒定接触力，或是机器人顺应操作人员施加的外部牵引力，以运动到操作人员期望的位置。柔顺控制主要分为主动柔顺控制和被动柔顺控制。被动柔顺控制主要依靠一些机械装置（如减震器、弹簧等）使机器人表现出对环境的柔顺特性，主动柔顺控制依靠控制策略令末端产生需要的刚度、阻尼或力作用以达到柔顺的目的。在实际应用中，仅有少数的机器人在与环境接触中具有非常有限的主动柔顺能力。机器柔控技分类 数据来源：智星崛起公众号,刘哲《协作机器人一体化关节力矩感知与柔顺控制研究》,被动柔顺控制：借助某些机械装置的物理上的柔顺性，对接触力产生被动被动顺制构 数据来源：智星崛起公众号,主动柔顺控制：需要机器人获取对力信息和位置信息的反馈，利用力与位主动柔顺控制的方式主要有力/位混合控制、零力控制和阻抗控制这三种控力位混合控制：这种理论模型有位置反馈环和力反馈环，机器人在进行任零力控制：直接示教又称拖动示教是目前人机协作的主要方式之一，即人阻抗控制：根据机器人末端执行器的位置（或速度）和接触力之间的对应（（导）图图8.阻抗控制分类数据来源：胡佳星《基于力位双反馈的协作机器人柔顺控制研究》,图9.六维力传感器在机器人领域的应用六维力力矩传感器是机器人实现柔顺化、智能化操作的关键传感设备。只具有图9.六维力传感器在机器人领域的应用数据来源：高工机器人公众号,目前，六维力传感器主要用于检测、预防、控制、示教、测量、保护等场景，通常安装在机器人的底座或者末端，可以提供应用过程中的力交互信息，对于下游客户而言有效且可靠的数据至关重要。表表2.六维力传感器在机器人领域的主要作用作用 描述检测 检测是否抓取到工件预防 在损坏前检测到不正常的装配力测量 记录工艺过程的力反馈实时确保质量控制 利用力传感器来引导机器人在复杂的工作环境中的过程控制示教 手动牵引示教机器人轨迹或自动触发确定位保护 安全感应可以检测意外接触情况下与人的接数据来源：高工机器人公众号，图图10.六维力传感器通常安装在机器人的底座或者末端数据来源：高工机器人公众号,未来，人形机器人力控技术的发展将呈现出多信息融合(触觉、力觉和视觉等)，主要通过配备(AI、视觉、力觉传感器等)传感器得以实现，尤其在手腕、脚踝关节等处更适用六维力矩传感器，这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。图11.机器由动向能进化 图12.在手、踝节处适用维矩感器 数据来源：高工机器人公众号， 数据来源：高工机器人公众号，六维传器人机人领的要用景 应用场景 描述机器人手臂可以用于进行复杂的力控操作，比如对物品的抓力控安全控制

取、装配或拍打等操作，六维力传感器可以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。人形机器人的行走过程中需要保持平衡，此时也需要用到六维力传感器，它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。六维力传感器可以用于安全控制系统，以实现机器人在进行危险操作之前或者人类接近机器人时的自动停止，避免对人体造成伤害。数据来源：高工机器人公众号，力传感器与电流环的区别目前市面上绝大部分执行器的力控方式分为两种：一为电流环力控，一为传感器闭环力控。5%-15%一段时间后，机械磨损会带来误差，精度进一步降低。电流环适用于直驱电机(DirectDriveMotor)(ReductionRatio<10)电流环以提高电流的稳定性能来提高系统性能，是一种将输出电流采用正反馈（简化器关模型 数据来源：高工机器人公众号，力反馈回路，它通过算法估计出用户的牵引力矩，再通过阻抗控制，让电机输出一个辅助力矩，帮助用户拖动机器人，完成示教工作。由于反馈回路的存在，电流环一般处在运动伺服系统（三环控制系统）中最内层，向外依次为速度环3PID（PIDPID环路间相互作用，对信号进行汇总、分析、修正，实现精准的运动控制。伺服电机可以将电压信号转化为转矩和转速，按照位置、力矩或速度指令精确地控制机械系统运动，内嵌的编码器将伺服电机的运动参数反馈给伺服驱动器，完成闭环控制。图14.三环PID制统意 数据来源：ZLG致远电子公众号、电流环、力矩传感器六维力传感器均是实现对机器人的自适应柔性控制的方案。从应用场景来说，电流环力控更适合应用于低精度要求场景，力矩传感器性能则更为领先。电流环力控的弊端是机械臂的减速比要比较小，轻负载，精度差（低精度要求场景下的协作机器人可能运用)。力矩传感器/六维力传感器控制精度好，感知精度高，完全独立，控制的电流波动都能感觉到。电流力与矩感对比 名称电流环力控力矩传感器精度低高运动速度较慢更快适用场景适用于直驱电机或者带小减速比的应用场景，如小型阻抗控制的人机交互的机械臂和小型四足等用于人形机器人的脚掌与踝关节、机械手与腕关节之间，测量末端执行器（机械手或者脚掌）与外界环境交互的受力情况成本较低较高数据来源：维科网，机器人大讲堂公众号，力传感器市场有望持续增长，欧美日韩占据主导地位150亿美元，我国六维力矩传感器市场尚小ModorIntelligence2020151.21ModorIntelligence2026198.49年预测期间的复合年增长率为4.63%目前市场上的力传感器产品组合在产品供应方面非常标准化。尽管市场具有满足大量应用的潜力，但市场参与者的产品非常有限。图15.2020-2026年球传市场模测亿民） 200

198.49190.07181.57190.07181.57173.45165.70158.28151.211801701601501402020 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E 2026E数据来源：ModorIntelligence、(汇率按照1美元=7人民币计算)2022/484062.58%；2022/1.56增长54.35%。目前，六维力和力矩传感器市场基数依然偏小，尚未形成明显规模效应2017 2018 2019 2020 2021 2022机器人业销2017 2018 2019 2020 2021 2022机器人业销（套） 同比增速图16.2017-2022年中国力/力矩传感器机器人行业市场销量（套）图17.2017-2022年中国场规模（百万元）5000120%180100%4000100%16014080%300080%60%12010060%20008040%40%60100020%4020%2000%00%2017 2018 2019 2020 2021 2022机器人行业规模（百万元） 同比增速资料来源：高工机器人产业研究所（GGII）官网， 资料来源：高工机器人产业研究所（GGII）官网，国外企业占据六维力传感器核心市场多维力矩传感器的技术壁垒较高，美日企业先发优势明显，国内仍处产业早期。因技术壁垒较高，国内可量产的企业较少，美日企业先发优势明显。从代表企业分布来看，全球六维力/力矩传感器主要分为日韩品牌、欧美品牌和国产品牌三大阵营。各阵营企业呈现不同的配套特点，日韩地区六维力/力矩传感器厂商主要配套当地机器人本体厂商，其中，韩国企业Robotous、AidinRobotics主要合作厂商包括DoosanRobotics、Neuromeka和RainbowRobotics；日本企业Sintokogio和WACOH-TECH主要合作厂商包括发那科、电装、三菱、那智不二越、安川等。欧美地区六维力/力矩传感器厂商可分为两类：一类是传统的传感器生产商，包BotaSystemsAG、ME-MeßsystemeGmbH、AMTl、Kistler，主要有SCHUNKOnRobot、Robotiq等，受益于机器人市场需求催化，中国六维力（矩）传感器市场近年来入局者逐年增加，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。目前，国产六维力/力矩传感器与外资主流传感器在灵敏度、串扰、抗过载能力及维间耦合误差等方面仍存在差距。近几年，入局六维力/力矩传感器领域的国产相关厂商越来越多，除了宇立仪器（SRI）之外，如坤维科技、鑫精诚、海伯森、蓝点触控、神源生智能、瑞尔特测控等，均已有相关的产品落地并进入产业化应用。其他厂商如重庆鲁班机器人技术研究院、昊志机电、埃力智能等，通过自主研发力传感器技术，已经具备六维力/力矩传感器的生产能力，部分产品型号开始进入下游用户的验证测试阶段。全球维力力传器流厂商 地区 主流厂商 日韩地区 Robotous、Sintokogio、AidinRobotics 欧美地区 ATI、OnRobot、SCHUNK、Robotiq、BotaSystemsAG、NordboRoboticsGmbH、AMTI、Kistler坤维科坤维科、宇仪器精诚、伯森蓝点、神源中国地区 智能、尔特控、鲁班机人技研究昊志机电、埃力智能等数据来源：高工机器人产业研究所（GGII）、根据2022年国内市场销量口径看ATI、宇立仪器、坤维科技、鑫精诚位于第一梯队，各家厂商下游应用的侧重有所差异。ATI作为全球龙头，经过多年的积累，应用面相对更广；宇立在工业机器人磨抛行业和汽车碰撞测试行业应用更多；坤维科技在协作机器人、医疗手术机器人、医疗检测机器人和康复机器人域具备明显优势，同时其产品在航空航天领域具备行业核心竞争力；鑫精诚凭借苹果供应商的身份已将其产品推入到3C行业，同时在机器人行业和医疗行业也有布局。表6.2022年球维力力感器场争局按量划） 第一梯队 ATI第一梯队 ATI、坤维科技鑫精、宇立器第二梯队第二梯队第三梯队蓝点触控、海伯森神源生、瑞尔特、重庆鲁班机器人、昊志机电、埃力智能、航天四院四十四所等数据来源：高工机器人产业研究所（GGII）官网、智研咨询测算，2022年海外进口抛光打磨机器人产品数量占总装机量比例约为55.9%，近年来这一比例一直呈下降趋势。国内厂商凭借价格优势，以及研发创新，正逐渐获得市场话语权。19853,7002005年营业额为22Ethernet/DeviceNet连接或F/T图力传器品点 数据来源：ATI官网、表7.ATI系列产品概况型号图片最大值Fx，Fy最大值FzTx，TyAxia80-M8150N470N8NmAxia80-M20500N900N20NmAxia90-M501000N2000N50NmAxia80-M501200N2000N50Nm数据来源：ATI官网、ROBOTOUSROBOTOUS20046轴力（自动驾驶系统、智能工厂（制药、口罩工厂等）、其他应用产品开发（ODMOEM）和服务。F/TROBOTOUS标准模型阵容将通过增加一个迷你型和两个高扭矩容量的模型来扩大。F/T数据分析解决方案将在静力学、人工智能技术、用F/T已经开始与一个协作型机器人制造商合作开发三种类型的关图19.ROBOTOUS产发进程 数据来源：ROBOTOUS官网、6（RFT）RFT世界各地的许多客户一直在自动化和研究应用中广泛使用ROBOTOUS的传感器，例如：医疗、工程、军事、制药等。ROBOTOUS六轴力矩传感器的设计可与目前市场上的大多数机器人手臂或其他类型的协作机器人配合使用，无需事先进行任何修改。公司的传感器不仅适用于制造业，也适用于医疗或康复设备，甚至适用于无人机行业。表表8.ROBOTOUS6轴力扭矩传感器产品概况RFT80-6A02高分辨率中型模型400N(force)/ 0.08N(force)/ 80(D)x30(H)mm20Nm(torque) 0.004Nm(torque) 300%FS 294gRFT64-6A01RFT80-6A02高分辨率中型模型400N(force)/ 0.08N(force)/ 80(D)x30(H)mm20Nm(torque) 0.004Nm(torque) 300%FS 294gRFT64-6A01高分率小模型 200N(force)/ 0.08N(force)/ 64(D)x30(H)mm、10Nm(torque) 0.004Nm(torque) 300%FS 175gRFT60-HA01高分辨率的小型模型200N(force)/4.5Nm(torque)0.15N(force)/ 150%FS60(D)x18.5(H)mm、0.005Nm(torque) 70gRFT40-SA01高分辨率的迷你模型100N(force)/2.5Nm(torque)0.2N(force)/ 40(D)x18.5(H)mm0.008Nm(torque) 150%FS 60gRFT80-6A01高分辨率中型模型400N(force)/20Nm(torque)0.1N(force)/ 200%FS 80(D)x22(H)mm0.005Nm(torque) 226gRFT64-SB01200N(force)/ 0.15N(force)/ 64(D)x20(H)mm4.5Nm(torque) 0.005Nm(torque) 150%FS 140gRFT44-SB01100N(force)/ 0.2N(force)/ 150%FS 44(D)x20(H)mm2.5Nm(torque) 0.008Nm(torque) 120g数据来源：ROBOTOUS官网、ROBOTOUS还设立力矩传感器的数据解决方案。RFTDAQ-001软件包可以直接和同时对RFT机器人力矩传感器的数据进行汇编和分析。这个数据集被处理后，可以得到参考数据，用于机器人力矩传感器的现场数据评估。参考数据用于与获得的数据进行比较，以寻找数据集中的任何异常情况。这对检验或检查制造过程特别有用，这在QC/QA工作中是不可缺少的。图20.ROBOTOUS力传器数据决案 数据来源：ROBOTOUS官网、国内核心力传感器公司介绍多维力矩传感器相比于单轴力矩传感器技术壁垒较高，多维力传感器不仅要解决对所测力分量敏感的单调性和统一性难题外，也要解决因结构加工和工艺偏差引起的维间（轴间）扰乱难题、动静态标定难题以及矢量运算中的解耦算法和电路实现等。业内比较知名的企业包括宇立仪器、坤维科技、昊志机电、柯力传感、汉威科技、中航电测等。宇立仪器（SunriseInstrumentsSRI）/六维力传感器/三轴力传感器/机器人关节扭矩传感器/多维力传感器机器人打磨/力控打磨/打磨抛光去毛刺）FXFY、FZMXMYMZ2007SRI9200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。公司具有多年航天科研经验，创始团队全部来自于国内航天科研机构，团队掌握力觉测量核心技术，具备相关产品的自主知识产权，在多轴力测量领域有大量的工程实践经验。公司不断在产品的研发上精益求精，凭借优秀的产品技术已获得多项发明专利。2020年11月，瀚川智能通过全资子公司苏州瀚海皓星投资管理有限公司入股常州坤维传感科技有限公司。截至目前，瀚川智能对常州坤维传感科技有限公司的持股比例达4.56%。昊志机电广州市昊志机电股份有限公司成立于2006年，是一家专业从事中高端数控机床、机器人、新能源汽车核心功能部件等的研发设计、生产制造、销售与维修服