力传感器分为一至六维力传感器
思瀚产业研究院    2025-01-06

当机器人与外界环境之间产生接触力，会对机器人控制系统的精度产生巨大影响，所以必须使机器人对环境具备一定的柔顺性。检测机器人与环境间的交互力信息主要包括以下几种方式：

关节电流：通过机器人的伺服驱动器直接获取机器人各关节电流，再通过转矩系数和估算的摩擦力矩，计算各关节的输出力矩。误差较大，精度受到摩擦力较大影响，适用于直驱电机或小减速比应用场景。适用于小型机器人，比如 ABB的 YuMi，单臂负载为 0.5kg。

关节扭矩传感器：通过在减速器的输出端安装关节力矩传感器，可避免关节摩擦力的影响，建立关节力矩-角度的动力学模型，精度很高，但结构复杂，且会降低关节传动链的刚度。代表产品为 KUKA 的 iiwa。

末端/腕部多轴力矩传感器：在机器人的末端安装六轴力矩传感器，可获取力矩传感器往后段的力觉信息，是目前大部分工业机器人采取的力控方式。在人形机器人中，力/力矩传感器通常安装在脚掌和踝关节之间/机械手和腕关节之间，用来测量末端执行器与外界环境相互的受力情况。

类似皮肤的力觉/触觉传感器：在机器人表面覆盖一层压力传感器，可直接检测环境施加在机器人全身上的力信息，精度高，但结构复杂，成本高。

按照测量维度，力传感器可以分为一至六维力传感器。最常见的是一维、三维和六维力传感器。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，则称为六维力传感器。一维、三维和六维力传感器分别适用于不同的场景。

一维力传感器：适用于力的方向和作用点是固定的场景。一维力传感器的标定坐标轴为OZ轴，被测量力 F 的方向能完全与 0Z轴重合。

三维力传感器：适用于力的方向随机变化，但力的作用点保持不变，并且与传感器的标定参考点重合的场景。力 F 的作用点 P 始终与传感器的标定参考点 O 保持重合，力 F 的方向在三维空间中随机变化，三维力传感可以同时测量 Fx、Fy、Fz 三个 F 的分力。

六维力传感器：适用于力的方向和作用点都在三维空间内随机变化的场景。空间中任意方向的力 F，其作用点 P不与传感器标定参考点重合且随机变化，六维力传感器同时测量 Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz 六个分量。

根据感力原件的不同，力传感器主要分为三类：应变式力传感器、光学式传感器以及压电式力传感器。其中电阻应变式是应用最广泛、研究也比较成熟的一类。

应变式力传感器：采用的是硅应变片或金属箔，本质是材料本身发生形变进而转化为阻值变化；

光学式传感器：通过光栅反映形变，再转化成力；

压电式传感器：将被测物理量变化转换成压电材料因受机械力产生静电电荷或电压变化的传感器，可分为电容和压电两种，电容是通过极距的变化导致电压变化，压电则是通过形变改变电荷。

经过稳定性、刚度、动态特性、成本与信噪比五个维度的比较可知，硅应变传感器和金属箔传感器之间，硅应变片在稳定性、信噪比以及动态特性方面要更优，两者刚度上相差不多，但成本上金属箔要优于硅应变片；电容传感器和压电传感器之间，电容传感器成本最优，其他几项弱于压电传感器；光学传感器在动态特性方便明显具有优势。

不同类型六维力/力矩传感器原理、特点及代表企业

应变片式：通常采用硅应变片或金属箔，本质是材料本身发生形变进而转化为阻值变化。代表企业有ATI、宇立仪器、坤维科技、鑫精诚传感器、海伯森、神源生智能、Sintokogio、Bota Systems AG、SCHUNK、ME-Meßsysteme GmbH、埃力智能。

光学式 通过光纤反映形变，再转化成力。代表企业 OnRobot。

压电 /电容式：电容是通过极距的变化导致电压变化，压电则是通过形变改变电荷。代表企业Robotiq、Robotous、WACOH-TECH、Kistler。

多维力传感器在机器人领域应用广泛，包括力控打磨、精密装配、示教拖动、医疗康复等。例如：

1）将多维力传感器应用于机械臂力控打磨卫浴中，在卫浴表面的不规则曲线进行打磨的过程中，实时感知各个角度的力度信息，确保打磨后的表面光滑。

2）将机械臂应用于紧密的机械装配，减少传统机械臂上无力觉反馈时系统的复杂度，提高装配的成功率。

3）在人机交互中，多维力传感器帮助感知操作时力的方向，协助机械臂与人之间的示教拖动。

4）在医疗领域，将多维力传感器配合医疗机械手臂，用于精密的远程医疗手术操作。

特斯拉人形机器人 Optimus使用扭矩传感器、单向力传感器以及六维力传感器。2021年 8 月，马斯克首次发布特斯拉人形机器人（Tesla Bot）计划，代号“擎天柱”（Optimus）。Optimus 关节内部使用旋转执行器和线性执行器两种方案，其中旋转执行器使用扭矩传感器（×12），线性执行器使用单向力传感器（×14），此外，在手腕和脚腕关节使用六维力传感器（×4）。

预计机器人力控的最佳方案为，每个关节使用 1个力传感器，其中旋转关节使用扭矩传感器，线性关节使用单向力传感器，机器人的手腕、脚踝各 2个六维力传感器。由于手部需要和外界进行交互执行工作任务，脚步需要感知复杂的地面进行行走，所以需要感知的力较为复杂，而关节需要感知的力较为简单。

100 万台人形机器人力传感器市场空间测算：

扭矩传感器：单台机器扭矩传感器数量为 12 个，假设 100 万台人形机器人对应的单价为 250 元，对应的市场空间为 30 亿元。

单向力传感器：单台机器人丝杠数量为 14 个，假设 100 万台人形机器人对应的单价为 200元，对应的市场空间为 28 亿元。

六维力传感器：单台机器人六维力传感器数量为 4 个，假设 100 万台人形机器人对应的单价为 2000 元，对应的市场空间为 80 亿元。

更多行业研究分析请参考思瀚产业研究院《2024-2030年中国人形机器人行业发展态势及投资决策研究报告》，同时思瀚产业研究院亦提供行研报告、可研报告（立项审批备案、银行贷款、投资决策、集团上会）、产业规划、园区规划、商业计划书（股权融资、招商合资、内部决策）、专项调研、建筑设计、境外投资报告等相关咨询服务方案。