作者 | 阳诚投研团队

一、引言

今年11月，特斯拉机器人官号发布视频显示，Optimus机器人已实现稳定接住抛来的网球并流畅放下的动作，手部协调性几乎媲美人类。今年12月，华为全球具身智能产业创新中心宣布启动运营，同时与多家机器人企业签署战略合作备忘录。这些行业大事件不仅彰显了人形机器人领域的技术突破和广阔的市场潜力，也为多维力传感器的快速发展铺平了道路，作为机器人感知的核心器件，多维力传感器正迎来市场规模扩张的黄金时期。

二、 技术介绍

（一）力传感器的原理和实现

力学传感器作为力的测量仪器，其核心原理是将力作用下的形变转换成电信号，进而检测张力、拉力、压力、重量、扭矩、内应力和应变等力学量。本文将力或力矩、力觉传感器统称为力传感器。

力传感器主要包括本体单元和应变/形变检测系统两大部分，由力敏元件、转换元件和信号处理单元等具体元件组成。当有力作用时，力施加于传感器本体单元上，并引起本体单元的应变或形变，检测系统可感知本体的应变或形变，通过电路将其转化为相应电压，继而通过测量电压值来表征力的大小，并转换成可用输出信号，最终实现力的测量。

资料来源：《于人共融机器人的关节力矩测量技术》，阳诚整理

图1：力传感器基本工作原理

（二）力传感器的分类

根据所测力的维数不同，常见的力传感器包括一维力传感器、三维力传感器和六维力传感器。

资料来源：坤维科技官方公众号，阳诚整理

图2：常见的力传感器类型

由于六维力传感器能够同时测量物体在三个空间方向和三个旋转方向上的力与力矩，适用于力作用点随机并对测量精度要求较高的场景。这一特性对于机器人产业链和其他智能装配来说非常重要，因此工信部将六维力传感器纳入重点发展的核心零部件范畴。

（三）六维力传感器的优势和技术难点

1 、优势

（1）高精度和全面感知

相较于其他维度传感器，六维力传感器能测量作用点随机的力，并提供更全面且更多维度的力/力矩数据。同时，六维力传感器能通过高精度的联合加载标定，获得强大的非线性拟合能力，其内部算法会解耦各方向力和力矩间的干扰，进而增加测量的准确性。高精度的六维力传感器耦合误差可以实现不超过0.5%的标准，哪怕常规产品也可以将误差控制在2%-5%的范围内；然而，如果使用多个一维力传感器组合解耦，则会造成一般的耦合误差达到20%以上，将严重影响测量精度。

（2）结构紧凑，适应狭窄空间

由于六维力传感器体积小、结构紧凑，因此一个六维力传感器所需的空间会小于六个一维力传感器。小体积的六维力传感器可适配机器人关节等狭小空间，从而降低机器人结构设计难度。

（3）协调同步

使用多个一维力传感器可能会出现传感器间信号不同步的问题，而六维力传感器可同时计算出三个方向的力和力矩的特点能够很好的解决这一问题，因此有效提高了同步性。

2、技术难点

（1）解耦算法的复杂性

建立电信号与待测力、力矩间的正确映射对解耦算法的要求很高。不仅如此，不同维度的力传感器的解耦算法由于受到维间相互作用的影响也有着本质的不同。

（2）结构设计与材料使用

六维力传感器不是三个一维力传感器和三个扭矩传感器结构的简单叠加，它的非线性力学特征明显，同时要考虑多通道信号的温漂、蠕变、交叉干扰、数据处理的实时性和六维联合加载标定的复杂性，因此设计难度是低维传感器的指数倍增长。此外，选用力传感器的材料需要具备灵敏的特性，同时又希望其拥有抗冲击和高过载的能力，而这两个要求互相矛盾，因此就需要设计者平衡好综合材料和设计之间的关系。

三、应用场景

六维力传感器的下游应用场景十分广泛，涵盖机器人与自动化、汽车行业、医疗手术与康复、航天航空等多个领域。不同的应用场景对量程、分辨率、精度、温漂等具体性能的要求也各不相同，因此需要进行针对性的设计与研发，其定制化程度也相对较高。

（一）机器人

在机器人应用领域中，六维力传感器主要用于多关节机器人和对传感性能要求更高的协作机器人。由于它能提高机器人的自主运动及决策能力，因此在工业及商用场景中得到了广泛的应用。以Optimus为例，它需要大约14个力传感器、14个力矩传感器和4个六维力传感器，同时在人形机器人的腕部和踝部还需各配备一个六维力传感器。在工业机器人领域，通过将六维力传感器安装在机器人的末端，可以实现3D打磨、汽车装配及复合材料铣削等高精度操作；在协作机器人领域，六维力传感器能帮助机器人实现3C装配、拖动示教、双臂协作等指令。

资料来源：鑫精诚官网

图3：人形机器人六维力传感器与关节扭矩传感器安装部位

（二）汽车工业

六维力传感器在该领域主要应用于汽车部件与系统测试、发动机与动力总成测试、整车测试以及总装与最终测试的场景中。在新车型及零部件设计的完整性与优化过程中，这些传感器发挥着关键作用，有助于提升工作效率、流程的安全性以及功能的可靠性。

资料来源：坤维科技官方公众号

图4：传统机器人六维力传感器与关节扭矩传感器安装部位

（三）医疗领域

在微创手术和机器人辅助手术中，六维力传感器帮助医生实时感知人体的各项参数（如力量和重量），从而使医生实现更加精细、高质量的医学操作，提高手术的安全性和成功率。

来源：China plus news

图5：医疗机器人在手术中的应用

（四）航空航天

六维力传感器可用于风洞实验以及飞机、卫星、火箭等飞行器在各种运动状态下的六维力测量，帮助飞行器更准确地感知环境、控制姿态并完成任务。此外，随着航空航天技术的不断发展，它们还广泛应用于飞机制造、飞行器着陆与起飞监测、机械臂控制以及结构健康监测等领域，从而大幅提升航空航天系统的性能、安全性和可靠性。

资料来源：robot-fanuc.gongboshi.com

图6：机器人在航空航天制造业的应用

四、市场空间

（一）全球力传感器市场规模

资料来源：The Business Research Company，Markets and Markets，阳诚整理

图7：全球力和力矩传感器市场规模（单位：十亿人民币）

根据The Business Research Company数据显示，2023年全球力传感器市场规模约为163.8亿元，预计在2028年将达到216.3亿元；同时2023-2028年间其复合年增长率为5.72％。由Markets and Markets报告数据可知，2023年全球力矩传感器市场规模达到了532.2亿元，将以复合年增速5.77%增长至2026年的630亿元。基于以上数据分析得到，2023年全球力和力矩传感器市场规模约为696亿人民币，2023-2026年全球力和力矩传感器市场规模复合年增长率约为5.81%。

（二）国内市场规模

资料来源：MIR 睿工业，源达信息证券研究所

图 8：2020-2030年中国六维力传感器市场规模及预测

根据MIR睿工业数据显示，2023年中国六维力传感器市场规模为2.35亿元，同比增长14.3%。其中2023-2026年受制于下游行业应用的不成熟，市场整体规模仍然较小；而2026-2030年随着人形机器人的大规模量产，六维力传感器需求将显著增加，并推动生产成本降低，市场规模有望迎来快速扩容期。

（三）六维力传感器下游分布及增速

从六维力传感器的下游行业来看，工业自动化是其规模最大的应用领域，而人形机器人则是增长最快的下游市场。

在工业自动化领域，随着柔性化生产线的普及，对六维力传感器的需求持续增长，但由于工艺限制，目前尚未实现大规模应用；在汽车行业中，六维力传感器的应用已较为成熟，但尚未出现大规模的新应用场景；在军工、航天航空和医疗等领域，六维力传感器的需求则保持稳定增长。

而人形机器人领域是目前六维力传感器可预见的最大应用场景，在2023年中国六维力传感器下游行业增速图中，人形机器人以接近150%的增速遥遥领先于均不到20%的工业自动化、汽车及其他等领域。人形机器人行业对六维力传感器有确定的大批量需求，未来伴随着人形机器人的成功量产，其市场需求更有望迎来大幅度增长。

资料来源：MIR 睿工业，源达信息证券研究所

图9：2023年中国六维力传感器下游行业分布

资料来源：MIR 睿工业，源达信息证券研究所

图10：2023年中国六维力传感器下游行业增速

（四）国内竞争格局

中国六维力传感器市场集中度较高，CR5（前五大厂商市场份额）超过50%。其中，美国ATI占据22.4%的市场份额，位居首位；中国宇立仪器以12.2%的比例排名第二；日本Epson占比6.4%，中国蓝点触控和坤维科技分别占比4.8%和4.7%。

2023年，中国六维力传感器市场中外资厂商出货量占比依然高达67.9%。然而，随着国产企业技术实力和产品竞争力的持续提升，预计在2024-2027年期间，国产六维力传感器的出货占比将从当前的34.7%显著提升至54.7%，实现市场份额的快速增长。

资料来源：MIR 睿工业，源达信息证券研究所

图11：2023年中国六维力传感器厂商梯队分布

五、结语

传感器是实现机器人感知功能的核心部件之一，而六维力传感器因其能够精准感知多方向力与力矩，在机器人与自动化领域中具有不可替代的地位。目前，六维力传感器处于快速发展阶段，技术的进步和市场需求的扩大推动人形机器人进入规模化量产阶段，同时伴随着工业自动化进程的持续提速，六维力传感器的市场需求将迎来显著增长。这种需求增长不仅将推动传感器成本的逐步下降，还将加速生产工艺的优化和技术的迭代升级，使六维力传感器迈向更加成熟和高效的应用阶段。

参考文献

【源达信息】六维力传感器：高附加值核心部件，人形机器人推动行业长足发展——力传感器专题研究

【东莞证券】行业加速发展，机器人催生六维力传感器需求机器人系列报告（二）之六维力传感器

【招商证券】六维力传感器是高精密力控刚需，人形机器人催生新需求

【华宝证券】六维力传感器：人机末端力觉来源，行业格局变化在即人形机器人专题报告四

【东吴证券】传感器行业深度：制造之基石，充分受益于机器人自动化产业趋势

关键词:机器人 六维力传感器

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来 源：阳诚基金

编辑：清风

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