特斯拉在2023年12月12日發布的Optimus-Gen2視頻中展示了其人形機器人在操控能力上的顯著進步。通過精確地感知和控制力度，力傳感器使得機器人能夠執行更加復雜和精細的任務，提高了其在實際應用中的適應性和可靠性。以下是視頻展示的幾個關鍵點以及力傳感器在其中的作用：

　　抓取和放下雞蛋：機器人能夠輕松準確地抓取和放下雞蛋，這表明它具備了精細的操控能力和對力度的精確控制。力傳感器在這里起到了關鍵作用，它幫助機器人感知握力的大小，以確保不會損壞脆弱的物體。

　　左手轉右手：機器人能夠連貫地將物體從一只手轉移到另一只手，這需要精確的力控制和協調。力傳感器在這里幫助機器人感知和調節兩手之間傳遞物體時的力度，確保平穩過渡。

　　90度深蹲：機器人能夠做出均勻的90度深蹲，這個動作需要全身多處關節的協調和平衡。力傳感器在這個過程中幫助機器人感知身體各部分的受力情況，以保持平衡和穩定。

　　行走速度的變化：機器人的行走速度變化表明它能夠根據需要調整步伐，這同樣需要力傳感器來感知足部與地面的接觸力度，以及調整步伐時的力矩。

　　足部和腿部的形態：機器人的足部和腿部設計模仿了人類的形態，這有助于它在不同地形上行走。力傳感器在這里幫助機器人感知地面的硬度和不平整度，從而調整步伐和平衡。

Optimus-Gen2抓取雞蛋(左圖).90度深蹲(右圖),來源:澎湃新聞

　　01、什么是力傳感器

　　力/力矩/力覺傳感器是一種檢測和度量力/力矩的裝置，它能夠將作用在其上的力轉換為電信號或其他形式的信號，以便于信息的收集、傳輸、處理、分析和顯示。本文將力或力矩、力覺傳感器統稱為力傳感器。力傳感器在工業自動化、機器人技術、醫療設備、交通運輸等多個領域都有廣泛的應用。

　　具身智能機器人的核心在于感知層、認知層，來源:具身智能機器人公眾號

　　力傳感器主要包括本體單元和應變/形變檢測系統兩大部分，由力敏元件、轉換元件和信號處理單元等具體元件組成，能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。當有力作用時，力施加于傳感器本體單元上，并引起本體單元的應變或形變，檢測系統(應變片或光學系統)可感知本體的應變或形變，通過電路將其轉化為相應電壓，繼而通過測量電壓值來表征力的大小，并轉換成可用輸出信號，最終實現力的測量。

　　在組成元件中，力敏元件指力傳感器中直接感受或相應被測量的部分，轉換元件指力傳感器中能將力敏元件感受或相應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。例如應變式力傳感器的力敏元件是彈性敏感元件(彈性體)，常見的彈性體材料有鋁合金、合金鋼和不銹鋼，轉換元件為貼在彈性體上的應變片(計)，如電阻應變片，信號處理單元一般為電路，包括漆包線、PCB 板等，應變片在電路中充當電阻。

　　02、力傳感的兩種分類方法

　　1、力傳感器按照測量維度的不同，可以分為一維至六維力傳感器，每種類型的傳感器根據其測量的力的方向和作用點的不同，適用于不同的應用場景：

　　一維力傳感器：這種傳感器只能測量沿一個特定方向的力。適用于力的方向和作用點固定不變的情況，例如簡單的稱重或壓力測量。代表產品有稱重傳感器、壓力傳感器等。

　　二維力傳感器：能夠測量兩個正交方向上的力，通常是水平和垂直方向。適用于需要同時測量兩個方向力的應用，如某些類型的推力測量。

　　三維力傳感器：能夠測量三個正交方向上的力，通常是X、Y和Z軸方向。適用于需要測量空間中任意方向力的場景，例如機器人的力控制。

　　四維力傳感器：在三維力傳感器的基礎上增加了對某一方向力矩的測量。適用于需要了解力的方向和產生的力矩的復雜應用。

　　五維力傳感器：測量三個正交力和兩個正交力矩。這種傳感器的應用相對較少，但可以提供更全面的力和力矩信息。

　　六維力傳感器：是一種特殊的力傳感器，能夠同時測量三個正交力和三個正扭矩。這種傳感器是維度最高的力覺傳感器，能夠提供最全面精準的力覺信息。六維力傳感器適用于需要精確控制和感知復雜交互力的應用，如機器人手術、精密裝配、拖動示教等。

　　最常見的是一維、三維和六維力傳感器，二維、四維和五維的力傳感器較少。

　　力傳感器按測力維數分類,來源:坤維科技.力馳傳感.安信證券

　　2、根據其測量原理不同，力傳感器可以分為光電式、應變式、電容式、壓電式等類型。每種類型的力傳感器都有其特定的優勢和局限性，選擇哪種類型的傳感器通常取決于應用的具體需求，包括測量范圍、精度、響應時間、成本和環境條件等。其中，應變式力傳感器應用范圍最廣。壓電、電容和光電等測量原理的力傳感器有一定的理論研究和實驗基礎，但下游尚未得到廣泛應用。

力傳感器按測量原理分類，來源：儀器信息網、化工儀器網、傳感器專家網，《Handbook of Modern Sensors》、霍盾官網、漢矢德官網、TE Connectivity 官網、安信證券

　　應變式力傳感器是利用材料在受力時產生的形變來測量力。通常，應變片(一種敏感元件)被粘貼在基底材料上，當基底受力變形時，應變片的電阻會發生變化，通過測量電阻變化來確定受力大小。它們因其穩定性、高剛度、高信噪比、高精度、低成本和易于使用而廣受歡迎，廣泛應用于工業自動化、機器人和各種測試設備。

　　應變式力傳感器按照應變片的分類，可以分為金屬電阻應變片(工具鋼、不銹鋼、鋁合金或鈹銅等)或硅(半導體)應變片力傳感器，后者性能更好。

　　由于半導體應變片的高靈敏度和快速響應能力，它們在需要精確測量微小力的應用中非常有用，例如在精密儀器、微電子設備和生物醫學工程中。而金屬應變片由于其穩定性和耐用性，更適合于工業環境中的力測量。在選擇力傳感器時，需要根據具體的應用需求和環境條件來決定使用哪種類型的應變片。例如，如果應用需要在高溫或惡劣環境下工作，可能更傾向于選擇金屬應變片;而如果需要測量微小力或實現高精度控制，則半導體應變片可能是更好的選擇。

　　03

　　力傳感器產業鏈

　　力傳感器的設計和制造涉及力學、材料科學、電子工程等多個技術領域。以應變式傳感器為例，力傳感器產業鏈上游主要為材料類、元器件及組件類、生產或檢測設備等細分行業，中游主要為力傳感器的加工制造和封裝檢測，下游應用領域廣泛，可應用于工業、消費電子、汽車電子、機器人、醫療、航空航天等領域。

　　力傳感器產業鏈，資料來源：柯力傳感招股說明書

　　04、六維力傳感器核心參數及關鍵技術

　　六維力傳感器主要包括電容式、壓電式、光電式和應變片式等類型。目前，市場應用的六維力傳感器大部分是基于應變式的測量。六維力傳感器的設計和實現遠比簡單地組合三個一維力傳感器和三個扭矩傳感器要復雜得多。它的非線性力學特征明顯，要考慮多通道信號的溫漂、蠕變、交叉干擾、數據處理的實時性，再加之六維聯合加載標定的復雜性 ，六維力傳感器的技術難度可謂是一維力傳感器難度的六次方。

　　六維力傳感器能給出最為全面的力覺信息以及提升傳感精度，并非是多個低維的力傳感器可替代的。六維力傳感器能夠同時測量三個空間方向上的力(Fx、Fy、Fz)和繞這三個方向的力矩(Mx、My、Mz)，提供了一個完整的力和力矩的矢量描述。由于力是矢量量，具有大小和方向，六維力傳感器能夠準確測量力的方向，而不受力作用點變化的影響。當使用多個低維力傳感器組合時，每個傳感器的測量誤差可能會累積，而且它們之間可能存在耦合誤差，而六維力傳感器作為一個整體，可以減少這些誤差源。

　　核心參數

　　六維力傳感器的主要性能參數包括：量程、過載能力、分辨率、重復精度、串擾、準度等。在選擇六維力傳感器時，需要綜合考慮這些性能參數以及應用場景的具體要求，以確保傳感器能夠滿足所需的性能標準。

　　測量范圍(量程)：這是傳感器能夠測量的最大力量和力矩的范圍。選擇傳感器時，需要確保其量程能夠覆蓋預期的最大力量和力矩。

　　過載能力：這個參數表明傳感器能夠承受的最大力量和力矩超過其額定量程的程度，而不會導致傳感器損壞或性能下降。過載能力對于確保傳感器在意外或極端條件下的耐用性非常重要。

　　分辨率：分辨率是傳感器能夠檢測的最小力量或力矩變化。對于需要精細力控制的應用，高分辨率的傳感器是必要的。

　　重復精度(精度)：這個參數反映了傳感器在多次測量同一值時的一致性。高重復精度意味著傳感器在連續測量中提供的結果更加穩定和可靠。

　　串擾：衡量傳感器不同方向的力間的耦合干擾，是反映六維力傳感器制造、標定水平的核心指標之一。低串擾意味著傳感器在測量時各方向之間的干擾較小，這對于精確測量至關重要。

　　準度：準度是傳感器測量值與實際值之間的差異的綜合體現，包括了滯后、線性度和蠕變等誤差因素。高準度的傳感器能夠提供更接近真實值的測量結果，是評價傳感器性能的關鍵指標。

　　關鍵問題

　　六維力傳感器的關鍵技術主要集中在技術實現、性能優化、應用集成等方面，具體包括：

　　動態響應能力：六維力傳感器需要快速準確地響應動態力變化，如機器人打磨拋光時的接觸力或物體高速運動過程中的稱重。

　　全方位機械過載保護：為避免傳感器在受到超量程力作用時損壞，需要設計有效的過載保護結構，這在技術上具有挑戰性。

　　溫度漂移和穩定性控制：傳感器必須具備良好的溫度補償機制，以減少溫度變化對測量結果的影響，并保持長期穩定性。

　　多通道信號處理：六維力傳感器需要同時處理多個方向的力和力矩信號，這要求高度精確的信號采集和處理技術。

　　交叉干擾和耦合誤差：在多維力傳感器中，不同方向的力和力矩之間可能存在耦合，需要通過精確的解耦算法來分離這些信號。一般說來，降低耦合干擾的兩種途徑：結構解耦、算法解耦。結構解耦和算法解耦通常需要結合使用，以實現最佳的解耦效果。結構解耦可以減少耦合效應，降低算法解耦的難度;而算法解耦可以進一步校正結構解耦難以消除的耦合干擾，提高測量精度。

　　標定和校準技術：六維力傳感器需要通過復雜的標定和校準過程來確保測量精度，這通常涉及到精確的測試設備和方法。

　　傳感器融合：在某些應用中，需要將力傳感器與其他類型的傳感器(如位置、速度、加速度傳感器)相結合，解決不同傳感器之間數據融合的技術難題。

　　材料選擇和加工工藝：選擇合適的材料并優化其性能是技術難點之一，同時，力傳感器的生產涉及精密的加工工藝。

　　小型化和輕量化：在保持性能的前提下，減小傳感器的體積和重量，以適應空間受限的應用場合。

　　實時數據處理：開發高效的數據處理算法，以實現實時或近實時的數據處理和反饋。

　　長期穩定性和可靠性：傳感器需要在各種環境條件下保持長期穩定工作，材料老化和疲勞壽命是設計時需要考慮的因素。

　　成本控制：在保證技術性能的同時，如何有效控制力傳感器的生產成本，是實現傳感器商業化的關鍵。

　　精度和分辨率：六維力傳感器需要具備高測量精度和分辨率，以滿足高精度應用的需求。

　　系統集成：將六維力傳感器集成到機器人或其他自動化系統中，需要解決機械設計、電子接口和軟件兼容性等問題。

　　05、在人形機器人中的應用場景

　　當前，六維力傳感器被廣泛應用于汽車行業的碰撞測試、輪轂、座椅等零部件測試以及航空航天飛行器、生物力學、醫療領域、科研實驗、機器人與工業自動化等眾多科技領域。

　　表：六維力傳感器在人形機器人領域的主要應用場景

　　人形機器人領域，六維力傳感器已成為高性能人形機器人的標配，通常安裝在手腕、腳腕、足底或手部，在運控規劃、姿態調整、力度感知等中起到重要作用，以提升手部操作的靈活性以及腳部行走的穩定性，提升人形機器人在復雜環境中的自主性和適應性，可以實現在碎石、地磚、草坪、厚地、草坪等不平整地面上穩定快速行走，通過全新的腳掌姿態控制算法以及柔性自適應多種地面。

　　目前特斯拉Optimus、優必選Walker X、達闥科技的小紫XR-4、本田ASIMO、美國宇航局的Valkyrie等，都已采用六維力傳感器來提升機器人的性能。

　　以下是六維力傳感器在人形機器人中的一些關鍵應用和安裝位置：

　　手腕部位：六維力傳感器安裝在手腕部位，可以幫助機器人實現精細的手部操作，如抓握、搬運和裝配等任務。

　　腳腕、足底：在腳腕或足底安裝六維力傳感器，有助于機器人在行走和平衡控制中感知地面的反作用力，以便機器人控制系統可以調整人形機器人手臂和身體的姿態，提高行走穩定性。

　　手部接觸點：在機器人手部的接觸點安裝六維力傳感器，可以提升手部操作的靈活性和適應性，特別是在需要柔順控制的場景中。

　　運控規劃：六維力傳感器提供的數據對于機器人的運動控制規劃至關重要，它們可以幫助機器人更好地規劃動作，避免碰撞和損傷。

　　姿態調整：在機器人的姿態調整過程中，六維力傳感器可以提供必要的反饋信息，幫助機器人保持平衡和穩定。

　　力度感知：六維力傳感器使機器人能夠感知與外界物體交互時的力度，這對于需要精確控制力度的應用非常重要。

六維力傳感器適用于人形機器人的手腕、腳踝、靈巧手等部位

　　此外，人形機器人還可能使用三維力傳感器、關節扭矩傳感器或一維拉力傳感器，同時有些也會用到觸覺傳感器、電子皮膚等。

　　多維力傳感器的組合使用：在一些應用中，除了六維力傳感器，人形機器人也可能同時使用三維力傳感器、關節扭矩傳感器或一維拉力傳感器，以滿足不同的控制需求。如特斯拉Optimus前部可能在腳趾部位增加了一維力傳感器，來獲得更多點信息，以便適應更加復雜的地面場景。

　　觸覺傳感器和電子皮膚：除了力傳感器，人形機器人還可能集成觸覺傳感器和電子皮膚，以提供更全面的環境感知能力。

　　06、六維力傳感器成本分析

　　六維力傳感器成本構成包括材料、制造和人工成本，其中超 50%的成本來自于應變片和人工加工成本。

　　作為六維力傳感器的核心組成部分，高質量的應變片成本較高，單個六維力矩傳感器所需要應變片的數量至少為 24 個，考慮到抗溫漂、蠕變等需求，一般單個六維力矩傳感器的應變片的數量約為 30-40 個，單個六維力矩傳感器應變片的成本在 5000-6000 元。

　　六維力傳感器成品對于精度、準度要求極高，因此人工加工技術壁壘較高，尤其貼片與標定階段，需要大量的技術工人進行精細操作，且短期無法實現自動化生產。未來，MEMS工藝可能是實現六維力傳感器高效生產的主要方向，疊加生產自動化率提升將有助降本。

一種高精度六維力傳感器的爆炸圖，材料成本中應變片占比高資料來源：《一種高精度六維力傳感器_吳美貞等》、《一種微型應變式六維力傳感器及其標定裝置_王鵬等》

　　在六維力傳感器下游應用中，工業自動化(包含傳統機器人)領域應用規模占比最大，但人形機器人行業應用規模增速最快。根據 MIR 數據，2023 年六維力傳感器仍主要應用于工業自動化領域，應用規模占比超過 77%，其次是汽車;但在人形機器人行業應用規模同比增長146.7%，遠超其他行業增速。在人形機器人量產加速、降價迫切的預期下，六維力傳感器或將迎來降價潮。

　　六維力開發的難度和壁壘高，在市場基數較小的當下價格昂貴，遠高于低維力傳感器。根據 MIR 調研，六維力傳感器的成本在數千元，而產品單價可達2-4萬元，表明其利潤率較高，存在較大的降價空間，有利于未來成本的降低和市場競爭力的提升。預計兩年內單個六維力傳感器產品的價格可能下降至5000元以內。這一降價潮可能會吸引更多的應用和市場參與者，推動行業的快速發展和新一輪的洗牌。

　　07、六維力傳感器市場格局及典型企業

　　目前，國產六維力傳感器與外資主流產品在精準度方面已基本對齊，但在靈敏度、串擾、抗過載能力及維間耦合誤差等方面仍存在差距，且真正具備批量化產品供應能力的廠商依然偏少。根據 MIR 數據，近幾年國內品牌憑借供應鏈優勢進一步降低成本，在保證性能的同時提供價格更低的產品以及優質的服務，國產化率逐步提升。但目前國產廠商市場份額僅僅略高于 30%，國內六維力傳感器市場仍以外資品牌為主，外資品牌在產品和應用上占有較大先發優勢。

　　從國內市場來看，六維力傳感器市場集中度較高，CR5 占比超過 50%。其中 ATI(美國)占據絕對龍頭地位，份額占比為 22.4%，其次是宇立儀器(中國)占比 12.2%、Epson(日本)占比 6.4%、藍點觸控(中國)占比 4.8%、坤維科技(中國)占比 4.7%。

資料來源：共研產業咨詢(共研網)

　　從代表企業分布來看，全球六維力傳感器主要分為日韓品牌、歐美品牌和國產品牌三大陣營。各陣營企業呈現不同的配套特點：

　　日韓地區，六維力傳感器廠商主要配套當地機器人本體廠商。根據 GGII，日韓地區六維力/力矩傳感器廠商主要配套當地機器人本體廠商，如韓國企業 Robotous、Aidin Robotics 主要合作廠商包括 Doosan Robotics、Neuromeka 和 Rainbow Robotics;日本企業 Sintokogio 和WACOH-TECH 主要合作廠商包括發那科、電裝、三菱、那智不二越、安川等，Epson 的六維力傳感器則主要配套 Epson 的工業機器人使用。

　　歐美地區，六維力傳感器廠商可分為傳統傳感器廠商、機器人末端工具廠商兩類：

　　傳統的傳感器生產商，包括 ATI、Bota Systems AG、ME-Me?systeme GmbH、AMTl、Kistler 等;

　　全球知名的機器人末端工具生產商，主要有 SCHUNK、OnRobot、Robotiq 等，歐美地區廠商合作企業以協作機器人本體廠商為主，主要包括優傲機器人、達明機器人和歐姆龍等。

　　近年來，國產六維力傳感器廠商逐漸成長，如宇立儀器(SRI)、坤維科技、鑫精誠、海伯森、藍點觸控、神源生智能、瑞爾特等，均已有相關產品落地并進入產業化應用。其他廠商如重慶魯班機器人技術研究院、埃力智能等，通過自主研發力傳感器技術，已經具備六維力/力矩傳感器的生產能力，部分產品型號開始進入下游用戶的驗證測試階段。