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IP屬地：廣東 上傳時間：2024-01-03 格式：DOC 頁數：8 大小：26.50KB 積分：5.88 舉報 版權申訴

力傳感器行業(yè)專題報告：力學感知，星辰已現，藍?？善谝?、力/力矩傳感器：感知并度量力/力矩信號（一）力/力矩傳感器為工業(yè)感知的核心部件力/力矩傳感器將力/力矩信號轉化為電信號。傳感器是指能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律(數學函數法則)轉換成可用信號的器件或裝置。力傳感器是將力的大小轉換成相關電信號的元件。力傳感器主要由力敏元件、轉換元件和電路三部分組成，可以檢測張力、壓力、重量、扭矩、應變和內應力等機械量，已成為動力設備、工程機械、各種工作機械、工業(yè)自動化系統(tǒng)不可或缺的核心部件。（二）力傳感器可依據測量維度、轉化元件、使用場景進行分類力傳感器分類標準眾多，根據測量維度可分為一維至六維傳感器；根據轉化元件可分為電阻應變式、光學式、壓電式和電容式傳感器；根據使用場景又可分為力傳感器可分為壓力、稱重（衡器）和力矩傳感器。根據測量維度，力傳感器可分為一維至六維傳感器。一維力傳感器測量一個方向的力，力的方向和作用點固定并與一維力傳感器的標定坐標軸一致，可對力進行精確測量；三維力傳感器測定三個正交方向的力，力的方向隨機變化，但力的作用點保持不變并與傳感器的標定參考點重合；六維力傳感器可在指定的直角坐標系內同時精確測量Fx、Fy、Fz三個方向的力信息和Mx、My、Mz三個方向的力矩信息，力的方向和作用點都在三維空間內隨機變化。根據轉化元件，力傳感器主要包括電阻應變式、光學式、壓電式和電容式傳感器。電阻應變式傳感器測量原理是將應變片粘貼在彈性體上，作用在彈性體上的外載荷使應變片隨之形變，應變片的電阻阻值隨載荷大小線性變化，并通過測量系統(tǒng)測量這一信號變化并輸出對應力值；光學式傳感器的核心零件是光纖，基于光纖傳感技術，將被測量轉換為光學參數的變化量從而進行測量；壓電式傳感器是一類基于石英、壓電陶瓷和壓電薄膜等晶體材料的壓電效應測量力信號的傳感器；電容式傳感器主要利用外力引起電容形變，導致其電容量產生變化來測量力值。根據使用場景，力傳感器可分為壓力傳感器、稱重傳感器（衡器）和力矩傳感器。壓力傳感器用于測量液體與氣體的壓強，是壓力檢測儀表的重要組成部分；稱重傳感器（衡器）將作用在被測物體上的重力按一定比例轉換成可計量的輸出信號；力矩傳感器分為動態(tài)和靜態(tài)兩大類，對各種旋轉或非旋轉機械部件上對扭轉力矩感知的檢測。（三）力傳感器產業(yè)鏈加速發(fā)展，賦能各行各業(yè)力傳感器上游材料供應商充足，下游領域所涉范圍廣泛。根據測量原理不同，力傳感器產業(yè)鏈上游為半導體材料、陶瓷材料、有機材料、金屬材料等；中游主要包括力傳感器的制造與封裝工序；產業(yè)鏈下游應用廣泛，包括汽車電子、通信電子、消費電子、工業(yè)電子等多種領域，其中汽車電子、消費電子、工業(yè)制造為傳感器的主要下游應用，新型市場如物聯網、人形機器人的崛起也推動需求的持續(xù)擴張。二、六維力傳感器下游應用廣泛，精度需求帶來高技術壁壘（一）六維力傳感器提供最高維度的力覺信息，結構多樣復雜六維力傳感器提供最高維度的力覺信息，應用于高精尖領域。六維力傳感器提供三軸力和三軸力矩反饋，是維度最高的力覺傳感器，能給出最為全面的力覺信息，目前主要應用于檢測、預防、控制、示教、測量和保護場景。隨著機器人的發(fā)展進入智能機器人階段，智能機器人的“觸覺”、“力覺”和“聽覺”主要通過其配備的傳感器得以實現。其中，六維力傳感器作為測量機器人末端操作器和外部環(huán)境相互接觸或抓取工件時所承受力和力矩的傳感器，為機器人的力控制和運動控制提供了力感信息，從而對完成一些復雜、精細的作業(yè)，實現機器人智能化起著重要作用。六維力傳感器有較大的技術難度和使用難度，已被工信部納入重點發(fā)展的核心零部件范疇。六維力傳感器結構符合性能要求，耦合方式多樣。六維力傳感器一般分成上臺（或內圈）、下臺（或外圈）、測力梁和應變計。當上臺（或內圈）和下臺（或外圈）有相對受力時，測力梁產生與外力大小成比例的應變，應變計將該應變轉換成電信號輸出。中性坐標系一般位于傳感器的幾何中心。其耦合方式包括矩陣解耦型和結構解耦型，矩陣解耦型六軸力傳感器有6到12個通道輸出，各路輸出相互耦合；結構解耦型六軸力傳感器只有6個通道輸出，各路輸出相互獨立。六維力傳感器主要分為應變片式、光學式以及壓電/電容式。根據傳感元件的不同，六維力傳感器主要分為應變片式、光學式以及壓電/電容式。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，基于壓電、電容和光學等原理測量的傳感器有一定的理論研究和實驗，下游尚未得到廣泛應用。隨著相關研究的不斷深入，不同測量機理的傳感器將會發(fā)揮自身優(yōu)勢被應用到各種場合，進而推動六維力傳感器向多元化方向發(fā)展。（二）六維力傳感器應用場景多元，助力制造性能提升六維力傳感器廣泛應用于汽車制造業(yè)，提升效率、安全性和可靠性。在汽車制造中，六維力傳感器可以用于測試引擎、變速器、轉向裝置等各種零部件的性能，六維力傳感器被廣泛地用在汽車安全設備測試、高速碰撞測試、性能測試、車身剛度測試和車輛動力學測試中。它們在確定新車和部件設計的完整性和最優(yōu)化方面都能發(fā)揮重要作用，同時還有助于保證效率、安全性和正確的功能。在智能汽車發(fā)展和新能源汽車的需求拉動下，六維力傳感器應用領域廣闊。六維力傳感器運用于醫(yī)療手術和康復領域，助力醫(yī)學領域發(fā)展。手術機器人的力感知可作為力反饋的依據以提升手術的安全性。根據臨床場景的不同，手術機器人主要分為腔鏡機器人、骨科機器人，穿刺機器人、經自然膠道機器人、泛血管機器人等五類機器人。目前，協作機械臂+六維力傳感器的組合已廣泛應用于血管介入手術機器人、外科手術機器人、醫(yī)療檢測機器人及遠程提控機器人等，中國手術機器人行業(yè)處于早期發(fā)展階段，增長潛力較大。GGII預計，未來3-5年，骨科機器人和泛血管手術機器人將占手術機器人市場的20%以上。隨著技術的不斷進步和應用的深入，六維力傳感器在醫(yī)療領域的應用前景將會更加廣闊，六維力傳感器產品將逐漸成為類似應用場景中的剛需。六維力傳感器提高航空航天系統(tǒng)的整體性能。航空航天領域是六維力傳感器最早的重要應用領域之一，可用于測量風洞試驗、飛機、衛(wèi)星、火箭等飛行器各種運動狀態(tài)下的六維力信息，通過這些信息，飛行器可以更加準確地感知環(huán)境，控制姿態(tài)，完成各項任務。隨著航空航天技術的不斷發(fā)展和應用的深入，六維力和力矩傳感器還可以用于飛機制造、飛行器著陸和起飛過程的監(jiān)測、機械臂控制、結構健康監(jiān)測等領域。六維力傳感器應用于多關節(jié)機器人和協作機器人，在多領域需求持續(xù)提升。在機器人應用領域，六維力傳感器主要應用于高精度拋光打磨、銑削、焊接及高精密裝配等場景的多關節(jié)機器人以及對傳感性能要求更高的協作機器人。在工業(yè)制造領域，通過安裝在協作機器人的末端，用以實現高精密柔性裝配、焊接、去毛刺作業(yè)、拖動示教等應用。在商業(yè)應用領域，可以讓機器人更加智能地感知人體部位的力度和壓力，實現更加準確和舒適的按摩理療服務，目前已經成為一個新興的趨勢。在醫(yī)療領域，通過安裝在協作機器人的末端的六維力傳感器可以幫助手術機器人感知人體各個方面的實時參數，包括力量、重量等，從而實現更精細、高質量的手術操作，降低手術風險。六維力傳感器在人形機器人中旋轉執(zhí)行模組和直線執(zhí)行模組發(fā)揮重要作用。人形機器人中，六維力矩傳感器主要用在對柔順控制要求高的手腕和腳踝。2023年，特斯拉新款Optimus人形機器人完成了扭矩和力度控制，在面對環(huán)境檢測與記憶等復雜任務時，在力控方面表現得更加靈敏。未來，人形機器人將通過配備（A1、視覺、力覺等)傳感器，呈現出多信息融合(觸覺、力覺和視覺等)的力控實現形式，將為六維力傳感器在人形機器人領域的應用帶來巨大的發(fā)展空間。（三）六維力傳感器核心參數指標包括串擾、精度和準度，標定檢測技術壁壘高六維力傳感器的測量準確度由串擾、精度、準度等性能決定。串擾指標用來衡量多維力傳感器各測量方向間的耦合影響，可以反映測量誤差水平，是體現產品性能的關鍵指標之一。以六維力傳感器為例，串擾指標只能大概表明產品的耦合干擾情況，使用精度和準度這兩個指標準確描述測量誤差水平；精度衡量的是測量結果之間的重復性。其檢定方法是，在相同環(huán)境條件下，在額定載荷范圍內，進行多次重復聯合加載相同一組載荷后，計算得到的傳感器測量值的標準差，并除以量程；準度衡量的是測量結果與理論真值的偏離程度。其獲得的方法是，對傳感器進行多組多維聯合加載，計算得到的傳感器測量值與所加載荷理論真值之間的標準偏差，并除以量程。六維力傳感器技術壁壘高，核心難點在于結構/算法解耦、標定檢測、材料配方。標定解耦是六維力傳感器提高使用精度的主要方法。標定就是指通過對六維樣本空間中的樣本點進行精確加載，建立傳感器信號與力和力矩的映射關系，獲得解耦算法的數學模型和參數。因此，標定工作是六維力傳感器研發(fā)階段不可或缺的環(huán)節(jié)，六維力傳感器標定裝置的設計研發(fā)以及解耦算法的研究有著極為重要的工程實際意義。靜態(tài)標定為現有主流研究方向，但存在較多局限性。標定形式根據其加載方式分為靜態(tài)和動態(tài)，其中靜態(tài)標定較容易實現，成為現在的主流研究方向。通過優(yōu)化力源的加載方式來進行標定裝置的設計，通過六個力或力矩在空間上的合理布局，以實現對傳感器六維力的標定。但是現有的標定裝置存在較多的局限性，比如加載載荷有限、無法進行復合加載、無法加載所有維度正負方向、維間耦合較大等等缺陷。這些局限性因素很大程度上限制了六維力傳感器標定的有效性，同時對于六維力傳感器的最終使用精度有著很大的影響。維間耦合降低傳感器的檢測精度，解耦算法為重要的解耦手段。解耦算法的選擇是標定中最為重要的部分，解耦算法的解耦精度直接決定了六維力傳感器的最終