機(jī)器人行業(yè)春季策略報(bào)告之策略會(huì)主題分享：AI賦能人形機(jī)器人開啟產(chǎn)業(yè)化元年

任務(wù)極大地提高了其通用性○大模型兼顧預(yù)訓(xùn)練和微調(diào)功能是機(jī)器人的理想"大腦"。大模型(FoundationModels)能夠?qū)崿F(xiàn)在無標(biāo)注的數(shù)據(jù)上進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練從而根據(jù)數(shù)據(jù)特征探索普適的規(guī)律形成強(qiáng)大的泛化能力后續(xù)僅需利用專用的小規(guī)模的標(biāo)注數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行微調(diào)心零部件成本合計(jì)約占整機(jī)成本的70%根據(jù)特斯拉Optimus的配置看其執(zhí)行器環(huán)節(jié)分為旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和線性執(zhí)行器兩種旋轉(zhuǎn)傳感器環(huán)節(jié)：國產(chǎn)機(jī)器人廠商有望加速導(dǎo)入。六維力/力矩傳感器用于精維度的力矩信息，主要應(yīng)用于汽車行業(yè)的碰撞測試機(jī)器人與自動(dòng)化等領(lǐng)域。風(fēng)險(xiǎn)提示：國產(chǎn)設(shè)備替代進(jìn)度不及預(yù)期、人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化不及預(yù)期請參閱附注免責(zé)聲明1Models)能夠?qū)崿F(xiàn)在無標(biāo)注的數(shù)據(jù)上進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，從而根據(jù)數(shù)據(jù)特征探索普適的規(guī)律，形成強(qiáng)大的泛化能力，后續(xù)僅需利用專硬件是機(jī)器人主要成本項(xiàng)，絲桿、減速器是最核心部件。伺服電機(jī)，線性執(zhí)行器包括絲桿+電機(jī)，指關(guān)節(jié)執(zhí)行器則是空心杯電機(jī)+配套絲桿的模組配置。傳感器環(huán)節(jié)：國產(chǎn)機(jī)器人廠商有望加速導(dǎo)入測試、輪轂、座椅等零部件測試以及航空航天、生物力學(xué)、醫(yī)療領(lǐng)域、科研實(shí)驗(yàn)、機(jī)器人與自動(dòng)化等領(lǐng)域。六維力傳感器被稱請參閱附注免責(zé)聲明2請參閱附注免責(zé)聲明3ICONTENTS01A賦能，人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加速請參閱附注免責(zé)聲明4波士頓動(dòng)力AtlasIHMCNadia特斯拉OptimusValkyrieDigitV2韓國HUBO資料來源：國泰君安證券研究5請參閱附注免責(zé)聲明5通用性是人形機(jī)器人商業(yè)化的關(guān)鍵。人形機(jī)器人往往需要高度專業(yè)化的用戶操作且只能在特定場景下工作這種局限性使得人形機(jī)器能夠處理視覺和語言信息還能夠理解物理世界的基本規(guī)律這種強(qiáng)大的泛化能力使得人形機(jī)器人能夠在多種場景中執(zhí)行任務(wù)極大地提高了其通用性。資料來源：OntheOpportunitiesandRisksofFoundationModels請參閱附注免責(zé)聲明63264732647人機(jī)對話深藍(lán)人機(jī)大戰(zhàn)AlphaGO戰(zhàn)勝李世石12016年3月，Google2016年3月，Google在四場比賽中擊敗了1966年，麻省理工學(xué)院J.weizenbaum發(fā)表了題為《ELIZA，一個(gè)研究人機(jī)自然語言交電腦以3.5:2.5擊敗標(biāo)準(zhǔn)比賽時(shí)限內(nèi)擊敗國際象棋世界冠軍的電腦系統(tǒng)5反向傳播算法它最早是1969年MarvinMinsky反向傳播算法它最早是1969年MarvinMinsky和圖靈測試1950年10月圖靈又發(fā)表一篇題為"機(jī)器能2011年lBMwatson88思考嗎"的論文。seymourpapert在《感思考嗎"的論文。到20世紀(jì)80年代中期，才成為機(jī)器學(xué)習(xí)資料來源：國泰君安證券研究檔電視智力競賽綜藝節(jié)目冠軍獎(jiǎng)獲得100萬美元獎(jiǎng)金。請參閱附注免責(zé)聲明7大模型兼顧預(yù)訓(xùn)練和微調(diào)功能是機(jī)器人的理想"大腦"。2017年谷歌提出了基于自注意力機(jī)制的Transformer神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)成為當(dāng)前預(yù)訓(xùn)練大模型的基礎(chǔ)。后續(xù)伴隨GPT-1、BERT、GPT-2、GPT-3、GPT-4等模型的推出模型的參數(shù)規(guī)模突破了百萬億量級(jí)。大模型(FoundationModels)能夠?qū)崿F(xiàn)在無標(biāo)注的數(shù)據(jù)上進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練從而根據(jù)數(shù)據(jù)特征探索普適的規(guī)律形成強(qiáng)大的泛化能力后續(xù)僅需利用專用的小規(guī)模的標(biāo)注數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行微調(diào)(fine-tuning)即可提升模型泛化能力并減少過擬合。人形機(jī)器人相較于其他專用機(jī)器人的核心優(yōu)勢在于其強(qiáng)大的通用性這要求具身智能產(chǎn)品具備智能體(EmbodiedAgents),能夠自主完成感知、理解、決策等重要工作具備"舉一反三9的泛化能力。而大模型所具備的強(qiáng)大泛化能力和涌現(xiàn)能力與之契合當(dāng)前眾多廠商已開始嘗試將大模型用于訓(xùn)練具身智能產(chǎn)品，微軟提出基于ChatGPT自動(dòng)生成控制機(jī)器人的相關(guān)代碼；谷歌推出了諸如PaLM-E、RoboCat、RT-2、RT-X等一眾模型。大模型兼顧預(yù)訓(xùn)練和微調(diào)功能資料來源：百家號(hào)、澎湃、國泰君安證券研究微軟、谷歌一眾企業(yè)推出具身智能大模型請參閱附注免責(zé)聲明8多模態(tài)GPT助力機(jī)器人在交互能力、規(guī)劃控制能力、泛化能力、感知能力等多方面得到極大提升。1)交互能力:傳統(tǒng)的模型往往只能讓機(jī)器人理解少數(shù)特定指令，甚至無法通過自然語言下達(dá)指令。GPT模型能讓機(jī)器人更好地理解人類指令，從而更好地完成各類需求，使用自然語言與機(jī)器人交互也能極大提升用戶交互體驗(yàn)。2)規(guī)劃控制能力:傳統(tǒng)的機(jī)器人模型難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)GPT模型具備很強(qiáng)的邏輯能力，可以賦能機(jī)器人完成復(fù)雜的規(guī)劃控制操作。這種能力在ChatGPT的代碼能力上便能體現(xiàn)，寫代碼是邏輯性很強(qiáng)且需要多步驟的復(fù)雜任務(wù)。2022年谷歌的論文《Chain-of-ThoughtPromptingElicitsReasoninginLargeLanguageModels》也探索過使用思維鏈提示法，能激發(fā)出大型語言模型處理復(fù)雜問題的推理能3)泛化能力:機(jī)器人應(yīng)用的下游場景差別很大，若想要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用大規(guī)模快速落地，需要增強(qiáng)模型泛化能力，提升模型的通用性，以降低推廣成本。GPT模型作為生成式模型，具備很強(qiáng)泛化能力，比如chatgpt有很強(qiáng)的多語言能力，即使其大部分訓(xùn)練數(shù)據(jù)為英文，并且在翻譯、對話和文本生成等各類不同任務(wù)。4)感知能力:多模態(tài)的發(fā)展讓機(jī)器人可以同時(shí)處理包括視覺、文本、傳感器等不同模態(tài)的輸入，賦予機(jī)器人更強(qiáng)的感知能力。2023年4月25日，騰訊推出自研機(jī)器人靈巧手TRX-Hand和機(jī)械臂TRX-Arm，靈活程度堪比人手。資料來源：機(jī)器人大講堂請參閱附注免責(zé)聲明9機(jī)器人控制框架一般采用層級(jí)控制方法在層級(jí)控制的方法中高層級(jí)負(fù)責(zé)任務(wù)定義和動(dòng)作規(guī)劃低層級(jí)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制以要求機(jī)器人去廚房接一杯水為例任務(wù)的過程包括如下幾個(gè)環(huán)節(jié):1)任務(wù)定義與描述(去接一杯水);2)把任務(wù)分解為動(dòng)作(把從拿杯子到打開水龍頭到接水的過程拆分成一個(gè)個(gè)的細(xì)小動(dòng)作);3)機(jī)器人工程師根據(jù)分解動(dòng)作對機(jī)器人進(jìn)行編程生成代碼(可以是C++、Python也可以是自定義的機(jī)器人編程語言);4)控制-執(zhí)行-反饋(傳統(tǒng)意義上機(jī)器人控制的主要功能)。在大模型之前一般只有第四步的控制和反饋環(huán)節(jié)是由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成前面主要是機(jī)器人工程師完成眾多的機(jī)器人應(yīng)用工程師的主要工作就是理解任務(wù)，并把任務(wù)拆解成合適的動(dòng)作使用機(jī)器人編程語言完成機(jī)器人應(yīng)用程序的編寫、調(diào)優(yōu)和部署具備工業(yè)/商用/服務(wù)領(lǐng)域通用性的機(jī)器人控制軟件（機(jī)器人大腦）有了實(shí)現(xiàn)的可能資料來源：華爾街見聞?wù)垍㈤喐阶⒚庳?zé)聲明10關(guān)于機(jī)器人控制層級(jí)有很多種分法一般將控制層級(jí)分為5級(jí):1)任務(wù)級(jí)TaskLevel：我咖啡灑了你能幫忙嗎4)基元級(jí)PrimitiveLevel：根據(jù)動(dòng)作和機(jī)器人物理限制進(jìn)行軌跡規(guī)劃完畢之后插值生成的控制指令包括目標(biāo)位置、姿態(tài)、速度前饋、力矩前饋一般周期要做到至少500Hz常見的控制周期現(xiàn)在已經(jīng)做到1000Hz以上。如果是力控制這周期一般回到2000~4000hz;5)伺服級(jí)ServoLevel：運(yùn)行在伺服驅(qū)動(dòng)器里的位置速度電流三環(huán)控制機(jī)器人控制層級(jí)分5級(jí)PaLM-E任務(wù)推理頻率1Hz，機(jī)器人按5Hz控制頻率執(zhí)行Low-level運(yùn)動(dòng)請參閱附注免責(zé)聲明11一般大模型存在性能表現(xiàn)較弱的場景：1)通過特定部位抓取物體,例如門把手2)機(jī)器人數(shù)據(jù)集里沒有見過的新動(dòng)作或者學(xué)會(huì)如何使用新工具涉及泛化和Zero-shot問題；3)需要靈巧性和精確性的場景絕大部分技能型動(dòng)作都屬于此類4)需要多層間接推理的場景此處受限于大模型的能力很重要的一個(gè)因素是只靠給機(jī)器人輸入文字和圖像是無法讓機(jī)器人學(xué)會(huì)很多很專業(yè)技能，包括從簡單的二維平面寫毛筆字、雕刻到需要復(fù)雜動(dòng)作和力交互的場景。機(jī)器人可以通過文字、圖片、視頻學(xué)會(huì)雕刻的動(dòng)作但是無法通過圖片把自己練成雕刻大師這里面有大量的與物理交互相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)無法通過文字和圖片表達(dá)RT-2一些失敗的案例：移動(dòng)筆時(shí)未考慮筆會(huì)滾動(dòng)&控制周期太慢無法快速響應(yīng)筆的運(yùn)動(dòng)；移動(dòng)香蕉時(shí)未考慮長條形狀物體的重心請參閱附注免責(zé)聲明12請參閱附注免責(zé)聲明12多模態(tài)物理大模型——力的信息：1)現(xiàn)在說的大模型一般是語言和圖像大模型(VLM),可以看視頻作為訓(xùn)練而真正讓機(jī)器人干活應(yīng)該用物理多模態(tài)大模型(學(xué)術(shù)上沒統(tǒng)一叫法)。這個(gè)模型里邊輸入數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)應(yīng)該包括動(dòng)作以及跟環(huán)境接觸時(shí)候力的信息這樣機(jī)器人才能真正工作2)要訓(xùn)練機(jī)器人大模型最缺的就是數(shù)據(jù)要解決機(jī)器人大模型的數(shù)據(jù)問題。先得預(yù)訓(xùn)練也就是預(yù)訓(xùn)練基礎(chǔ)模型基礎(chǔ)模型的數(shù)據(jù)來源就可以用互聯(lián)網(wǎng)上的視頻這點(diǎn)跟sora-樣。讓模型來看人的工作視頻來學(xué)會(huì)一些基本操作比方說開冰箱或者開門拿一些東西。讓機(jī)器人看一萬個(gè)開門視頻機(jī)器人就知道這一類知識(shí)是怎么操作類似粗糙的動(dòng)作和操作通過看視頻做基礎(chǔ)模型的預(yù)訓(xùn)練是可以的。3)預(yù)訓(xùn)練之后模型類似于GPT1-GPT3等基礎(chǔ)模型。把它放到具體任務(wù)中去還是會(huì)存在不準(zhǔn)確的情況此刻就需要微調(diào)。VoxPoser使用VLM和VLM的能力來將機(jī)器人的觀測空間（一般為三維空間和待操作的對象）轉(zhuǎn)換為一個(gè)3D值圖，使用概率路線圖ProbabilisticRoadMap在3D值圖上搜索生成可用的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑請參閱附注免責(zé)聲明13請參閱附注免責(zé)聲明13機(jī)器人遙操作：1)一個(gè)合格的遙操作系統(tǒng)主要由感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分組成其中感知系統(tǒng)主要采用深度視覺人類行為感知和多模態(tài)數(shù)據(jù)手套等方式，實(shí)時(shí)感知人的手臂和手的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息。控制系統(tǒng)則主要包括智能控制器擬人機(jī)械臂和靈巧手用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的復(fù)現(xiàn)。2)在感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)中間智能控制器是這一平臺(tái)運(yùn)行的核心。其作用主要是通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信使實(shí)時(shí)感知到的人體手臂和手臂運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理并智能控制擬人機(jī)械臂和靈巧手進(jìn)而穩(wěn)定可靠地完成擬人化作業(yè)功能。3)預(yù)訓(xùn)練后為提升操作精確度一般會(huì)用搖操作或是人工示教提升整個(gè)操作能力的精確性類似于把GPT通過輸入一些聊天相關(guān)的微調(diào)數(shù)據(jù)微調(diào)到ChatGPT。訓(xùn)練完基礎(chǔ)模型后通過遙操作或者是新收集的遙操作的數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)讓機(jī)器人去干某一類任務(wù)如適合干抓取、遙操作路徑展示遙操作現(xiàn)場展示請參閱附注免責(zé)聲明請參閱附注免責(zé)聲明14自動(dòng)生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)：當(dāng)前訓(xùn)練機(jī)器人大模型/具身大模型面臨的最主要的挑戰(zhàn)之一是高質(zhì)量訓(xùn)練數(shù)據(jù)非常欠缺RT-1、RT-2以及PaLM-E中所使用的機(jī)器人數(shù)據(jù)集絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)是通過人工示范與人工遙操作的方式收集的費(fèi)時(shí)費(fèi)力效率很低。RoboCat基于DeepMind最新的多模態(tài)通用大模型Gato創(chuàng)建,除了能實(shí)現(xiàn)與前面所講的其他機(jī)器人大模型/具身大模型類似的場景識(shí)別、任務(wù)推理拆解、機(jī)器人控制功能重要的創(chuàng)新是在之前需要大量人工遠(yuǎn)程操作演示的方式來提供機(jī)器人數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上可以通過自己生成機(jī)器人訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的方式來更快完善其能力首先通過人工示教數(shù)百次建立新任務(wù)基礎(chǔ)能力，然后通過機(jī)器人自己生成的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，加快其技能學(xué)習(xí)速度請參閱附注免責(zé)聲明15請參閱附注免責(zé)聲明15明星機(jī)器人創(chuàng)業(yè)公司Figure官方發(fā)布了自己第一個(gè)OpenAI大模型加持的機(jī)器人demo視頻展示內(nèi)容：1)聽從人類的命令遞給人類蘋果；2)將黑色塑料袋收拾進(jìn)框子里；3)將杯子和盤子歸置放在瀝水架上；4)對各種問題進(jìn)行相應(yīng)回復(fù)。Figure01展示了端到端神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架下與人類的對話沒有任何遠(yuǎn)程操作并且速度開始接近人類目前Figure01現(xiàn)在可以做到描述其視覺體驗(yàn)、規(guī)劃未來的行動(dòng)、反思自己的記憶、口頭解釋推理過程等工作。從具體實(shí)現(xiàn)過程看技術(shù)人員將機(jī)器人攝像頭中的圖像輸入，并將麥克風(fēng)捕獲的語音文本轉(zhuǎn)錄到由OpenAI訓(xùn)練的大型多模態(tài)模型中從而獲得語言響應(yīng)然后通過文本到語音的方式將其回復(fù)給人類。Figure視頻展現(xiàn)出的是遙操作下的成果目前市面上還未推出機(jī)器人基座模型特定特斯拉和Figure均在加快機(jī)器人基座模型的研發(fā)和訓(xùn)得到OpenAI大模型能力加持的Figure01資料來源：機(jī)器之心機(jī)動(dòng)組、國泰君安證券研究請參閱附注免責(zé)聲明16WuKong-IIIWuKong-IVWuKongWuKong-IIWuKong-IIIWuKong-IVWuKongWuKong-II全球主要發(fā)達(dá)國家近年來紛紛加強(qiáng)對仿生人形機(jī)器人的整機(jī)設(shè)計(jì)及制造、核心零部件、人工智能等領(lǐng)域的布局并上升到國家戰(zhàn)略層面國內(nèi)在多模態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、動(dòng)態(tài)平衡控制、剛?cè)岱律鷻C(jī)構(gòu)、全身協(xié)調(diào)控制等仿生人形機(jī)器人核心技術(shù)已取得關(guān)鍵突破,在整機(jī)產(chǎn)品研制方面已取得顯著進(jìn)展清華大學(xué)清華大學(xué)THBIP-I北京理工大學(xué)研制的仿人機(jī)器人北京理工大學(xué)研制的仿人機(jī)器人WalkerWalkerX資料來源：科學(xué)啟蒙、浙江大學(xué)官網(wǎng)、網(wǎng)易、優(yōu)必選官網(wǎng)、機(jī)器人大講堂、國泰君安證券研究請參閱附注免責(zé)聲明18硬件是機(jī)器人主要成本項(xiàng)包括絲桿、減速器在內(nèi)的執(zhí)行器是最核心部件機(jī)器人核心零部件為伺服系統(tǒng)減速器控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器等核心零部件成本合計(jì)約占整機(jī)成本的70%其中執(zhí)行器環(huán)節(jié)是最核心部件包括執(zhí)行電機(jī)(身體+手部)、減速器、絲杠、控制器等根據(jù)特斯拉Optimus的配置看其執(zhí)行器環(huán)節(jié)分為旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和線性執(zhí)行器兩種旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器結(jié)構(gòu)為減速器+伺服電機(jī)線性執(zhí)行器包括絲桿+電機(jī),指關(guān)節(jié)執(zhí)行器則是空心杯電機(jī)+配套絲桿的模組配置。整體看對于人形機(jī)器人而言靈巧手是體現(xiàn)其自由度和拓展下游領(lǐng)域的關(guān)鍵因此其中作為驅(qū)動(dòng)的空心杯電機(jī)重要性不言而喻此外絲桿不論在手部執(zhí)行器還是身體部位執(zhí)行器都需要其成本占比較高機(jī)器人核心零部件成本占比約70%35%25%減速器伺服系統(tǒng)本體控制器其他特斯拉人形機(jī)器人執(zhí)行器種類資料來源：特斯拉AIDAY、國泰君安證券研究請參閱附注免責(zé)聲明19螺距決定絲杠精度，機(jī)床引發(fā)的漸進(jìn)線誤差是關(guān)鍵。評(píng)價(jià)絲杠零件的精度指標(biāo)主要有螺距、中徑、牙形角以及表面粗糙度等而其中螺距精度是最重要的一項(xiàng)指標(biāo)。絲杠加工精度以螺距誤差為主要標(biāo)準(zhǔn)螺距誤差主要有漸進(jìn)性誤差(累積誤差)、周期性誤差和偶然誤差，其中漸進(jìn)性誤差將對其定位精度起決定性作用周期性誤差是一個(gè)多項(xiàng)諧波誤差的合成該誤差將嚴(yán)重影響其傳動(dòng)精度而偶然誤差是在絲杠加工過程中由于一些偶然因素引起的誤差。此外按照誤差源的變化規(guī)律可將絲杠螺距誤差分為靜態(tài)誤差、動(dòng)態(tài)誤差和隨機(jī)誤差。靜態(tài)隨機(jī)誤差主要包括室溫及油溫變化，外界振動(dòng)等干擾因素引起的誤差。絲杠加工精度以螺距誤差為主要標(biāo)準(zhǔn)絲杠螺距誤差按誤差源變化規(guī)律劃分資料來源：何澤軍《高精度滾珠絲杠磨削加工誤差分析》、國泰君安證券研究請參閱附注免責(zé)聲明織發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn))、DIN標(biāo)準(zhǔn)(德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)制定)、JIS標(biāo)準(zhǔn)(日本產(chǎn)業(yè)級(jí)，數(shù)控設(shè)備采用C5C3級(jí)甚至更高歐洲國家的標(biāo)準(zhǔn)采用的是IT公差等級(jí)(IT01IT0IT1-IP5、P7、P10從機(jī)加工的加工方式來看，按IT標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)評(píng)判磨削是精度最高的加工方式其精度可達(dá)IT8~IT5甚至更高表面粗糙度一般磨削為資料來源：金屬加工、國泰君安證券研究請參閱附注免責(zé)聲明21比滾珠絲杠承載能力提高，直線速度可達(dá)比滾珠絲杠承載能力提高，直線速度可達(dá)絲杠的加工工藝類型多樣，具體包括：1)車削:以車代磨通過旋轉(zhuǎn)工件并用刀具切削工件表面來形成所需的形狀通常用于加工圓柱形零件；使用設(shè)備為車床。2)銑削:刀盤帶動(dòng)刀具作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)工件緩慢軸向進(jìn)入刀具徑向深入切削通常用于制造平面、凹槽、齒輪等形狀復(fù)雜的零件；使用設(shè)備為旋風(fēng)銑床。3)磨削:先車后磨首先將原材料車削至一定精度再使用專用磨床先粗后精磨到所需尺寸通常用于加工高精度零件。4)冷鍛：通過在室溫下對金屬坯料施加壓力使其發(fā)生塑性變形從而形成所需的形狀和尺寸通常用于生產(chǎn)高強(qiáng)度、高精度的金屬零件絲杠的加工工藝方法行星滾柱絲杠具有明顯優(yōu)勢相同絲杠直徑下,相同負(fù)載下比滾珠絲杠節(jié)省1/3滾動(dòng)替代滑動(dòng),90%○/轉(zhuǎn)速可達(dá)6000r/min加速度可達(dá)10000rad/s2以上。定位精度優(yōu)于1μm無需滾動(dòng)件循環(huán)裝置,工作環(huán)境溫度范圍提高2倍以上。請參閱附注免責(zé)聲明22螺紋磨削：通過使用旋轉(zhuǎn)的砂輪在滾珠絲杠的表面研磨出精細(xì)的凸臺(tái)達(dá)到高精度的運(yùn)動(dòng)效果。螺紋磨削工序有粗磨螺紋、螺紋底溝磨削和精磨螺紋等這些工序均在絲杠淬火至硬度達(dá)5862HRC后用螺紋磨床磨削。該工藝具有高精度、高性能等特點(diǎn)但是基于螺紋磨削切削用量的限制并且在磨削過程中要不斷地修整砂輪和校直絲杠因此工時(shí)較長加工效率較低需要高技能操作員進(jìn)行操作一般而言,在傳統(tǒng)的絲杠加工中二十余道工序螺紋磨削時(shí)間占整個(gè)工藝流程的2/3。磨削滾珠絲杠機(jī)械加工工藝過程序號(hào)工藝內(nèi)容序號(hào)工藝內(nèi)容1粗磨90°V形槽2球化退火熱處理并檢驗(yàn)校直磁力探傷3加工端面，鉆中心孔時(shí)效處理并檢驗(yàn)4粗車研磨中心孔5高溫時(shí)效并檢驗(yàn)半精磨滾道6加工端面，研修中心孔低溫時(shí)效處理并檢驗(yàn)7半精車銑鍵槽8銑磨端部螺紋9粗磨20研磨中心孔工作表面與加工基準(zhǔn)淬、回火21精磨滾道，全檢研磨中心孔22裝配-跑合-檢驗(yàn)-防銹包裝-檢驗(yàn)入庫備注磨制滾珠絲杠加工工藝周期約為30-45天，周期長，效率資料來源：鄭紅《精密滾珠絲杠機(jī)械加工工藝規(guī)程研究》、國泰君安證券研究請參閱附注免責(zé)聲明23高速硬車：即以車代磨通過旋轉(zhuǎn)工件并用刀具切削工件表面來形成所需的形狀使用設(shè)備為車床。由于磨削工藝會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱造成滾珠絲杠螺紋滾道部分退火導(dǎo)致硬度下降并且大量的切削熱量帶來冷卻潤滑用的切削油的揮發(fā)對環(huán)境造成污染因此螺紋滾道硬車削作為一種新型螺紋滾道加工工藝出現(xiàn)其方案最大優(yōu)勢是加工效率高綠色環(huán)保并且避免因切削熱引起的絲杠硬度降低而引起的可靠性差問題的發(fā)生。絲杠螺紋滾道車削是連續(xù)的成型切削其軸向進(jìn)給量根據(jù)螺距的不同而變化會(huì)帶來巨大的切削力從而要求刀具具備良好的強(qiáng)度硬度和耐磨性的同時(shí)還應(yīng)具備良好的韌性。基于此絲杠滾道硬車削采用立方氮化硼CBN或PCBN刀具材料。圖19：CBN專用車刀（左）和刀桿（右）請參閱附注免責(zé)聲明24資料來源：張廣明《滾珠絲杠滾道硬車加工技術(shù)研究》研究請參閱附注免責(zé)聲明24旋風(fēng)銑削：刀盤帶動(dòng)刀具作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)工件緩慢軸向進(jìn)入刀具徑向深入切削使用設(shè)備為旋風(fēng)銑床。原理上看工件利用刀盤上的多把均勻?qū)ΨQ的高強(qiáng)度成型銑刀借助于刀盤旋轉(zhuǎn)軸線與工件軸線存在的偏心距依次參與切削且兩軸線夾角為螺紋的螺旋角。旋風(fēng)銑削加工時(shí)刀盤與工件同向旋轉(zhuǎn)完成順銑工件每旋轉(zhuǎn)一周刀盤沿著工件軸線移動(dòng)一個(gè)螺紋導(dǎo)程的距離從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)螺紋滾道的加工。旋風(fēng)硬銑削相比于傳統(tǒng)切削方式減少了切削產(chǎn)生的熱量提高切削速度提高生產(chǎn)率降低加工成本與磨削相比加工效率是其3~5倍與傳統(tǒng)切削相比刀具使用壽命提高70%。旋風(fēng)硬銑削加工的工作原理旋風(fēng)硬銑削加工的工作原理請參閱附注免責(zé)聲明25資料來源：宋現(xiàn)春《旋風(fēng)硬銑削加工技術(shù)及其在精密滾珠絲杠加工中的應(yīng)用》、國泰君安證券研究請參閱附注免責(zé)聲明25滾軋（冷軋）成形：以金屬塑性變形理論為基礎(chǔ)的絲杠滾軋成形技術(shù)是高效、低耗、宜人化清潔生產(chǎn)的典范。其特點(diǎn)是：材料利用率高、產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度高(抗拉強(qiáng)度提高20%～30%疲勞強(qiáng)度提高20%～40%抗剪強(qiáng)度提高5%)、使用壽命長、絲杠螺紋的尺寸和導(dǎo)程精度具有較高的同一性互換性生產(chǎn)周期短和制造成本低等缺點(diǎn)是精度不甚理想軋制絲杠加工工藝周期在1-3天請參閱附注免責(zé)聲明26資料來源：鄭紅《精密滾珠絲杠機(jī)械加工工藝規(guī)程研究》，國泰君安證券研究請參閱附注免責(zé)聲明26絲杠的4種加工工藝對比工藝優(yōu)劣加工精度表面質(zhì)量加工效率高資料來源：張廣明《精密滾珠絲杠制造技術(shù)的變革創(chuàng)新》，陳輝《行星滾柱絲杠螺紋的硬態(tài)車削加工技術(shù)研究》，黃祖堯《滾珠絲杠螺紋制造技術(shù)向高效、低耗、綠色方向發(fā)展》，、國泰君安證券研究請參閱附注免責(zé)聲明27外資品牌占據(jù)絕對主導(dǎo)地位，行業(yè)集中度高。為了實(shí)現(xiàn)高速或精密的加工除在機(jī)床設(shè)備的結(jié)構(gòu)剛性進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)外必須同時(shí)具備高速主軸系統(tǒng)和高速進(jìn)給系統(tǒng)才能達(dá)到材料切削過程的高速化這對于企業(yè)的制造能力和設(shè)計(jì)能力都有較高的要求從市場競爭格局看，目前全球主要的滾珠絲杠廠商有NSK、THK、SKF等歐美日和中國臺(tái)灣企業(yè)pCR5市占率達(dá)到約46%。而在加工難度更高的行星滾柱絲杠市場根據(jù)王有雪《E公司滾柱絲杠產(chǎn)品營銷策略研究》的數(shù)據(jù)2022年GSA(含旗下Rollvis)公司在中國市場份額超50%處于絕對主導(dǎo)地位全球滾珠絲桿行業(yè)市場競爭格局情況外資品牌主導(dǎo)中國行星滾柱絲杠市場54%54%其他CR546%資料來源：華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院、王有雪《E公司滾柱絲杠產(chǎn)品營銷策略研究》、國泰君安證券研究請參閱附注免責(zé)聲明28部分絲杠廠商公司介紹國家和地區(qū)主要產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域Rexroth德國直線導(dǎo)軌、滾珠/軋制滾柱絲杠、電動(dòng)缸、直線運(yùn)動(dòng)模組汽車-線性傳動(dòng)技術(shù)上銀科技中國臺(tái)灣滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌、軸承、末端效應(yīng)器汽車-轉(zhuǎn)向系統(tǒng)五洲新春滾珠絲杠、軸承及配件、精密機(jī)械及零件汽車-轉(zhuǎn)向/駐車/電子剎車等長盛軸承滾珠絲杠、潤滑軸承汽車、軍工、數(shù)控機(jī)床等瑞士直徑范圍5-245mm、導(dǎo)程范圍0.5-50mm研磨級(jí)滾柱絲杠航空航天、鋼鐵冶金、軍工瑞士直徑范圍5-245mm、導(dǎo)程范圍0.1-50mm研磨級(jí)滾柱絲杠航空航天、鋼鐵冶金、軍工瑞典直線導(dǎo)向類（成型/精密導(dǎo)軌、直線軸承）、滾珠/滾柱絲杠、電動(dòng)缸、直線模組醫(yī)療設(shè)備、自動(dòng)化生產(chǎn)線、非道路機(jī)械和其他通用設(shè)備博特精工精密滾珠絲杠副、精密滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副、高速精密電主軸、數(shù)控機(jī)床、軍工設(shè)備、核電裝備、航精密機(jī)械主軸單元、X-Y精密雙坐標(biāo)工作臺(tái)、精密主軸等空航天等南京工藝高精度滾柱絲杠副、大型滾珠絲杠副、滾動(dòng)導(dǎo)軌副數(shù)控機(jī)床新劍傳動(dòng)行星滾柱絲杠、電動(dòng)缸汽車、軌道交通、機(jī)器人貝斯特高精度滾珠/滾柱絲杠副、高精度滾動(dòng)導(dǎo)軌副等數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化裝備、機(jī)器人、新能源汽車、醫(yī)療器械等行業(yè)恒立液壓滾珠絲桿、重載滾珠絲桿、行星滾柱絲桿電動(dòng)缸等。數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化裝備、機(jī)器人等五洲新春絲杠螺母軸承組件、滾珠絲杠等汽車、機(jī)器人等資料來源：立鼎產(chǎn)業(yè)研究網(wǎng)，前瞻網(wǎng)，王有雪《E公司滾柱絲杠產(chǎn)品營銷策略研究》，公司公告、國泰君安證券研究請參閱附注免責(zé)聲明29國內(nèi)企業(yè)在行星滾柱絲杠的制造上仍存在較大差距國產(chǎn)替代進(jìn)程有望提速國內(nèi)企業(yè)行星滾柱絲杠產(chǎn)品布局較為稀缺且在導(dǎo)程精度、最大動(dòng)載荷、最大靜載荷等性能方面與國外同規(guī)格產(chǎn)品存在差距。國外領(lǐng)先企業(yè)在精度方面能夠?qū)崿F(xiàn)各種精度的全覆蓋在最大動(dòng)載荷、最大靜載荷方面國內(nèi)的行星滾柱絲杠產(chǎn)品顯著低于國外同規(guī)格產(chǎn)品，長期看行星滾柱絲杠國產(chǎn)替代空間大//123.28KN177.28KN18-60mm全覆蓋4700rpm168.9KN246.9KN20-63mm全覆蓋/133KN197.KN8-64mm資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院、國泰君安證券研究請參閱附注免責(zé)聲明30外螺紋磨床：外螺紋磨床進(jìn)行加工的精密螺紋結(jié)構(gòu)是行星滾柱絲杠的核心部分，其螺紋的加工需要極高精度。以外圓磨床對絲杠軸外圓表處理螺桿軸的平面部分或底座，確保整體的平面度和尺寸準(zhǔn)確。每次加工螺紋前，先加工絲杠外圓，然后以絲杠外圓和兩端中心孔作為定位基面加工螺紋，逐步提高螺紋加工精度。行星滾柱的加工設(shè)備與絲杠加工設(shè)備近似，其采用外螺紋結(jié)構(gòu)，加工過程中亦涉及外螺紋磨床。行星滾柱需要與螺母的內(nèi)螺紋相匹配，確保傳動(dòng)系統(tǒng)的性能和精確性。Mitsubishi外螺紋磨床數(shù)控高精度外圓磨床高精度中心磨床液壓精密平面磨床請參閱附注免責(zé)聲明31請參閱附注免責(zé)聲明31海外廠商在外螺紋磨床上技術(shù)領(lǐng)先。瑞士的Tornos、Studer，德國的Schütte、KappNiles，日本的三菱重工等廠商在外螺紋磨床領(lǐng)域都擁有顯著的技術(shù)實(shí)力和市場份額。這些公司通過不斷創(chuàng)新，提升外螺紋磨床的精度、效率和可靠性，以滿足制造行業(yè)對高精密內(nèi)螺紋加工行業(yè)先進(jìn)的外螺紋磨床產(chǎn)品主要來自歐洲和日本MitsubishiZE26C系列ZE26C系列外螺紋磨床具有先進(jìn)的控制系統(tǒng)和高精度磨削技術(shù)KX100Dynamic系列KX100Dynamic系列外螺紋磨床適用于高精度的齒輪和螺紋磨削StuderS41系列外螺紋磨床以高精度、穩(wěn)定性和可靠性而聞名ReishauerNRK系列外螺紋磨床被廣泛用于高精度磨削KlingelnbergOerlikon系列Oerlikon系列外螺紋磨床也是高精度齒輪和螺紋磨削的選擇資料來源：各公司官網(wǎng)，國泰君安證券研究請參閱附注免責(zé)聲明32內(nèi)螺紋磨床：滾柱螺母是具有內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)的零件，在加工過程中會(huì)使用到內(nèi)螺紋磨床。內(nèi)螺紋磨床用以磨削螺紋、滾珠螺母、滾柱螺母和其他精密螺母等，以確保內(nèi)螺紋的精確性和表面質(zhì)量，其結(jié)構(gòu)與普通內(nèi)圓磨床相似。滾柱絲杠螺母的內(nèi)螺紋需要與絲杠的外螺紋相匹配以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制和精確性，故內(nèi)螺紋磨床對于螺母的制造至關(guān)重要，精密數(shù)控內(nèi)螺紋磨削技術(shù)是加工高精密滾柱絲杠螺母的重內(nèi)螺紋磨床結(jié)構(gòu)圖內(nèi)螺紋磨床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖請參閱附注免責(zé)聲明33請參閱附注免責(zé)聲明33內(nèi)螺紋磨床精密度效率不斷提升，先進(jìn)設(shè)備集中于歐美。內(nèi)螺紋磨床的設(shè)計(jì)和制造正不斷優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)更高的精密度和生產(chǎn)效率，以滿足高精密度零部件需求。瑞士Reishauer公司，英國公司HOLROYD，美國公司DRAKE，意大利公司SMPUTENSILI、英國MATRIX、德國ELB-Schliff（旗下磨床品牌包括aba公司等）公司和克林貝格公司等都是世界著名的數(shù)控螺紋磨床生產(chǎn)和研發(fā)廠商，他們的產(chǎn)品代表著數(shù)控螺紋磨床的最高水平和發(fā)展方向。瑞士Reishauer公司設(shè)計(jì)研發(fā)的CNC螺紋磨床RG500作為典型的數(shù)控內(nèi)螺紋磨床廣受機(jī)床行業(yè)的關(guān)注。行業(yè)先進(jìn)的內(nèi)螺紋磨床產(chǎn)品3060CNC系列3060CNC系列內(nèi)螺紋磨床具有高度的精度和可靠性，適用于多種內(nèi)螺紋加工GSTE-Mini系列GSTE-Mini系列內(nèi)螺紋磨床采用高精度磨削技術(shù)，適用于小型內(nèi)螺紋件的加工HolroydPrecisionEX系列用于內(nèi)螺紋磨床在高精度螺紋和螺母磨削ReishauerNRK系列外螺紋磨床也可以用于內(nèi)螺紋磨削，具有高精度和可靠性KX100Dynamic系列KX100Dynamic系列外螺紋磨床也可用于高精度的內(nèi)螺紋磨削資料來源：齊陸燕《精密數(shù)控螺母磨床的動(dòng)靜熱態(tài)特性分析與優(yōu)化》請參閱附注免責(zé)聲明34國內(nèi)磨床企業(yè)奮起直追，國產(chǎn)替代進(jìn)程有望提速。絲杠受益人形機(jī)器人行業(yè)蓬勃發(fā)展，也帶動(dòng)了國內(nèi)磨床行業(yè)的發(fā)展。雖然在內(nèi)螺紋磨床結(jié)構(gòu)、返向裝置在螺母內(nèi)的對中安裝精度、大螺旋升角的干涉、多頭內(nèi)螺紋的分度精度等方面國內(nèi)磨床與國際先進(jìn)產(chǎn)品尚存在不小差距但磨床在運(yùn)作效率、精度等方面也均已取得一定突破，存在一定國產(chǎn)替代的基礎(chǔ)。國內(nèi)數(shù)控螺紋磨床的骨干企業(yè)漢江機(jī)床、廣州敏嘉、上海機(jī)床等自主設(shè)計(jì)和研發(fā)了具有世界先進(jìn)水平的內(nèi)螺紋磨削加工中心，此外日發(fā)精機(jī)、華辰裝備、浙海德曼等機(jī)床公司也開始切入絲杠磨床賽道。上海機(jī)床廠自主開發(fā)的SK7420全新系列數(shù)控絲杠磨床，可磨削P1級(jí)甚至更高精度的滾珠絲杠，為我國高精度絲杠副的生產(chǎn)制造提供有效的設(shè)備保障。秦川機(jī)床子公司漢江機(jī)床SGK7432×20/1高精度數(shù)控絲杠磨床磨削精度能穩(wěn)定達(dá)到P1級(jí)。漢江機(jī)床SK7432×20數(shù)控絲杠磨床上海機(jī)床廠SK7420數(shù)控絲杠磨床漢江機(jī)床SK7432×20數(shù)控絲杠磨床參數(shù)上海機(jī)床廠SK7420數(shù)控絲杠磨床參數(shù)請參閱附注免責(zé)聲明請參閱附注免責(zé)聲明35請參閱附注免責(zé)聲明36力傳感器是將力的值轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的元件重量、拉力、應(yīng)力、扭矩均能夠作為力傳感器的輸入量，經(jīng)處理后輸出為電信號(hào)并將其傳遞至指示器、控制器或計(jì)算機(jī)等終端力傳感器利用力敏電阻器表示所施加力的大小與廣義傳感器類似力傳感器由力敏元件(即彈性體常見的材料有鋁合金合金鋼和不銹鋼)、轉(zhuǎn)換是廣泛運(yùn)用的力敏元件力敏電阻器通常包含導(dǎo)電聚合物薄膜(由亞微米尺寸的到點(diǎn)和非導(dǎo)電顆粒基質(zhì)組成),其表面受力時(shí)接觸傳感器電極，并以可預(yù)測的方式改變本身電阻，從而衡量受力數(shù)值請參閱附注免責(zé)聲明37數(shù)據(jù)來源：HBkworld，國泰君安證券研究數(shù)據(jù)來源：HBkworld，國泰君安證券研究>力矩傳感器屬于力傳感器力矩傳感器使用應(yīng)變計(jì)技術(shù)物體所受到的力矩力矩是表示力對物體作用時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)的物理量是傳感器常見的力學(xué)輸入量按照是否涉及加速度力矩又可分為靜態(tài)力矩(不涉及加速度)和動(dòng)態(tài)力矩(涉及加速度),靜態(tài)力矩通常為未產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的力矩，而動(dòng)態(tài)力矩通常為產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的力矩兩種典型的力矩傳感器設(shè)計(jì)是測量軸和測量法蘭均呈現(xiàn)軸體結(jié)構(gòu)力矩傳感器通常裝載有應(yīng)變片,其由薄箔和連接到箔的電導(dǎo)體組成當(dāng)箔片以及導(dǎo)體形狀發(fā)生變化時(shí)電阻也會(huì)發(fā)生變化從而揭示作用在應(yīng)變片上的負(fù)載如果外部負(fù)載作用于傳感器應(yīng)變計(jì)會(huì)像彈簧元件一樣產(chǎn)生形變進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測量功能請參閱附注免責(zé)聲明38>按照壓力原件分類力傳感器可分為應(yīng)變式力傳感器、光學(xué)式傳感器以及壓電式力傳感器硅應(yīng)變片式力傳感器性能最優(yōu)壓電式轉(zhuǎn)換元件主要應(yīng)用在非六維力傳感器中>1)應(yīng)變式力傳感器:采用的是硅應(yīng)變片或金屬箔，壓電式傳感器可分為電容和壓電兩種其原理都是轉(zhuǎn)換元件應(yīng)變片隨力敏元件同時(shí)發(fā)生形變導(dǎo)致自身電阻值、電壓差、光柵變化，通過電信號(hào)反應(yīng)力和力矩的改變硅應(yīng)變片能夠保持高剛度、穩(wěn)定性和信噪比缺點(diǎn)是成本較>2)光學(xué)式元件:測量范圍較廣、抗電磁干擾能力強(qiáng)但缺點(diǎn)是剛性偏弱并且對環(huán)境的要求較高>3)壓電/電容式元件:擁有高靈敏度和高分辨率并且環(huán)境適用性較強(qiáng)但缺點(diǎn)是電路復(fù)雜信號(hào)漂移難以抑制。應(yīng)變片形變后自身電阻值變化轉(zhuǎn)換元件形變后通過光柵反映形變形變后極距的變化導(dǎo)致電壓變化形變后改變電荷請參閱附注免責(zé)聲明39>按測量方向分類六維力矩傳感器是性能最優(yōu)、力覺信息最全面的力矩傳感器在指定的直角坐標(biāo)系內(nèi)六維力矩傳感器能夠同時(shí)測量沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向的力(F、FY、FZ)和繞三個(gè)坐標(biāo)軸方向的力矩(MX、MY、MZ)。六軸力傳感器一般分成固定端(機(jī)器人端)和加載端(工具端)。兩端相對受力時(shí)傳感器發(fā)生彈性變形傳感器內(nèi)部的應(yīng)變計(jì)電阻發(fā)生變化進(jìn)而轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。請參閱附注免責(zé)聲明40>在精確測量的要求下六維力矩傳感器是最佳選擇若如果力的方向和作用點(diǎn)固定,則可選用一維力傳感器；若力的方向隨機(jī)變化但作器進(jìn)行測量高精度的六維力矩傳感器能夠解耦各方向力和力矩間的干擾使力的測量更為精準(zhǔn)并能利用力矩信息來推算獲取受力部件的姿態(tài)監(jiān)測力矩是否在安全范圍內(nèi)有效避免傳感器的過載損壞請參閱附注免責(zé)聲明41>力傳感器應(yīng)用廣泛人形機(jī)器人配置較多力傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航空航天、汽車、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域在機(jī)器人領(lǐng)域,力傳感器可用于實(shí)時(shí)測量機(jī)器人關(guān)節(jié)所受到的力并實(shí)現(xiàn)主動(dòng)力輸出控制在進(jìn)行高復(fù)雜度工作、協(xié)調(diào)作業(yè)等方面扮演重要角色機(jī)器人中的力傳感器主要有關(guān)節(jié)部位的單軸力矩傳感器和機(jī)器人執(zhí)行器末端的6軸力傳感器測量機(jī)器人內(nèi)部受力情況，以及末端執(zhí)行器與外界環(huán)境交互的受力情打磨、精密裝配、醫(yī)療、特種作業(yè)、測試等涉及接觸操作、需要多維力感知的場景其中,機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用較多是六維力/力矩傳感器的核心應(yīng)用領(lǐng)域請參閱附注免責(zé)聲明42六維力傳感器是人形機(jī)器人接觸力的控制核心。六維力/力矩傳感器用于精確測量X、Y、Z三個(gè)方向的力信息和Mx、My、Mz三個(gè)維度的力矩信息。目前，六維力/力矩傳感器主要應(yīng)用于汽車行業(yè)的碰撞測試、輪轂、座椅等零部件測試以及航空航天、生物力學(xué)、醫(yī)療領(lǐng)域、科研實(shí)驗(yàn)、機(jī)器人與自動(dòng)化等領(lǐng)域。六維力傳感器被稱為傳感器中的天花板，主要因?yàn)樗婕暗蕉鄠€(gè)物理量的測量和轉(zhuǎn)換，需要考慮各個(gè)方向上的耦合和干擾，需要精確地校準(zhǔn)和補(bǔ)償，需要高效地信號(hào)處理和輸出，需要適應(yīng)各種復(fù)雜的工作環(huán)境和應(yīng)用場景。因此，六維力傳感器的設(shè)計(jì)和制造是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性的工程技術(shù)。六維力傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用數(shù)據(jù)來源：坤維科技官網(wǎng)不同類型六維力/力矩傳感器原理、特點(diǎn)及代表企業(yè)請參閱附注免責(zé)聲明43柔性傳感器種類豐富，新型材料應(yīng)用帶來多種可能。按照感知機(jī)理分類，柔性傳感器包括柔性電阻式傳感器、柔性電容式傳感器、柔性壓磁式傳感器和柔性電感式傳感器等。按照用途分類，柔性傳感器包括柔性壓力傳感器、柔性氣體傳感器、柔性濕度傳感器、柔性溫度傳感器、柔性應(yīng)變傳感器、柔性磁阻抗傳感器和柔性熱流量傳感器等。其中，柔性壓力傳感器還包括電容式、壓阻式、壓電式等，其所用的基礎(chǔ)材料包括納米線、碳納米管、聚合物納米纖維、金屬納米顆粒、石墨烯等。機(jī)器人-電子皮膚（E-skin電子皮膚觸覺傳感器被定義為能夠通過接觸表征出被測物體的性質(zhì)（表面形貌、重量等）或數(shù)值化接觸參量（力、溫度等）的設(shè)備或系統(tǒng)，是貼在“皮膚”上的電子設(shè)備，因而習(xí)慣性地被稱為電子皮膚，或仿生皮膚。柔性傳感器分類數(shù)據(jù)來源：國泰君安證券研究請參閱附注免責(zé)聲明44>柔性傳感器主要由柔性基底、薄膜材料及電極組成。1)柔性基底:常用柔性傳感器多采用PI(聚酰亞胺)、PET(聚酯)或PEN(聚萘二甲酯乙二醇酯)等作為器件的柔性基底。P是綜合性能最佳的有機(jī)高分子材料之一具有很好的機(jī)械性能抗張強(qiáng)度均在100Mpa以上介電常數(shù)不高于3.5(經(jīng)特殊處理后更高的物理機(jī)械氣體阻隔和耐熱性能長期使用溫度高達(dá)160℃，且具備耐紫外線耐輻射性能。通常會(huì)選擇天然橡膠和環(huán)氧樹脂來保護(hù)納米結(jié)構(gòu)并改善界面黏合性能。2)薄膜材料:通常是柔性傳感器的敏感材料根據(jù)被測量信息的不同需求可采用金屬、導(dǎo)電氧化物、納米復(fù)合材料等。金屬薄膜能夠保留基易運(yùn)輸和大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)其中銦錫氧化物(ITO)較為常用(具有高可見光透射率、高紅外反射率和低電阻率),鎵或鋁摻雜zno(GZO或AZO)也被廣黑/硅橡膠復(fù)合陣列等。3)電極材料:除少部分柔性傳感器薄膜材料與電極為一體外電極材料也為柔性傳感器的主要構(gòu)件,其根據(jù)使用要求不同采用不同的材料及制作工藝包括碳材料(石墨烯、碳納米管、碳纖維等)、金屬納米線(銀納米線、銅納米線等)及導(dǎo)電聚合物(聚苯胺等)等，其中碳基納米材料發(fā)展前景表現(xiàn)突出其通常與各種聚合物結(jié)合以獲得柔性和穩(wěn)定的應(yīng)變傳感器。數(shù)據(jù)來源:展》《常用新型柔性傳感器的研究進(jìn)請參閱附注免責(zé)聲明45>相比普通傳感器柔性傳感器性能更加優(yōu)越普通傳感器硬脆的性質(zhì)使其難以進(jìn)行彎曲和延展測量范圍也因此受限；柔性傳感器借助于碳納米管、石墨烯、高分子膜、高分子電解質(zhì)和有機(jī)聚合物等性能優(yōu)越的材料，能夠極大提高延展性及其他性能適應(yīng)復(fù)雜的不平整表面金屬材料金屬材料約5%-10%完善導(dǎo)電性好、耐磨損、高溫力學(xué)性能好易氧化、剛性材料不易彎曲陶瓷材料0%-1%完善氣敏、濕敏、熱敏、紅外敏等傳感器抗氧化彈性模量高、無塑性、易斷裂半導(dǎo)體材料20%-80%較為完善射線敏等傳感器特殊環(huán)境與信號(hào)的測量和扭等變形下能保持良好的性能,良好的便攜性和適應(yīng)性相對介電常數(shù)、壓電系數(shù)等較小，使用時(shí)限偏低,成本偏高有機(jī)材料相對不成熟氣敏、熱敏、力敏、濕度、氣體、離子、有機(jī)分子等傳感器數(shù)據(jù)來源：請參閱附注免責(zé)聲明46>柔性傳感器根據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)理可分為主要分為3大類：電容式、電阻式和壓電式>1)電容式柔性傳感器:感受到外界壓力時(shí)電極板間的電容值會(huì)發(fā)生變化從而引起其他電信號(hào)的變化從而通過測量電信號(hào)的變化計(jì)算出外力的大小。一般電容式柔性傳感器是在柔性電極中間加上一層具有微結(jié)構(gòu)的介質(zhì)材料介質(zhì)層在受到外界壓力作用下微結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生比較明顯的變化引起介質(zhì)材料的介電特性發(fā)生變化導(dǎo)致電容值產(chǎn)生較為明顯的變化。電容式柔性傳感器一般通過改變介質(zhì)層的材料或進(jìn)行相關(guān)的結(jié)構(gòu)修飾再或者將柔性基底與高介電常數(shù)的物質(zhì)進(jìn)行復(fù)合來提高靈敏度。>2)電阻式柔性傳感器：工作原理是把外界施加的壓力值轉(zhuǎn)化為電阻或者電流值的器件。根據(jù)其工作原理的不同分為應(yīng)變式和壓阻式。應(yīng)變式柔性傳感器受到外界壓力作用時(shí)導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率會(huì)隨著自身的一些微小改變而發(fā)生變化。>3)壓電式柔性傳感器:是基于壓電材料的壓電效應(yīng)的原理而設(shè)計(jì)的傳感器所謂壓電效應(yīng)是指某些電介質(zhì)在受到某一方向的外力作用而發(fā)生形變(包括彎變時(shí)電荷的極性也隨之改變電介質(zhì)受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。在此過程中通過電流的大小可以計(jì)算外力的大小。請參閱附注免責(zé)聲明47>電子皮膚(E-skin)是柔性傳感器的重要應(yīng)用皮膚是最重要的人體器官之一具有延展性、自愈性、高機(jī)械韌性等特征可以對各種形狀和紋理、溫度變化以及接觸壓力等進(jìn)行感知而模仿人類皮膚的特征以及具備相似感知功能的設(shè)備通常被稱為電子皮膚。與人類皮膚相似，電子皮膚具有柔韌、舒適、安全等特點(diǎn)被視為未來電子技術(shù)的新興發(fā)展方向，在人形機(jī)器人觸覺方案中得到較多關(guān)注數(shù)據(jù)來源:《多維感知柔性電子皮膚的發(fā)展現(xiàn)狀》請參閱附注免責(zé)聲明48數(shù)據(jù)來源:《多維感知柔性電子皮膚的發(fā)展現(xiàn)狀》>電子皮膚一般由電極、介電材料、活性功能層、柔性基材組成當(dāng)外界施加壓力時(shí)活性功能層將應(yīng)變、濕度、的電信號(hào)位于功能層兩側(cè)的電極層接受并對電信號(hào)進(jìn)行傳輸，最終信號(hào)傳輸?shù)饺梭w神經(jīng)細(xì)胞完成一次觸覺材的選擇對電子皮膚有極大的影響，柔性基材可以起到承載電子皮膚并確保其與生物皮膚或其他材料相容的作用傳感器具有較高的靈敏度、寬傳感范圍、良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和極大的可重復(fù)性溫度等信號(hào)轉(zhuǎn)換為可檢測傳遞過程此外柔性基柔性程度較高的觸覺壓力請參閱附注免責(zé)聲明491)可拉伸性:電子皮膚將暴露于各種機(jī)械應(yīng)力下在不同的方向上發(fā)生應(yīng)變因此可拉伸性是最為基本且最為重要的特性目前可通過使用超薄的塑料基板開發(fā)出柔性的電子器件但開發(fā)可拉伸器件則需要兩種路徑--材料創(chuàng)新(開發(fā)單一或聚合形式的可拉伸新型材料來制造電子皮膚)或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(將不可拉伸的脆性材料制成特定的結(jié)構(gòu)可以吸收施加的應(yīng)變使其不會(huì)斷裂)。在材料創(chuàng)新方面以下幾種材料通常被納入考慮范圍:①水凝膠:一種以水或其他混合溶劑為分散劑的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)凝膠其具有優(yōu)異的可拉伸性、自愈合性、生物兼聚合物:聚合物是絕大多數(shù)柔性電子設(shè)備最基本的組成單元如果選用本征導(dǎo)電的聚合物作為柔性電子設(shè)備的構(gòu)建本體則可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)柔韌性、導(dǎo)電性及較好的機(jī)械性能。目混合導(dǎo)電填料在彈性體中形成滲透網(wǎng)絡(luò)從而為復(fù)合材料提供電流通路且其外形薄具有卓越的機(jī)械順從性在在柔性電子設(shè)備領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景常用的納米填料有零維納米顆粒、具有高縱橫比的一維納米線以及具有較大表面積的二維納米片；高分子聚合物如降解塑料、聚二甲基硅氧烷和聚乙烯醇等通常被用作彈性基底為滲透網(wǎng)絡(luò)賦予數(shù)據(jù)來源：《電子皮膚研究進(jìn)展：材料、功能與應(yīng)用》請參閱附注免責(zé)聲明50>電子皮膚大規(guī)模量產(chǎn)仍有幾大技術(shù)難度亟需突破>1)制造工藝有待簡化電子皮膚的大多數(shù)電路結(jié)構(gòu)采用蛇形幾何結(jié)構(gòu)以滿足對可彎曲性和延展性的需要。使用轉(zhuǎn)印技術(shù)將電路組裝到彈性基底上雖然這種方法是可行的但通常需要潔凈室和專門的工藝步驟而這些步驟的設(shè)計(jì)繁瑣成本很高一種有望簡化制造過程的方法是利用打印電子技術(shù)包括3D打印和噴墨打印在低成本和可擴(kuò)展生產(chǎn)方面表現(xiàn)出優(yōu)勢。然而在柔性基材上印刷仍然存在一些挑戰(zhàn)，有待進(jìn)一步優(yōu)化。>2)電子皮膚的多功能檢測能力有待提升目前p多功能電子皮膚設(shè)備的應(yīng)用數(shù)量很少特別是用于測量物理和化學(xué)信號(hào)的傳感器集成。-方面為了完全模仿和超越生物皮膚p在一個(gè)設(shè)備中獲取各種形式的數(shù)據(jù)在高級(jí)電子皮膚應(yīng)用中非常重要另一方面p根據(jù)不同形式的信息可以得到更準(zhǔn)確的結(jié)果>3)有待集成更多智能模塊用于電子皮膚的分析和控制目前的智能皮膚設(shè)備只具備初級(jí)信號(hào)處理能力在涉及大數(shù)據(jù)和復(fù)雜算法的復(fù)雜分析過程中需要外部設(shè)備傳感器內(nèi)計(jì)算能力更強(qiáng)的小型化智能模塊的發(fā)展與使用有望消除對剛性外部設(shè)備的依賴>4)柔性集成芯片有待進(jìn)一步發(fā)展由于現(xiàn)有的柔性電子結(jié)構(gòu)單一集成度不高，無法完成復(fù)雜功能需依賴剛性集成芯片由此而設(shè)計(jì)的剛?cè)峤Y(jié)合的混合電子皮膚其柔性和拉伸性在一定程度上受到影響并且剛?cè)峤Y(jié)合部位因材料楊氏模量差別較大會(huì)有傳輸不穩(wěn)定的隱患導(dǎo)致器件整體的抗疲勞性下降工作狀態(tài)不穩(wěn)定因此對于混合電子皮膚剛?cè)峤Y(jié)合策略亟待優(yōu)化以及柔性集成芯片的研發(fā)以期實(shí)現(xiàn)