人形机器人零部件行业专题报告：为什么强调力控？.pdf

人形机器人零部件行业专题报告：为什么强调力控？为什么需要力控？位置和速度控制可以认为是“硬约束”，即机器人只能 在设定区间中运行，而转矩控制是“软约束”或“柔性控制”，机器人可 以根据场景需求而不断调整作用力的大小，因此随着机器人应用场景的 多样化，转矩控制的重要性愈发明显。目前针对机器人硬件层面的力反 馈测量主要有三种方式，应变片式力矩传感器、电磁式力矩传感器和弹 性体。三种方案的选择和执行器方案有着密不可分的关系，常规方案使 用基于应变片原理的力矩传感器测量力反馈，SEA 带有刚度更低的弹性 体，因此一般使用电磁式或应变片式测量，而本体驱动器则使用电环流 的方案并取消了传感器的配置。

我们需要怎样的力传感器？拆解传感器的内部结构，应变片和弹性体在 转换信息过程中起到重要作用。相较于其他传感器，应变片式传感器因 其精度高、宽量程以及快速响应等特点而被广泛采用，目前主要应用于 各种工业和实验应用，例如桥梁和建筑物的结构监测，和机器部件的力 学测试。相较于一维/三维，六维传感器具备测量精度高、结构紧凑、响 应迅速等特点。衡量传感器性能的指标有很多，包括灵敏度、精度、非 线性误差、解耦误差等等。其中，以灵敏度、精度、工作频带和测量范 围为核心指标度量。从上述的传感器核心指标可以看出，精度是力传感 器最为重要的衡量指标，它决定着机器人在运动控制过程中对作用力的 感知和反馈能力。而影响精度的因素很多，较为重要且解决技术难度较 高的主要是维间耦合和无效负载两个因素。现有的解耦方法主要包括结 构解耦和软件解耦。前者从硬件入手，通过弹性体等核心部件的设计和 制造优化，设法从根源上消除维间耦合，后者则是从软件入手，通过合 适的解耦算法降低或消除耦合误差。对于工具重力负载，目前一般可通 过算法解耦。而对于零点漂移而言，可通过温度补偿（用另外一个元器 件的温漂来抵消电路的漂移）、差动式放大电路等方法抑制零漂问题。

力传感器的产业链剖析。从传感器的生产工艺流程可以看出，弹性体的 制造加工和应变片的生产组装是两个较为重要的步骤。国外应变片生产 技术较为领先，其中以美国 Vishay、德国 HBM、日本的 NMB 为代表性 企业。六维力矩传感器从应变片生产、弹性体设计、参数标定等一系列 环节都需要较高的技术工艺，国外比如 ATI、OnRobot 等在该行业已经 深耕多年，能够实现大量程、高精度、高准度等性能优势，而我国在该 领域起步较晚，当前正积极入局的包括宇立、柯力等国内优秀企业。

千亿市场规模，有望受益人形机器人爆发。考虑到成本、需求以及容错 率等因素，我们认为，人形机器人将率先在工业场景落地，随后经过技 术优化和成本下降，场景将逐步渗透到家庭和商用。对应到市场空间， 根据我们的测算，到 2030 年工业场景的需求量将达到 328.4 万台，家庭 &商用场景的需求量达到 43.5 万台，整体市场规模接近 400 亿美元。随 着人形机器人产业的 0-1 爆发放量，我们认为，六维传感器作为机器人 的重要零部件，将充分受益。