力传感器作用、分类、产业链、竞争格局及技术趋势分析

人形机器人高精度交互的关键。

1、力传感分类：人形机器人力控方案的技术选型与维度考量

力传感器主要将力学信号转变为电学信号。敏感元件直接感受（或响应）被测信息（非电量），转换元 件进一步将敏感元件的感受（或响应）信号转换为电信号，其具体作用包括：1）把来自敏感元件的信 号转移成电压、电流等信号，使其更适合进一步处理和传输；2）对信号进行滤波、调制、解调、衰减、 运算及数字化处理。

力感知是人形机器人运动控制的基础，力/力矩传感器为主流力控方案。力感知为人形机器人的运动控 制提供必要的力觉信息，对机器人完成复杂、精细作业任务，实现柔顺化、智能化操作起到关键作用。 其中，电流环与力/力矩传感器与机器人力感知的主要方式，与电流环的间接力感知相比，力传感器能 够提供更为直接和准确的环境交互信息，外力感知能力相对更敏锐。 力传感器存在多种分类方法，可按工作原理、贴片材料、测量维度、信号传输方式等划分不同类型。

按工作原理划分，力传感器主要包括应变式、压电式、电容式与光电式。其中，应变式力传感器因其高 精度、宽测量范围、良好的线性度和成熟的制造工艺成为人形机器人力控的主流方案。相比之下，电容 式传感器易受电磁干扰，压电式传感器仅适用于动态测量（静态信号衰减），而光学式传感器虽精度高 但成本昂贵且系统复杂，限制了其广泛应用。

硅/金属箔电阻应变传感器性能更优秀，后续有望在人形机器人领域推广。经过对不同类型的力矩传感 器在稳定性、刚度、动态特性、成本与信噪比五个维度的综合比较，硅/金属箔电阻应变式传感器在稳 定性、刚度以及信噪比等方面展现出显著优势，后续有望在人形机器人领域推广。

按测量维度划分，力传感器可分为一维力/力矩传感器、三维力传感器和六维力传感器。一维力/力矩传 感器仅测量单一方向的力或力矩；三维和六维力传感器可同时测量多方向力，其中六维力传感器位列工 信部十四五“机器人关键基础提升行动”之列。 一维力传感器：一维力传感器在工业应用广泛，但在机器人使用中，若控制不好易产生振动，且量程受 限。市场一维力传感器单价在 100-2000 元不等，应用在称重仪器、铁路检测等。

三维力传感器：1）力 F 的作用点 P 始终与传感器的标定参考点 O 保持重合；2）力 F 方向在三维空间 随机变化，选用三维力传感器。市场三维力传感器单价在 100-10,000 元不等，用在实验室检测或部分 自动化场景。 六维力传感器：1）空间中任意方向的力 F 的作用点 P 不与传感器标定参考点重合；2）力 F 方向在三维 空间随机变化，选用六维力传感器。六维力传感器大幅提升机器人末端感知水平，是高端人形机器人、 打磨作业的协作机械臂腕部、仿生手的核心部件。成本相对高昂，售价在 3,000-30,000 元不等。

综合成本与测力应用，一/三/六维度力传感器均可广泛应用于人形机器人。一维力/力矩传感器测力维 度单一，适合单一运动方向场景，例如直线或旋转关节，尽管难以满足高精度任务，但是低成本、易集 成；六维力传感器提供全方位力觉反馈，用于复杂作业场景的手部末端力控；三维力传感器往往作为低 成本环境下六维力传感器的补充，二者存在一定替代关系。参考特斯拉 Optimus 和优必选 WalkerX 的 传感器方案，预计人形机器人单机大概率搭载六维力传感器 2 或 4 个（少数人形机器人厂家用三维力传 感器代替），其余 28 个关节普遍标配一维力/力矩传感器。

按信号传输方式划分，力传感器输出模式主要分为模拟输出和数字输出两种。模拟输出即输出连续变化 的电压或电流信号，信号大小与受力成正比，适用于短距离、低成本、精度要求不高的场景；而数字输 出则输出离散的数字信号，通过通信协议（如 I2C、SPI、RS485）传输，数字信号包含受力大小、单位、 状态等信息，适用于长距离、高精度场景，如机器人、医疗设备、航空航天等领域。能够认为，人形机 器人复杂的运动控制需求更适合数字信号传输方式，有效抵抗长距离传输中的信号干扰，确保多关节协 同运动时的实时性。

2、产业链及竞争格局：上游弹性体与应变片至关重要，中游 ATI 份额领 先

力/力矩传感器行业产业链上游主要由原材料（金属材料、半导体材料、有机材料等）及关键部件（弹 性体、应变片等）组成；中游为传感器的加工制造和封装检测；下游应用领域广泛，工业自动化为主， 人形机器人、汽车等行业需求加速增长。

产业链上游来看，弹性体和应变片性能至关重要。从成本结构来看，上游原材料在生产成本中占据重大 比例，据传感器专家网，以国内终端产品为例，目前材料成本合计占比约 40%（其中 20%弹性体、10% 应变片、5%封装材料）。从功能作用来看，原材料进一步加工成为弹性体和应变片，是力传感器的核 心组成部件。合理的弹性体结构设计使得不同方向的受力性能达到最佳，减少耦合从而提高传感器的测 量精度；高质量的应变片更能准确将弹性体的微小应变转换成电信号输出，具有更高的灵敏性和稳定性。

产业链中游来看，行业集中度高，美国 ATI 份额领先。重点聚焦六维力传感器市场格局，据中商情报 网，2024 年中国六维力传感器市场中，国外企业市场份额约 70%，其中 ATI（美国）为行业龙头（市 占率 22.4%）；国内企业合计占 30%份额左右，其中宇立仪器市场份额为 12.2%，较为领先，蓝点触控、 坤维科技和鑫精诚等国产公司市场份额仅居其后。 六维力传感器高端应用仍由欧美主导，国产在串扰方面存在进步空间。从参数对比来看，欧美高端品牌 （如美国 ATI、德国 ME）在串扰（0.3%-0.5%FS）和精度（0.5%FS）上表现优异，技术成熟度高；而 国内厂商（如坤维科技、宇立仪器）在部分指标（如精度 0.1%-0.2%FS）已接近或超越国际水平，但串 扰控制（普遍 1%-3%FS）仍存差距。日本 OnRobot 及部分国内品牌（鑫拓诚、海伯森）参数相对宽松 （精度 1%-3%），面向中低端市场。

产业链下游来看。2023 年，六维力传感器主要应用于工业自动化领域，人形机器人未来有望成为六维 传感器最大增长需求。据睿工业报告，2023 年，六维力传感器主要应用于工业自动化领域高柔性化产线的需求不断增长，尤其在机器人打磨和装配等场景中不可或缺，但受限于工艺，难以大批量使用。汽 车领域应用成熟，缺乏新场景，增量有限。人形机器人是六维力传感器最大增长来源，随着其量产和应 用，六维力传感器出货量将大幅提升。此外，军工、航空航天、医疗等领域对成本敏感度低，价格较高， 增量稳定。

3、技术趋势：新型结构&智能补偿，向高精度出发

力传感器正持续向高精度化、轻量化与 AI 智能化方向发展，以满足人形机器人、精密医疗等领域对更 高精度（0.05%FS 级）、更低串扰（＜0.5%FS）的迫切需求。 新型弹性体结构设计助力动态响应精度提高。在高精度解耦方面，传统力传感器受多维力测量时串扰影 响，且温度漂移和长期稳定性不足，尤其在复杂工况下误差可能进一步放大。针对这一问题，行业正通 过新型弹性体结构设计（如空心梁、柔性铰链）来优化动态响应精度。 轻量化设计提高力传感器灵活性与过载能力。新一代传感器采用钛合金、碳纤维等先进材料提升抗过载 能力，并通过金属 3D 打印技术实现复杂结构的一体化成型。根据铂力特公告，2024 年华力创科学推出 全球最小的六维力传感器之一 PhotonFinger，采用轻量化先进材料，使量程和过载能力提升 50%- 250%。

融合智能算法，实现误差补偿。通过 AI 算法实现力控自主化，使六维力传感器具备自校准和环境补偿 能力，实现误差补偿。例如，海伯森在 HPS-FT 系列六维力传感器内部集成高精度的温度补偿算法，确 保传感器在不同温度下输出稳定，减少温度漂移对测量精度的影响。