六维力传感器行业具有高技术壁垒
思瀚产业研究院    2025-06-06

1、六维力传感器适用于复杂受力场景

力传感器可分为一维、三维和六维力，六维力传感器适用于机器人等高精度要求的场景。力觉传感器，顾名思义就是感知并度量力的传感器。力传感器按测量维度可以分为三类：一维力传感器，三维力传感器和六维力传感器。一维力传感器适用于测量轴线和力的方向完全重合的场景；三维力传感器适用于力的作用点固定，且与标定参考点重合，但力的方向随机变化的场景。

六维力传感器适用于力的作用点和方向均随机变化的场景，比如机器人末端关节控制。六维力矩传感器通过内部算法，实现各个方向力与力矩的解耦，推算部件的姿态，测量精度最高，还可以根据力矩大小，有效保护传感器与部件。

六维力传感器广泛用于汽车、医疗、航空航天、生物力学、机器人及自动化领域。近年来，随着 AI 技术和传感器技术的发展，智能机器人拥有了强大的自主感知、自主决策能力，可以完成更复杂的任务，应用场景得到了进一步拓展。

2、应变式传感器为当前六维力主流技术

应变式传感器在稳定性、刚度、精度方面表现优秀，是目前主流的技术路线。根据工作原理，六维力传感器主要可以分为三类：

1）应变式力传感器，采用硅或金属箔等材料，通过形变改变阻值，进而反映力信号；

2）光学式力传感器，通过光栅反应形变，进而转变为力；

3）压电式力传感器，分为电容式和压电式，电容式通过极距变化改变电压，压电式通过形变改变电荷。

国际龙头企业 ATI 采用了硅应变片方案，通过对稳定性、刚度、动态特性、成本和信噪比五个方面的对比，硅应变传感器在稳定性、刚度、信噪比方面优势明显，同时随着工艺的改进，成本有望进一步降低。

六维力传感器技术路线对比

资料来源：《空间机械臂六维力/力矩传感器及其在线标定的研究》孙永军，华金证券研究所

六维力传感器主要由应变片、弹性体、信息处理器、保护销、传感器基座和传感器端盖构成。被测元件首先将力和力矩传给敏感元件，然后通过转换元件进行滤波、调制、解调、衰减、运算等处理，将力信号转化为电压、电流等信号，最后通过软件进行解耦，将信号拆解成三个方向的力和力矩。应变片是力传感器的核心部件，无论是材料选择，还是在弹性体上的位置分布，都决定了传感器的最终性能。

3、六维力传感器核心壁垒在于标定及测试

六维力传感器有三大技术壁垒，涉及到产品结构设计、生产工艺和标定检测。

1）弹性体的结构设计，直接影响着传感器的灵敏度、动态性能、维间耦合等指标；

2）生产工艺的复杂程度，以目前最成熟的应变片式技术路线为例，应变片的生产特点之一在于需要大批量生产才能覆盖单次的启动成本，同时包括贴片、温度补偿、测试等环节需要大量的专业工程师参与。

3）传感器的校准和标定技术，标定是指通过硬件或软件方法解决多通道信号在传输过程中互相干扰的问题（即解耦），六维力传感器的标定样本空间含531441 个样本点，是一维力传感器难度的 6 次方，需要借助标定设备通过解耦算法极力降低串扰，提升准度和精度。

六维力传感器核心壁垒主要体现在标定和测试阶段，包括三方面：

标定检测设备：六维力传感器标定及检测设备需要空间光学定位、载荷位移补偿、机电一体化等多种技术的协同配合，需要成熟的工程经验。目前只有六维联合加载设备可以实现0.5%FS的精度，但这类设备属于非标设备，无法直接采购，需要六维力传感器厂商自行研制。

样本数量：标定指建立传感器原始信号和受力之间的映射关系的过程，检测指通过对比传感器测量结果和理论加载值的差异来判断精度和准度。相比一维力传感器，六维力传感器需要标定的样本点呈指数级增长，假设每个维度设定 9 个样本点，一维力传感器仅需9 个样本点，而六维力传感器需要标定 531441 个样本点（图中黄色点）。同样的，检测也需要更多的样本点（图中蓝色点），同时要满足随机性和非相关性的要求。

耦合误差：理论上六维力矩传感器在单一维度的力或力矩作用下，只在相应维度上产生输出，其他维度没有输出。但由于零部件精度、传感器结构、横向效应等因素，各个测量方向间存在维间耦合，通常用串扰来衡量，是六维力传感器的关键性能指标之一。消除耦合误差主要通过构建解耦矩阵来实现，利用数学模型计算解耦矩阵，补偿温度漂移、零点漂移等影响。

精度及准度为六维力传感器衡量性能的重要指标。多维力传感器精度衡量的是测量结果之间的重复性。其检定方法是，在相同环境条件下，在额定载荷范围内，进行多次重复联合加载相同一组载荷后，计算得到的传感器测量值的标准差，并除以量程。

多维力传感器准度衡量的是测量结果与理论真值的偏离程度。其获得的方法是，对传感器进行多组多维联合加载，计算得到的传感器测量值与所加载荷理论真值之间的标准偏差，并除以量程。精度和准度的检定过程中，都需要对多维力传感器以其最高测量维度进行联合加载。

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