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  • 产品名称:力传感器快速扩张 国产替代加速推进
  • 更新时间:2024-03-18 17:19:27 来源:AYX在线 作者:ayx最新官网下载
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产品详细信息

  力觉传感器,感知并度量力的传感器。按照测量维度,力觉传感器可以分为一至六维力传感器。能测几个维度,它就是几维力传感器。最常见的是一维、三维和六维力传感器,二维和五维的力传感器较少。

  (1)一维力传感器:如果力的方向和作用点是固定的,此时可以选择用一维力传感器进行测量。可以通过安装定位,使被测量力F的方向完全与标定坐标轴(OZ轴)重合,这样就可以对力进行精确测量。代表产品有称重传感器、压力传感器等。当力的方向与传感器的测量轴线平行但不重合,此时传感器的测量结果将会出现较大的误差。

  (2)三维力传感器:如果力F的作用点P始终与传感器的标定参考点O保持重合,力F的方向在三维空间中随机变化,那么用三维力传感就能完成测量任务。因为被测量的力可以分解为三维力传感器标定坐标系下的三个正交分量(Fx、Fy、Fz),三维力传感器的三个测量单元可以分别对其进行测量。当力的作用点远离传感器,这个力在经过正交分解并平移至三维力传感器的校准中心后,传感器既要承受力Fx/Fy/Fz三分量的作用,又要承受Mx/My/Mz三个弯矩的作用,这种情况下,三维力传感器的测量结果将会出现较大偏差。

  (3)六维力传感器:如果力的方向和作用点都在三维空间内随机变化,此时应该选择用六维力传感器进行测量。因为空间中任意作用点上的力可以在六维力传感器的标定坐标系内,分解为沿标定坐标轴的三方向分力(FX、FY、FZ)和绕标定坐标轴的三方向力矩(MX、MY、MZ)。这类传感器更适用于参考点的距离较远,且随机变化情景,测量精度要求较高。

  六维力传感器,又叫六维力/力矩传感器、六轴力传感器、F/T传感器,是一种特殊的力传感器,能够同时测量中性坐标系(OXYZ)内的三个力(FX、FY、FZ)和三个力矩(MX、MY、MZ)。六维力传感器一般分成固定端(机器人端)和加载端(工具端),传感器的内部算解耦各方向力和力矩间的干扰,使力的测量更为精准。

  根据传感元件的不同,六维力/力矩传感器主要分为:应变片式、光学式以及压电/电容式。目前,市场应用的六维力/力矩传感器大部分是基于应变式的测量。基于压电、电容和光学等原理测量的传感器有一定的理论研究和实验,下游尚未得到广泛应用。每种类型的六维力传感器都具有其独特的优点和适用范围,随着相关研究的不断深入,不同测量机理的传感器将会发挥自身优势被应用到各种场合,进而推动六维力传感器向多元化方向发展。

  它不是三个一维力传感器和三个扭矩传感器结构的简单叠加,它的非线性力学特征明显,要考虑多通道信号的温漂、蠕变、交叉干扰、数据处理的实时性,再加之六维联合加载标定的复杂性 ,六维力传感器的技术难度可谓是一维力传感器难度的六次方。

  国内外学者对六维力传感器结构都做了大量的研究与改进,目的是提高传感器的灵敏度和抗过载能力,减少维间耦合误差,改善动态性能,从而更好地辅助机器人实现智能化控制。

  六维力测量技术属于平台型技术,根据应用场景的环境、载荷、安装、通讯、算力、动力学特性等需求不同,在不同的应用领域,六维力传感器的产品形态和技术特点也有较大区别。目前,六维力传感器主要应用于汽车行业的碰撞测试、轮毂、座椅等零部件测试以及航空航天、生物力学、医疗领域、科研实验、机器人与自动化等领域。

  汽车领域,六维力/力矩传感器被广泛地用在汽车部件和系统级测试、发动机和动力总成测试、车辆和试验厂测试、总装和最终测试。它们在确定新车和部件设计的完整性和优化方面都能发挥重要作用,同时还有助于保证效率、安全性和正确的功能。

  航空航天领域,是六维力传感器最早的重要应用领域之一,可用于测量风洞试验、飞机、卫星、火箭等飞行器各种运动状态下的六维力信息,通过这些信息,飞行器可以更加准确地感知环境,控制姿态,完成各项任务。随着航空航天技术的不断发展和应用的深入,六维力和力矩传感器还可以用于飞机制造、飞行器着陆和起飞过程的监测、机械臂控制、结构健康监测等领域。六维力传感器的应用能够提高航空航天系统的性能、安全性和可靠性。

  医疗手术和康复领域,手术机器人的力感知可作为力反馈的依据以提升手术的安全性。根据临床场景的不同,手术机器人主要分为腔镜机器人、骨科机器人、穿刺机器人、经自然腔道机器人、泛血管机器人等五类机器人。目前,协作机械臂+六维力传感器的组合已广泛应用于血管介入手术机器人、外科手术机器人、医疗检测机器人及远程操控机器人等;中国手术机器人行业处于早期发展阶段,增长潜力较大。GGII预计,未来3-5年,骨科机器人和泛血管手术机器人将占手术机器人市场的20%以上。随着技术的不断进步和应用的深入,六维力传感器在医疗领域的应用前景将会更加广阔,六维力传感器产品将逐渐成为类似应用场景中的刚需。

  只具有位置反馈将难以满足柔顺控制的需要,在机器人控制中加入力反馈环节势在必行。机器人力觉传感器是模仿人类四肢关节功能的机器人获得实际操作时的大部分力信息的装置,是机器人主动柔顺控制必不可少的,它直接影响着机器人的力控制性能。在机器人力控解决方案中,目前应用最为广泛的力觉传感器就是六维力传感器。

  未来,人形机器人力控技术的发展将呈现出多信息融合(触觉、力觉和视觉等),主要通过配备(AI、视觉、力觉传感器等)传感器得以实现,尤其在手腕、脚踝关节等处更适用六维力矩传感器,这将为六维力传感器在人形机器人领域的应用带来巨大的发展空间。

  根据Modor Intelligence数据,2020年力传感器市场价值为151.21亿人民币。根据Modor Intelligence预测,2026年力传感器市场价值将达到198.49亿人民币,2021-2026年预测期间的复合年增长率为4.63%。力传感器已成为工业机器人的关键特性,使它们能够与任务无关并与人类一起安全地运行。这些传感器改进了联网嵌入式系统的监控和管理。自动化的采用已经改变了全球格局,因为这些传感器已成为所有自动化设备的关键,在所有操作中提供准确性和精度。

  目前市场上的力传感器产品组合在产品供应方面非常标准化。尽管市场具有满足大量应用的潜力,但市场参与者的产品非常有限。

  数据显示,2022年中国市场六维力/力矩传感器机器人行业销量4840套,同比增长62.58%;2022年中国六维力/力矩传感器机器人行业市场规模 1.56亿元,同比增长54.35%。目前,六维力和力矩传感器市场基数依然偏小,尚未形成明显规模效应。随着入局者的持续增加,叠加下游细分市场认知的逐年提升以及应用领域的拓展,六维力和力矩传感器有望进入高速成长期,期间将伴随多技术路线产品矩阵的完善、产品价格的下降以及国产化率的提升。

  力矩传感器的技术壁垒较高,美日企业先发优势明显,国内仍处产业早期。因技术壁垒较高,国内可量产的企业较少,美日企业先发优势明显。从代表企业分布来看,全球六维力/力矩传感器主要分为日韩品牌、欧美品牌和国产品牌三大阵营。

  各阵营企业呈现不同的配套特点,日韩地区六维力/力矩传感器厂商主要配套当地机器人本体厂商,其中,韩国企业 Robotous、Aidin Robotics主要合作厂商包括 Doosan Robotics、Neuromeka和 Rainbow Robotics;日本企业 Sintokogio和WACOH-TECH 主要合作厂商包括发那科、电装、三菱、那智不二越、安川等。

  欧美地区六维力/力矩传感器厂商可分为两类:一类是传统的传感器生产商,包括 ATI、Bota Systems AG、ME-Meßsysteme GmbH、AMTl、Kistler等;另一类是全球知名的机器人末端工具生产商,主要有SCHUNK、OnRobot、Robotiq等,欧美地区厂商合作企业以协作机器人本体厂商为主,主要包括优傲机器人、达明机器人和欧姆龙等。

  受益于机器人市场需求催化,中国六维力(矩)传感器市场近年来入局者逐年增加,但受限于该领域的高技术壁垒,真正具备批量化产品供应能力的厂商依然偏少。目前,国产六维力/力矩传感器与外资主流传感器在灵敏度、串扰、抗过载能力及维间耦合误差等方面仍存在差距。近几年,入局六维力/力矩传感器领域的国产相关厂商越来越多,除了宇立仪器(SRI)之外,如坤维科技、鑫精诚、海伯森、蓝点触控、神源生智能、瑞尔特测控等,均已有相关的产品落地并进入产业化应用。其他厂商如重庆鲁班机器人技术研究院、昊志机电(300503)、埃力智能等,通过自主研发力传感器技术,已经具备六维力/力矩传感器的生产能力,部分产品型号开始进入下游用户的验证测试阶段。

  智研咨询测算,2022 年海外进口抛光打磨机器人产品数量占总装机量比例约为55.9%,近年来这一比例一直呈下降趋势。国内厂商凭借价格优势,以及研发创新,正逐渐获得市场话语权。

  国内技术水平较高的力传感器制造商:宇立仪器、坤维科技、昊志机电(300503)、柯力传感(603662)、汉威科技(300007)、中航电测(300114)等。

  风险提示:特斯拉人形机器人量产进展不及预期。国内技术水平提升进展不及预期。下游需求出现较大波动。


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