为什么智能机器人需要力控？

历史上机器人的力控有哪些方式？ 相比于传统机器人的位置控制、速度控制，机器人想要实现与外界交互的柔顺控制，需要将机器人引入力控。根据南京航空航天大学段晋军博士的分析，机器人的柔顺控制可以分为主动柔顺控制、被动柔顺控制，其中主动柔顺控制又可以分为间接力控、直接力控、混合位置/力控。根据我们复盘历史上各类机器人的柔顺力控方式来看，主动柔顺控制具有力控精度高、与外界交互效果好等多个优势，更有望成为未来人形机器人的可行力控方案；比如优必选机器人就采用了主动柔顺控制中的阻抗控制使得机器人具有了柔性和抗性，能够在外力作用下仍然平稳的站立。 力传感器的种类及应用展望？ 从目前主流柔顺力控方式来看，多数的力控方式需使用力传感器收集力反馈的信号，因此力/力矩传感器有望成为人形机器人力控最核心的部件。从力传感器的检测方法来看，电阻应变式传感器综合性能更优，有望成为主流 应用种类。从力传感器的感知维度来看，我们判断机器人关节需使用关节扭矩传感器，末端执行器（手部、脚部）需用六维力矩传感器。人形机器人旋转、线性执行结构类似于人的关节，对于力的感知相对简单，因此采用关节 扭矩传感器可解决需求；而对于人形机器人末端执行器（手部、脚部）在执行操作的过程中，力臂在几十到几百毫米之间（力臂较大）、且属于随机变化，测量需要精确处理，六维力矩传感器更符合需求。 如何看待多维力矩传感器的壁垒、成本、格局？ 壁垒：多维力矩传感器对于应变片的性能要求高、安装难度大、且产品定制化研发壁垒高。1）应变片性能：力矩传感器最主流的检测方案为电阻应变式，而应变片为这类传感器的核心元件，直接决定了多维力矩传感的性能；2）安装难度大：力矩传感器一个维度至少需要4个应变片，考虑到抗温漂等需求，一般需要30-40个应变片，在狭小的空间内实现安装对工艺要求较高；3）研发难度大：六维力矩传感器并非三维力和三维扭矩传感器的简单叠加，属于非线性力学，研发极其复杂，六维力矩传感器的难度远超过单维力矩传感器的研发难度。 成本：目前海外进口应变片的成本相对较高，且产品加工难度大，我们认为多维力矩传感器的主要成本来自于应变片成本及人工加工成本。 格局：海外厂商性能优异，国内尚未出现多维力矩传感器龙头。六维力矩传感器海外龙头为ATI厂商，根据zoominfo数据，22年ATI收入达到8820万美元，而国内多数厂商尚未形成大规模收入，但宇立仪器、坤维科技等非上市公司六维力矩传感器的部分指标基本对标ATI的产品。 投资建议 我们看好人形机器人带来力矩传感器的需求量提升，建议重点关注： 柯力传感：应变式传感器龙头供应商，盈利能力突出。 汉威科技：控股苏州能斯达，拓展柔性微纳传感器。 瀚川智能：入股坤维科技，进军六维力矩传感器。 中航电测：军用智能测控龙头，力传感类产品品类丰富。 风险提示 人形机器人商业化落地不及预期、国内力矩传感器进展不及预期、人形机器人力控模式发生重大技术改变、国内应变片技术进展不及预期、国产力矩传感器规模化后降价不及预期。 内容目录 一、机器人的力控都有哪些方式？5 1.1力觉属于机器人感知系统的重要组成部分之一5 1.3机器人的柔顺力控有哪些方案？6 1.4历史上不同力控方案的机器人都有哪些案例？8 二、机器人的力传感器的种类有哪些？11 2.1从检测原理来看，电阻应变式传感器综合性能更优11 2.2从感知维度来看，力传感器主要感知一维、三维、六维力11 三、如何看待多维力矩传感器的壁垒、成本、格局？13 3.1从核心元件看壁垒：应变片性能要求高、安装工艺门槛高13 3.2从性能看壁垒：串扰、精度、准度要求较高，定制化研发难度大14 3.3六维力矩传感器的成本主要来自于应变片和人工加工成本15 3.4空间：22年全球力矩传感器市场规模达80亿美元15 3.5厂商梳理：海外厂商性能优异，国内市场尚未出现龙头16 四、投资建议16 4.1柯力传感：应变式传感器核心供应商，盈利能力维持高位16 4.2汉威科技：控股苏州能斯达，拓展柔性微纳传感器18 4.3瀚川智能：入股坤维科技，补强力传感器能力19 4.4中航电测：军用智能测控龙头，力传感产品品类丰富20 五、重点公司估值21 图表目录 图表1：具身智能机器人的核心在于感知层、认知层5 图表2：机器人用传感器分类5 图表3：海尚机器人通过3D坐标系实现机器人的位置控制5 图表4：工业全自动打磨机械手6 图表5：波士顿动力的Atlas在不规则雪地路面上行走6 图表6：机器人的力交互控制的主要方式6 图表7：被动柔顺控制在机械臂的末端添加弹性装置7 图表8：导纳控制与阻抗控制7 图表9：导纳关节控制框图7 图表10：坤维科技应用在机器人手部的六维力矩传感器8 图表11：协作机器人关节环节使用的扭矩传感器8 图表12：StarlETH机器人脚部高阻尼元件8 图表13：优必选仿生机器人抵抗外力、具备抗性9 图表14：优必选仿生机器人通过阻抗实现柔顺控制9 图表15：HYQ机器人9 图表16：HYQ机器人主动柔顺控制的腿部结构9 图表17：ATI力控传感器汽车座椅测试应用9 图表18：ATI力控在3C行业的装配应用9 图表19：ABB的双臂机器人YuMi10 图表20：宇立和金恒通过力/位置混合控制打造的智能力控打磨方案10 图表21：力传感器不同检测方法优缺点对比11 图表22：硅/箔电阻应变式传感器具有更强的综合性能11 图表23：一维、三维、六维传感器作用示意图12 图表24：人形机器人力矩传感器应用场景全景图12 图表25：六轴力矩传感器定价明显高于单轴力矩传感器13 图表26：电阻应变式传感器应变片的形变导致其电阻的变化13 图表27：ATI六轴力矩传感器的内部架构14 图表28：ATI六轴力矩传感器人工安装过程14 图表29：HMB的应变片产品在多项性能表现优异14 图表30：六维力矩传感器的精度和准度14 图表31：海外龙头厂商单个应变片的价格高达180元/个15 图表32：某六维力矩传感器上需要32个应变片15 图表33：ATI不同系列六维力矩传感器的价格15 图表34：2022年全球力矩传感器市场规模将达80亿美元16 图表35：国产厂商力矩传感器性能对比16 图表36：柯力传感营收规模稳定增长17 图表37：1Q23归母净利润同比增长超60%17 图表38：柯力传感费用管控有力17 图表39：柯力传感盈利能力维持高位17 图表40：柯力传感应变式传感器市占率长期保持在30%左右17 图表41：柯力传感NJ系列扭矩传感器18 图表42：近5年营业收入稳定增长18 图表43：归母净利润近三年持续增长18 图表44：下游环保投资放缓，盈利能力短期承压19 图表45：汉威科技核心技术、产品及产线情况19 图表46：汉威科技柔性传感器下游应用19 图表47：瀚川智能营收加速增长20 图表48：近年归母净利润较为稳定（除1Q23外）20 图表49：瀚川智能持股常州坤维科技5.04%股权20 图表50：坤维科技六维力传感器示意图20 图表51：中航电测过去5年营收情况20 图表52：中航电测过去5年归母净利润情况20 图表53：中航电测具有传感器所需的应变片21 图表54：中航电测具有多款扭矩传感器21 图表55：重点公司估值21 一、机器人的力控都有哪些方式？ 1.1力觉属于机器人感知系统的重要组成部分之一 机器人感知层是凭借感知技术通过获取和分析力觉、触觉、视觉、位置等信息，实现对于外部环境和状态的理解，为人机的智能交互和柔性作业提供决策依据，是目前机器人实现智能自主操作的关键技术。在众多的感知方式中，力触觉感知系统能检测机器人末端执行器操作工件时所产生的三维力/力矩、接触信息，为机器人提供力觉感知环境，是系统完成操作作业的重要条件之一。 力觉传感器主要布置在手腕、关节等多部位。区别于垂直单方向压觉力感知，机器人力觉感知是指机器人作业过程中对来自外界大部分力的感知，是机器人主动柔顺控制必不可少的环节，它直接影响着机器人的力控制性能，分布在机器人的腕部、躯干关节、脚部、手指等部位。 图表1：具身智能机器人的核心在于感知层、认知层图表2：机器人用传感器分类 来源：具身智能机器人公众号，国金证券研究所来源：《关于传感器在机器人中的应用分析》，国金证券研究所 1.2力控是机器人实现柔顺控制的前提 机器人的运动控制可以分为位置控制、速度控制、力控。工业界传统的机器人都使用位置控制，在位置控制下，工业机器人会严格按照预先设定好的位置轨迹进行活动，但是，若机器人的运动过程中受到了障碍物的阻拦，会导致机器人位置追踪误差变大，这种情况下机器人会“出力”追踪预设的运动轨迹，导致机器人与障碍物之间产生巨大的内力，无法完成柔顺控制。 图表3：海尚机器人通过3D坐标系实现机器人的位置控制 来源：海尚工业机器人，国金证券研究所 相比位置控制，力控对于机器人的柔顺控制更加重要。现在常用的机器人位置控制可以使机器人在与环境无相互作用力或相互作用力可忽略不计时完成任务，如喷涂、焊接等。然而在如抛光或打磨等应用场景中，仅使用位置控制将不能满足任务需求。这时需要引入末端执行器将力/力矩作为反馈量进行控制，智能调整运动轨迹，实现机器人的柔顺控制。 比如： 1）工业机器人：在工业机械臂表面抛光的场景下，表面处于不规则的状态，需要严格地控制末端抛光件与表面接触力的大小，因此需要不断获得末端执行器的力反馈，进行动态力反馈控制。 2）人形机器人：波士顿动力的Atlas在不规则的雪地路面上行走时，路面情况无法通过提前建模预测，这种情况下，如果通过位置控制，无法规划出一条合理的位置轨迹，必须引入力控，才能实现动态控制。 图表4：工业全自动打磨机械手图表5：波士顿动力的Atlas在不规则雪地路面上行走 来源：工业机器人，国金证券研究所来源：波士顿动力，国金证券研究所 1.3机器人的柔顺力控有哪些方案？ 柔顺控制指机器人与环境进行物理交互时，通过采取一些新的柔顺元件，或者设计新的控制策略使得机器人具有柔顺性，采用相关柔性辅助元件使机器人展现柔顺特性的方式通常被称为被动柔顺，而通过设计相关柔顺控制策略作用于机器人使机器人展现柔顺特性的方式通常被称为主动柔顺。 根据南京航空航天大学段晋军博士的分析来看，机器臂柔顺控制方式分为被动柔顺控制和主动柔顺控制，主动柔顺控制又分为直接力控、间接力控、混合位置/力控。 图表6：机器人的力交互控制的主要方式 来源：南京航天航空大学段晋军，小米科技，国金证券研究所 1.3.1被动柔顺控制：机械臂的被动柔顺控制是在机械臂的末端安装一个机械弹性结构 （弹簧、阻尼），通过机械臂的弹性来实现力控的功能。这类力控方式工艺简单、成本低 廉、对于机械臂无特殊要求，但是力控精度无法保证，机械臂拥有复杂的结构，有非线性的摩擦力、传动间隙，导致期望刚度无法精确获得，适用于对于力控精度要求较低的场景。 图表7：被动柔顺控制在机械臂的末端添加弹性装置 来源：小米科技，国金证券研究所 1.3.2主动柔顺控制：主动柔顺控制需要机器人获取对力信息和位置信息的反馈，利用力与位置的反馈信息结合相应算法去主动控制机器人运动或者作用力，分为直接力控和间接力控、混合位置/力控。 间接力控：间接力控不是单纯的控制力或者控制位置，而是控制力与位置的相对关系，使得与机械臂的末端弹性结构通过软件算法来实现力控。间接力控根据控制原理的不同又分为导纳控制和阻抗控制。 1）导纳：导纳控制广泛应用于实现机器人的主动柔顺从而完成拖动示教，其主要原因是导纳控制器能够建立环境与机器人之间的动态关系，利用虚拟刚度、阻尼、惯性参数创建从力到运动的映射。通过调节上述三种参数，改变机器人柔顺特性，使机器人服从人类施加的力并做出相应的运动。 2）阻抗：阻抗控制是将控制器等效为阻抗系统，输入位置输出力。是由Hogan于1985年提出的主动柔顺控制策略，是目前柔顺控制使用较多的方法之一。阻抗控制本质为建立机器人在与环