机器人传感器专家交流纪要–20231215

一、综述 1.专家深度剖析机器人传感技术趋势 特斯拉Optimus二代机器人配备了六维力传感器，以满足复杂地面行走的需求，揭示了行业内从成本控制转向提升性能以适应广泛应用场景的发展趋势。国内机器人企业曾为降低成本而取消六维力传感器，但随后跟随特斯拉重新采用，这表明行业对复杂应用场景的适应需求正在增加。六维力传感器的价格直接影响产品成本，进而影响企业的定价策略和市场战略。 一、综述 1.专家深度剖析机器人传感技术趋势 特斯拉Optimus二代机器人配备了六维力传感器，以满足复杂地面行走的需求，揭示了行业内从成本控制转向提升性能以适应广泛应用场景的发展趋势。国内机器人企业曾为降低成本而取消六维力传感器，但随后跟随特斯拉重新采用，这表明行业对复杂应用场景的适应需求正在增加。六维力传感器的价格直接影响产品成本，进而影响企业的定价策略和市场战略。 2.机器人传感器市场与成本解析 机器人传感器技术与成本关系密切：弹性水基础件价格波动较大，硅材料更为昂贵。例如，博士林面片售价约为100元，进口产品价格较高，而国产产品约在20元左右。 国内能够生产应变片的企业不多，如华南海、中航电测等。产品应用与成本方面，六维力传感器在人形机器人领域通常需要使用30多片。价格上，进口六维力传感器约四五万人民币，特殊要求可能会更高，而国产产品约为两万人民币。 行业发展与市场格局显示，2022年六维力传感器市场规模约为2亿人民币，预计未来五年年增长率将达到60%。国产传感器有很大的降本空间，目前价格较高主要是由于市场规模不大和前期投入成本较高。 国内外公司在机器人传感器领域展开竞争，但市场广阔且增长迅速。 3.传感器设计与工艺平衡的艺术 在传感器领域，六维传感器的设计和测试评价是主要挑战，而非工艺和生产过程。 成功的关键在于长期的技术积累和团队建设。新公司在传感器领域要想取得成功，必须经历一段艰难的推进阶段。国产六维力传感器在精度上与国际标准存在差距，国内龙头企业已能做到1%以内的精度，但仍有一定的提升空间。4.专家解读机器人触觉传感器估值 触觉传感器的价格与其功能密切相关，三维触觉传感器比一维产品价格更高，主要基于点的数量进行区分，国内市场大多为一维产品。国内触觉传感器市场主要应用于单点设备，如开关和机器人碰撞感测，而多点触觉传感技术已存在于早期的按压设备中。 触觉传感器在海外应用广泛，如垫层压力监测和跑鞋定制，三维触觉传感器主要集中在日本和澳大利亚，价格相对较高。 5.三维触觉传感器的前景展望 特斯拉的三维传感器可能采用三维数据捕捉技术，以实现精确效果。三维触觉传感器主要采用MEMS工艺，随着生产规模的扩大，成本预计将大幅下降。 虽然当前三维传感器的制造成本相较于光学传感器更高，但随着量产的预期，成本有望显著降低。 6.探索机器人触觉传感器的未来发展方向 目前，触觉传感器主要用于感知压力，但已有研究将温湿度、硬度、粘度等其他感知功能整合进传感器中，未来的发展方向将是增加多种感知功能。 触觉传感器市场仍处于初级阶段，国内相关公司的年营收仅数百万，市场规模和潜力有待进一步观察和研究。 硬材料结合软性覆盖层(如硅胶)可以制造出高效的触觉传感器，相比纯柔性材料，其响应更快，更有利于传感器的动态性能。 7.解读机器人传感器技术的最新进展 在传感器技术路线分析中，光学、电容类传感器可通过MEMS工艺实现三维感测；而压阻、压电类传感器在三维感测方面的表现较差，存在“最小判断力大”和“动态性能不佳”的缺点。 多模态传感器面临挑战未来触觉传感器除力感测外，还需要融合纹理、湿度、温度等感知功能，但增加的成本和复杂度是一大挑战。对于通用型机器人而言，可能只需要做好力感测，而温度感测可以通过非接触式传感器来解决。 在传感器技术选择上，将小型化六轴力传感器置于指尖可以提高精度。与基于压阻或压电式的三维力传感器相比，六轴传感器的检测范围有限，但其构造和功能已经有了显著的不同。 二、Q&AQ：能否简要说明特斯拉青天第二代机器人安装六维力传感器的考虑因素及其主要功能？ A：特斯拉青天第二代机器人的脚底安装六维力传感器，其主要功能是检测三个轴向的力和围绕这三个轴的转动力矩，即具备在各个方向上感知力和相应扭矩的能力。这种传感器常应用于机器人中受力复杂的部位，如脚踝和手腕。配置六维力传感器的决策源于应对复杂地面环境的需求，例如越野、泥地或石质路面。在这些条件下，六维力传感器能提供更多的机器人本体信息，以辅助算法做出决策或维持运动平衡。Q：国内机器人公司曾去除六维力传感器，这背后的逻辑是什么？特斯拉将其重新加入产品中又意味着什么？A：国内机器人企业先前去除六维力传感器，主要是为了追求成本降低，以符合特斯拉提出的2万美元价格目标。这主要是因为他们的目标应用场景是工厂环境，其中地面相对平坦，对机器人本体力的要求不高。然而，特斯拉重新加入六维力传感器显示出其产品策略的调整，其通用型机器人的最终目标是广泛的应用场景，包括室内外、陪伴跑步等复杂环境，这些场景下六维力传感器的价值得以显现。特斯拉此举可能表明其在确保工厂环境系统稳定运行后，有意将应用扩展至非工厂环境，这就需要机器人具备更复杂的感应与平衡能力。Q：六维力传感器的关键材料和设计组成是什么？其大致的成本结构是怎样的？A：六维力传感器主要由两部分关键物料构成：一是弹性体，包括高精度压力金属结构件，用于力学性质的构建；二是感测元件，涉及硅质硬面片、金属箔硬面片、光纤、电熔片和压熔压电片等。此外，传感器上还配备导线、电阻丝(用于调零补偿和温度补偿)和硅胶密封材料等。在所有组成材料中，弹性体和感测元件的成本最高，而导线和密封胶等成本相对较低。Q：国内加工弹性水基础件的价格是多少？金属结构件和银联品在机器人传感器中的应用及其成本情况如何？A：在国内，加工弹性水基础件的价格较高，具体价格因难易程度不同而有所变化，大致在几百元不等。其中，使用硅材料的基础件价格更高，可能达到一两百元，而国产的基础件价格相对便宜，大约在一二十元左右。在六轴机器人传感器中，我们会使用一种金属结构件以及32到40个银联品，这两部分是成本中极为重要的组成部分。 Q：国内生产应变片的企业数量及其相关技术难度如何？A：在国内，能够真正制作应变片的企业相对较少，大概只有几家。部分企业专注于消费级音乐片的生产，但在机器人传感器应用领域，仅有少数企业具备生产能力。由于制作应变片的技术难度较高，该行业具有一定的准入门槛。Q：一台人形机器人大约需要多少应变片？在不同情况下，这个需求量是否会变动？ A：在理想情况下，一台人形机器人每个方向至少需要4个应变片，总计至少需要24个。然而，在实际应用中，由于灵敏度不足或干扰问题，通常会使用30多个应变片。 Q：传感器的软件开发难度和成本如何？A：如果传感器制造商的技术水平较高，实际上可能不需要复杂的软件介入。因为传感器是纯硬件设备，可以直接输出模拟信号，且输出电压已确定了各个方向的信号，所以整体来看，软件部分的复杂性和成本相对较低。Q：目前六轴力传感器的市场价格是多少？未来是否有降低成本的空间？A：当前市场上，一个六轴力传感器的价格大致在两三万人民币左右，进口品牌如API可能需要四五万人民币，而有特殊要求的传感器价格可能会高达8到10万块。国产产品一般在2万左右。未来存在降低成本的空间，因为材料成本不高，而且一旦实现量产，价格有可能进一步降低。Q：国内外机器人产品中六维力传感器的配置情况以及未来市场增长预期和应用场景是什么？A：目前，国内六轴力传感器的年出货量大约在七八千个左右，主要应用于机器人领域，如手术机器人、汽车碰撞实验等。但市场增速尚未达到一年60%的水平。未来市场的增长在很大程度上将依赖于人形机器人，如特斯拉等的发展。根据市场发展情况，降本空间较大，因为原材料成本低且量产可能导致价格下降。 Q：在六维力传感器领域，从一维到六维的制作难度和技术壁垒有何变化？A：制作六维力传感器的难度明显高于一维产品，因此技术壁垒较高。目前，国内外都有一些公司在生产六维力传感器，但想要从其他领域进入这个市场仍面临较大挑战。例如，科威科技在国内表现出色，昆仑在该领域的表现也非常优异。Q：在机器人传感器领域，特别是从一维升级到六维，主要的难点和挑战是什么？A：从一维升级到六维传感器的难度并非主要在于制造工艺或生产流程，因为这些过程通常与先前的方法相似。真正的挑战主要在于前端设计以及后端的测试和评估。传统的单维传感器制造商可能缺乏设计多维传感器的专业知识。制作高性能传感器不仅需要提升单个性能指标，还需要平衡各种参数，这使得整个过程变得极为复杂。此外，打造一款成功的传感器不仅需要创新设计，还必须在生产和工艺上具备优势。这通常需要经过长时间的经验积累和多次试验失败。国内相关企业往往拥有深厚的技术基础，其技术进步并非从零开始，而是基于长期的技术积淀和系统化的方法论。例如，尽管开发六维力传感器的公开资料足以构建一个原型，但如果未经长期优化，精度可能只能达到5-10%，而行业领先企业则能实现0.5%以内的精度。 Q：触觉传感器有哪些种类？各自的优点和缺点是什么？像特斯拉展示的机器人手捏鸡蛋的动作，如何通过触觉传感器技术实现？A：触觉传感器主要有几种类型，包括压阻式、电容式、光学式和基于电磁感应的霍尔式。触觉传感器的核心功能是检测传感器与物体接触时各点的压力分布，以此实现触觉反馈。电子皮肤技术是在触觉传感器的基础上进一步发展，不仅能感知触觉，还能感知温度，甚至更高级的电子皮肤还能检测湿度、表面粗糙度和硬度等属性。在这些传感器中，压阻式和电容式传感器较为成熟，广泛应用于市场。至于特斯拉展示的机器人捏鸡蛋场景，这展示了高级别的触觉传感技术，被认为是机器人领域的高难度任务，因为它对传感器的压力控制和精度要求极高。Q：机器人传感器的价值量通常如何计算？是按照像素数量、面积还是元器件个数？价格上有哪些影响因素？A：机器人传感器的价值量受多种因素影响，其中最重要的是按传感器点的数量计算，尤其是触觉传感器。触觉传感器的价格主要取决于其功能，一维触觉与三维触觉的价格差异显著。—维触觉传感器相对便宜，目前国内市场主要销售的是一维触觉传感器。例如，国内市场上一个约有100个点的传感器售价大约为一两千元人民币，以此类推。然而，三维触觉传感器则更为昂贵且稀有，主要集中在日本和澳大利亚。16个点的三维触觉传感器样品价已高达15，000元。此外，企业的规模和订单量也会影响传感器的最终价格。Q：触觉传感器在国内外有哪些应用，并且有广泛的应用吗？ A：基于薄膜压力式传感器技术的触觉传感器并非新技术，早在2011年就被应用于單点设备，如触觉开关。在国内市场，已有公司销售了数百万个單点触觉传感器。目前，单点和多点触觉传感器已在多个领域得到应用，如作为工业机器人碰撞感知的传感器，以及在手术和车辆碰撞中的应用。在国际上，美国的企业正在研发将这项技术应用于医疗设备，如床垫用于监测长期卧床病人的压力分布以防止压疮，同时自定义跑鞋也会使用这种技术来测量脚底的压力分布。总的来说，触覺传感器在多个行业中有着广泛的应用潜力。Q：在特斯拉最近发布的视频中，手指上使用的传感器处理方案是什么？能否从视频中的捏握效果和压力分布热图来判断？A：根据视频中展示的精确控制效果和压力分布热图，推测特斯拉可能使用的是三维触觉传感器而非一维传感器。一维触觉传感器的精度相对较低，误差范围可能在6%到30%之间，实际测试中甚至可能出现40%~50%的误差。全球范围内，能够生产三维触觉传感器的公司并不多，目前中国还没有公司具备这种能力。三维触觉传感器的生产工艺与一维传感器有显著差异，可能涉及类似于电容传感器的技术。Q：三维触觉传感器的技术特性是什么？与一维传感器相比有何不同？ A：三维触觉传感器通常采用MEMS(微电子机械系统)工艺制造，这是一种源自半导体制造的工艺技术。三维传感器能够测量垂直方向以及两个侧向的力，这意味着它可以精确解析作用在被测点上的三个方向的力