文 | 昆仲资本
2012年5月，国际空间站两名宇航员操纵空间站外18米长大型机械臂抓住美国SpaceX公司研发的无人驾驶飞船—“Dragon”，实现了二者对接。在此机械臂的末端安装的便是美国航空航天局NASA投入巨资研制的六维力传感器。
彼时，六维力传感器还是一种体积庞大、造价昂贵、仅限于尖端军工和航天领域的专业设备。随着制造工艺的精进和微电子技术的飞跃，这种曾经“高不可攀”的技术正迅速小型化、低成本化，从航天领域走向工业自动化，并在最近几年，悄然进入了人形机器人的核心感知系统。
为什么一种源自航天领域的高精度传感器会成为人形机器人的关键组件？答案在于人机交互的本质。
人类在与物理世界互动时，依靠的不仅是视觉和听觉，更关键的是触觉反馈。当我们拿起一个鸡蛋，既不会捏碎它，也不会让它滑落，这种精细的力控能力源于我们手指末端无数的触觉感受器。
人形机器人要实现类似人类的灵巧操作，就必须具备同样精确的力觉感知能力。六维力传感器恰恰能够提供这种全方位的力和力矩信息，让机器人“知道”它对物体施加了多大的力，以及这些力在空间中的分布状态。这种能力对于机器人执行精细操作、维持平衡行走、以及安全地与人类互动至关重要。
近两年来，随着众多人形机器人项目相继亮相，这个原本小众的传感器品类突然成为投资界的关注焦点。一方面是因为六维力传感器在人形机器人成本结构中占比高达19%（根据特斯拉机器人预估），是单一价值最高的核心零部件之一；另一方面，这一领域尚未形成绝对垄断格局，国产化替代空间巨大，市场预期也从当前的几亿元规模迅速扩展至未来可能的百亿量级。
这种从航天科技到工业应用，再到人形机器人关键组件的技术演变，正代表着一类高精尖传感技术的典型发展路径。在这个“小而美”的细分赛道背后，或许蕴藏着下一个传感器行业的巨大机遇。
六维力传感器，顾名思义，是一种能够测量六个维度力学量的高精度传感器。从物理学角度看，任何作用于物体的力都可以分解为三个正交方向的力分量（Fx、Fy、Fz）和围绕这三个轴的扭矩分量（Mx、My、Mz）。普通力传感器通常只能测量单一方向的力，而六维力传感器则能同时监测这六个维度的物理量，无论力的方向如何变化或施力点在何处，都能精确捕捉。
这种全维度测量能力，使六维力传感器成为机器人与物理世界交互的“神经末梢”。当机器人抓取物体时，它需要知道手指施加了多大的力，以及这个力在各个方向的分布，六维力传感器正是提供这种精细感知的关键设备。
在评估六维力传感器的性能时，有几个关键指标需要特别关注。首先是串扰，这一指标用来衡量多维力传感器各测量方向间的耦合影响，可以直接反映测量误差水平。理想情况下，一个方向的力不应该影响其他方向的测量结果，但实际工程中总会存在一定程度的串扰。
精度是另一个核心指标，它衡量测量结果之间的重复性。精度标定方法通常是在相同环境条件下，在额定载荷范围内，多次多方向联合加载相同一组载荷，计算得到的传感器测量值的标准差，并除以量程。精度越高，意味着传感器在相同条件下多次测量的结果越接近。
准度则衡量测量结果与理论真值的偏离程度。准度标定方法是对传感器进行多次多方向联合加载，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。准度反映了传感器测量值的绝对准确性，是评价六维力传感器整体性能的重要指标。
随着应用需求的多元化，六维力传感器的技术路线也呈现多样化发展。目前，市场上主要有三种技术路线：应变片式传感器、光学式传感器以及压电/电容式传感器。
应变片式传感器是当前最主流的技术路线，又可细分为硅应变和金属箔两种类型。其工作原理是当弹性体受力变形时，粘贴在其表面的应变片电阻值会发生变化，通过精心设计的电路，可将这种微小的电阻变化转换为可测量的电信号。这种传感器的优势在于精度高（精度可达0.01N），技术成熟，频响特性好，测量范围广。目前市场上的主要代表企业包括ATI、宇立仪器、坤维科技、蓝点触控等。
光学式传感器则利用光栅或光纤在受力时发生的微小形变，引起光信号的变化，再转换为电信号输出。这类传感器的最大优势是可靠性高，抗电磁干扰能力强，可在特殊环境（如强电磁场）中工作。在这一领域，OnRobot、华力创科学等公司有较深的技术积累。
压电/电容式传感器中，压电式利用材料在受力时产生电荷的特性进行测量；电容式则是通过极板距离变化导致电容变化来测量力。这类传感器的特点是灵敏度高，分辨率高，结构相对简单，环境适应性较强。Robotiq、Kistler等公司在这一领域有所建树。
每种技术路线各有其优劣，根据应用场景的不同，选择也有所差异。在人形机器人领域，应变片式（特别是硅应变片）传感器因其综合性能表现突出，成为当前主流选择。
但六维力传感器的制造工艺远比人们想象的复杂，特别是高精度的应变片式传感器，其制造过程堪称精密仪器领域的“匠心工艺”。
以当前主流的应变片式传感器为例，其材料组件包括弹性体、应变片、电路板、粘接剂和外壳等，通过几十道工序（分为选料、贴片、温漂和零漂的控制、标定等四大环节）制作而成合格产品。中游生产制造中主要环节包括弹性体加工，打磨、划线，贴片，固化、老化，组桥走线，零点补偿、零点温度补偿，焊线，初测，封胶、焊封，重测等多个流程。其中对最终产品性能影响较大的工艺流程包括弹性体的制造与加工、应变片的贴片、检测等环节。
这种复杂的工艺流程，导致高精度六维力传感器的制造周期长、成本高、良品率低，也是该行业长期以来保持高门槛的重要原因。一个高精度六维力传感器的价格可从数千元到数万元不等，远高于普通传感器。
如今，六维力传感器的应用场景正经历着从专业测试到广泛工业应用的扩展。目前，工业自动化领域占据主导地位，约77.1%的市场份额。在这一领域，六维力传感器主要用于精密装配（如发动机装配、电子产品组装等需要精确控制力的场景）、精密加工（如抛光、打磨等对力的控制要求高的工艺过程）以及质量控制（测试产品的机械性能、力学特性等）。
汽车测试领域约占7.6%的市场份额，应用包括安全设备测试（如碰撞测试、安全带测试等）、车身刚度测试（评估车身结构强度）以及驾驶动态测试（如方向盘力反馈等测试）。
人形机器人领域虽然目前仅占约1.6%的市场份额，但增长最为迅猛。在这一领域，六维力传感器主要用于手部操作（提升抓取、装配等精细操作的能力）、行走平衡（监测足部接触力，维持稳定行走）以及人机交互（确保与人交互过程中的安全性）（后文还会具体分析）。
随着人形机器人对成本控制的要求提高，如何在保持性能的同时降低制造成本，成为行业面临的重要挑战。目前，国内一些企业已开始探索自动化贴片、标准化设计等方向，以期实现批量生产和成本下降。因此，作为实现人机协作和精细操作的关键组件，六维力传感器的重要性日益凸显，未来有望成为该行业增长最快的应用方向。
在六维力传感器领域，不同的应用场景也催生了多种技术路线并行发展的局面。目前，力觉感知技术主要存在三条竞争路线，各有优势，也各有局限，其适用性很大程度上取决于应用需求的具体特点。
以六维力传感器为核心的直接测量方案，是目前最传统也是最精确的技术路线。这种方案的核心是在机器人的关键接触点(如手腕、足踝)安装专用的六维力传感器硬件，直接测量力和力矩数据。以特斯拉机器人为例，其手腕和脚踝部位都安装了高精度六维力传感器，在成本结构中占据相当高的比例。
这种方案的优势在于测量精度高(可达0.01N)、反应速度快、数据可靠性强，能够捕捉微小的力变化，适合需要精细力控制的场景。然而，其劣势也明显：硬件成本高、安装复杂、对环境敏感，且增加了机械结构的复杂性和重量。
国际领先企业ATI的高端六维力传感器，单价可高达数万美元，尽管如此，在对精度要求极高的高端应用中，这种方案仍是首选。我国的坤维科技、宇立仪器等企业，也在这一路线上取得了长足进步，产品精度已接近国际水平，且价格优势明显。
电流环力控是一种不依赖专门力传感器的间接测量方案。这种技术利用电机控制系统中的电流变化来估算外部施加的力和力矩，通过建立电机电流与输出力矩之间的数学模型，实现力的间接测量和控制。
电流环力控最大的优势是简化了硬件结构、降低了成本，同时避免了传感器可能带来的故障点。然而，其精度通常低于直接测量方案，对模型精确性和环境条件的依赖也较高。在小型机器人和消费级产品中，这种方案因其成本效益而受到青睐。波士顿动力的早期四足机器人Spot就采用了这种技术路线。
随着算法的进步，电流环力控的精度正在不断提高。一些创新型企业开始将基础的电流环力控与机器学习算法相结合，通过大量运动数据的训练，显著提升了力估算的准确性，使这一技术路线在某些应用场景中的性能接近专用传感器方案。
最具颠覆性的技术路线是完全依靠视觉传感和先进算法的力觉推断方案。这种方案不使用任何专门的力传感器，而是通过高速相机捕捉物体变形、位移等视觉信息，再结合物理模型和深度学习算法，推断出作用力的大小和方向。
这种方案的最大优势是硬件成本极低，结构简单，维护方便。然而，目前的技术挑战也非常明显：算法复杂度高、计算资源需求大、精度和实时性与专用传感器相比仍有差距。特别是在复杂环境和高精度需求场景下，纯视觉方案的实用性受到限制。
尽管如此，随着计算机视觉和AI技术的飞速发展，这一路线正在吸引越来越多的关注和投入。谷歌、Meta等科技巨头已在这一方向上进行了大量研究，其发展速度之快可能会超出传统行业的预期。多模态感知的趋势下，这种方案也被视为最具未来感的技术方向。
在可预见的未来，这三种技术路线将继续并行发展，不会有单一方案完全取代其他。决定它们各自市场地位的关键因素包括：
1. 应用场景的精度需求：在航空航天、高端工业机器人等对精度要求极高的场景，直接测量方案依然是不二之选；而在消费级机器人、普通工业应用中，电流环力控和视觉方案可能因成本优势获得更大市场。
2. 成本压力：随着人形机器人向消费级市场推进，成本压力将越来越大。如果直接测量方案的六维力传感器成本不能快速下降，可能会在某些应用中被替代方案挤压。
3. 算法进步速度：AI算法的进步速度将直接影响视觉+算法方案的竞争力。如果在未来2-3年内，纯算法方案能在精度上接近传统传感器，市场格局可能发生根本性变化。
4. 集成化趋势：更可能的发展方向是多种技术的融合和集成，例如将简化版的力传感器与先进算法结合，在保持一定精度的同时显著降低成本。
前文提及，人形机器人领域目前占比虽然仅为1.6%，但增长势头最为迅猛，被普遍视为未来市场增量的主要来源。
具体而言，在手部操作应用中，六维力传感器安装在机器人手腕或手指关节处，提供精确的力和力矩反馈。这使得机器人能够执行精细的抓取、装配等操作，处理易碎物品而不损坏，实现类似人手的灵巧性。最新一代的人形机器人如特斯拉Optimus，每个手腕都配备了高精度六维力传感器。
行走平衡是另一个关键应用。六维力传感器安装在机器人足部，测量地面反作用力的大小和分布，为平衡控制算法提供输入。这对于人形机器人在不平整地面行走、爬楼梯等复杂环境中保持稳定至关重要。
人机安全交互也是六维力传感器的重要用途。通过实时监测接触力的大小和方向，机器人可以在与人互动过程中保持安全，避免意外伤害。这一功能对于服务型人形机器人尤为重要。
据特斯拉机器人成本结构分析，六维力传感器占机器人总成本的19%左右，是单一价值最高的核心零部件之一。随着人形机器人从实验室走向商业化，预计这一领域的六维力传感器需求将呈现爆发式增长。
根据睿工业发布的数据，2023年中国市场六维力传感器出货量为9,450套，市场规模约2.35亿元，同比增长分别为17.4%和14.6%。虽然当前规模不大，但增长趋势明显加速。
行业预测指出，2027年将成为市场增速的关键拐点，随后进入高速增长期。到2030年，六维力传感器的出货量和市场规模有望分别增加到119.5万台和143.3亿元，实现数十倍的增长。
这种增长预期主要基于两个因素：一是人形机器人产业的规模化进程将带动核心零部件需求；二是技术进步和规模效应将推动六维力传感器价格快速下降，进一步扩大市场。
在价格趋势方面，六维力传感器近年来也呈现明显下降趋势。以2020年为基准，平均单价已从约2.63万元/台下降到2023年的约2.49万元/台。据行业访谈了解，部分用于人形机器人的六维力传感器已降至千元级别，未来有望进一步下探。这种价格下降趋势，将极大释放市场潜力，特别是在对成本敏感的消费级应用领域。
在昆仲资本看来，六维力传感器行业呈现出明显的技术壁垒和规模效应特征，具备以下特点的企业可能具有更高的投资价值：
首先，具备长期力觉技术积累的企业值得重点关注。由于技术复杂性高，真正掌握核心技术的企业通常需要5-15年的持续研发积累，这类企业在产品性能、可靠性和创新能力上往往具有显著优势。目前市场上的领先企业，如ATI、宇立仪器、坤维科技等，都有深厚的技术沉淀，能够在性能和可靠性方面提供保障。
其次，已实现规模化量产能力的厂商更具竞争力。六维力传感器的生产涉及精密机械加工、微电子技术、高精度标定等多个专业领域，建立稳定、高良品率的量产能力需要大量工艺积累和设备投入。在人形机器人等市场快速增长的背景下，具备批量生产能力的企业将更容易抓住市场机遇。
第三，在人形机器人供应链中已取得先发优势的公司具有战略价值。人形机器人领域可能成为六维力传感器的最大增量市场，已经成功进入特斯拉、波士顿动力等龙头企业供应链的传感器厂商，有望借助客户成长获得持续发展空间。如近期获得小米、舜宇等投资的坤维科技，已在多家人形机器人企业供应链中占据重要位置。
六维力传感器作为高端传感设备，正处于从专业工业应用向人形机器人等新兴领域扩张的关键阶段。虽然当前市场规模有限，但未来增长潜力巨大，预计2030年中国市场将突破百亿元规模。国产厂商凭借性价比优势和服务响应能力，正逐步蚕食外资品牌市场份额，但在核心技术指标和品牌影响力方面仍需追赶。
作为早期投资人，昆仲资本重点关注具有真实量产能力和技术积淀的企业，同时密切关注人形机器人产业进展和技术路线演变。随着生产工艺改进和规模效应显现，六维力传感器价格有望持续下降，进一步推动行业进入良性发展循环。长期来看，该领域将呈现“应用场景拓展”与“技术路线收敛”并行的双重特征，为具备核心竞争力的企业创造战略性机遇。
在这个从航天科技走向消费级应用的高精尖传感器领域，中国企业已经站在了与国际巨头同台竞技的舞台上。随着人形机器人时代的到来，这个“小而美”的细分领域有望成为机器人产业链中价值增长最为显著的环节之一，值得投资人持续关注。
