力控 (Force Control)

1. 3 秒看懂

力控 是指在机器人执行与物理环境交互的任务（如装配、打磨、抓取）时，通过实时感知和调节其与环境间的接触力/扭矩，而非仅仅控制位置，来实现柔顺、精确且安全操作的一类控制技术。它是机器人从“自动化”走向“智能化”的关键能力之一。

2. 3 分钟产业解释

想象一下你用手拧一个灯泡。你不会只凭记忆把手移动到一个绝对位置，而是会感觉到阻力，并根据阻力的大小和方向实时调整手的速度和用力。力控就是赋予机器人这种“触觉”和“微调能力”的技术。

在工业场景中，许多任务无法仅靠位置精度完成，因为工件存在微小差异、环境存在不确定性。传统的“位置伺服”机器人像一台“死板”的数控机床，一旦遇到预料之外的阻力就会报错或损坏工件/工具。而具备力控能力的机器人，能像人手一样“柔顺”地适应变化，完成装配、打磨抛光、去毛刺、柔性抓取（特别是易碎、不规则物体）、人机协作等任务。

产业驱动力： ① 自动化向复杂作业渗透：汽车装配（如发动机活塞插入、变速箱齿轮装配）、3C产品精密组装（如手机屏幕贴合、按键安装）、食品包装（如蔬菜抓取、糕点转移）等场景对力觉柔顺需求激增。据高工机器人产业研究所(GGII)统计，2022年全球协作机器人出货量已超过5万台，预计2025年将突破12万台，力控作为协作机器人的核心“标配”功能直接受益。 ② 协作机器人(Cobot)兴起：安全与柔顺交互是协作机器人区别于传统工业机械臂的根本要求，力控是必选项。协作机器人已成为工业机器人领域中增速最快的细分品类，IFR《2023世界机器人报告》显示，2022年全球协作机器人安装量同比增长约25%，其高速渗透直接拉动力控元件需求。 ③ 制造业升级：多品种、小批量的柔性生产成为常态，传统硬自动化专机无法经济地适应频繁换线，而具备力控的机器人能够快速适应工艺变化，减少工装夹具投资。

3. 技术原理

力控的本质是控制机器人与环境构成的动态耦合系统。其核心闭环包含 “感知-决策-执行” 三大环节。

1) 感知 通过力/扭矩传感器（通常为六维力/扭矩传感器）实时测量机器人末端执行器（或关节）与环境交互产生的三个方向力和三个方向扭矩。这是力控的硬件基础，其精度、响应带宽、抗过载能力直接决定控制效果上限。当前主流传感器采用硅应变片或金属箔应变片技术，部分前沿方案探索光学、磁弹性原理以实现更高信噪比和抗电磁干扰能力。

2) 决策 控制算法 根据期望的力或运动轨迹与传感器反馈的误差，计算出机器人应该如何运动或施加力。算法决定了机器人的“柔顺性格”。两大主流范式：

阻抗控制 (Impedance Control)

• 核心思想：不直接控制力，而是通过调节机器人表现出的虚拟惯性(M)、阻尼(D)、刚度(K) 参数，来间接控制交互力。其动力学方程可表达为： F_ext = M * (a_desired - a_actual) + D * (v_desired - v_actual) + K * (x_desired - x_actual) 其中F_ext为外部交互力。
• 作用：让机器人在接触时表现出类似弹簧-阻尼器的柔顺行为。K值低，机器人“软”，接触力小但位置精度变差；K值高，机器人“硬”，位置精度高但接触力大。通过在线调整这三个参数，机器人可在不同作业阶段展现不同刚度。
• 类比：就像用手推一扇弹簧门，门的表现（阻力）取决于其弹簧的刚度(K)和阻尼(D)。

导纳控制 (Admittance Control)

• 核心思想：将机器人视为一个“质量-弹簧-阻尼”系统，根据测量到的力 F_ext 来生成运动指令。其传递函数可简化为： X_motion = F_ext / (M*s^2 + D*s + K)
• 适用场景：适用于位置伺服精度高、但力传感噪声大或系统惯量大的场合（如大型工业机器人），因为它将力信号转换为了平滑的运动指令，避免在力反馈高频噪声下直接输出力矩跳变，保障系统稳定。

混合力/位控制 在任务空间中将不同自由度分为力控制方向和位置控制方向。例如，在轴孔装配中，沿孔轴线方向进行力控制以保证柔顺插入，而在垂直于轴线的平面内进行位置控制以保持对准。此方法需详细的任务模型约束，但控制灵活性最高。

3) 执行 将计算出的控制指令发送给机器人的伺服驱动器，实时调整关节电机的力矩或速度，从而改变末端与环境交互的力。现代伺服驱动器支持位置、速度、力矩多模式毫秒级切换，是实现高质量力控的基础执行层。

      期望运动/力
          |
          v
   +-------------------+
   |    控制器         |<---- (阻抗/导纳/混合算法)
   +-------------------+
          | (控制指令: 位置/速度/力矩)
          v
   +-------------------+
   |   机器人动力学     | (关节、连杆、电机)
   +-------------------+
          | (实际运动)
          v
   +-------------------+
   |   物理环境         |
   +-------------------+
          ^ (交互力)
          |
   +-------------------+
   |   力/扭矩传感器    | (测量 F_ext)
   +-------------------+
          | (力反馈信号)
          v
          +-----------> (反馈回控制器)

关键挑战

• 传感器噪声与刚度：六维传感器需兼具高刚度和高灵敏度，且输出信号易受电磁干扰、温度漂移影响，需设计有效滤波及解耦算法。
• 接触状态建模：真实工业环境中，工件形状、摩擦系数、接触刚度难以精确建模，无模型或智能控制策略（如自适应控制、强化学习）逐渐成为研究热点。
• 控制稳定性与响应速度：力控闭环的延迟和超调极易引起系统震荡，在保证稳定裕度的前提下提升带宽，是算法与硬件协同优化的核心问题。

4. 关键参数

力控系统的性能由传感器指标、控制带宽与柔顺调节范围共同决定。

注：以上指标范围综合自ATI Industrial Automation、Universal Robots、宇立仪器等官网产品规格及技术文档，具体因型号、串扰误差、安装附件刚度而异。

5. 技术路线

力控技术的实现路线可从传感器位置、控制架构及算法层面划分。

1) 基于末端六维力传感器 + 阻抗/导纳控制

• 方案：在机器人法兰与工具间串入六维力矩传感器，控制器实时读取接触力，通过阻抗或导纳算法生成运动补偿指令。
• 优势：通用性强，不影响机器人本体设计，适用于绝大多数6轴串联机器人。
• 局限：传感器本体成本较高（单只数千至数万元人民币），且受工具端惯量、线缆干扰影响；末端力传感对远离末端的力（如大臂碰撞）不敏感。

2) 基于关节力矩传感器 (Joint Torque Sensor, JTS) 的力控

• 方案：在每个旋转关节集成力矩传感器，直接测量关节输出扭矩，通过动力学模型转换为末端力控指令或直接实现关节阻抗控制。
• 代表产品：KUKA LBR iiwa、Franka Emika Panda、越疆CR系列等。
• 优势：全身触觉灵敏，可感知手臂上任一点的碰撞，本质安全，无需外置传感器即可实现拖拽示教。
• 局限：关节力矩传感器对加工精度、温度补偿要求极高；各关节误差累积，末端力精度可能不及直接末端六维传感器。

3) 无力传感器方案（基于扰动观测器/运动控制器）

• 方案：利用伺服驱动电流或动量观测器估算外力，不依赖专门力传感器。
• 优势：零硬件额外成本，适合轻量化低成本应用。
• 局限：摩擦力、减速器齿隙等非线性因素导致力矩估算精度较低，仅适用于粗略力保护或简单柔顺，无法执行精密力控任务。

4) 智能融合路线（力觉+视觉+AI）

• 方案：将力觉信息与2D/3D视觉、触觉阵列、甚至声音信号融合，借助深度学习模型进行接触状态辨识与决策控制。例如通过强化学习训练机器人自动寻孔、自适应打磨。
• 现状：仍处于实验室向产业过渡阶段，部分企业已实现在特定场景（如垃圾分拣、电缆插拔）中应用，但泛化性、实时性仍是瓶颈。

6. 上游

力控产业链上游为核心零部件与技术提供商。

力/扭矩传感器

• 应变式：最主流方案。通过测量弹性体在力作用下的微小形变转化为电信号。代表企业：ATI Industrial Automation（美国，2022年被Novanta以约3.19亿美元收购）、OnRobot（丹麦，推出集成视觉的力传感器）、宇立仪器（中国，已为多家协作机器人厂商批量供货）、坤维科技（中国，专注六维力传感器，2023年完成近亿元融资）、海伯森（中国，主打高精度六维力），Kistler（瑞士，压电式高端传感器）。
• 光学/磁弹性：抗电磁干扰能力强、寿命长。部分初创公司尝试，如加拿大的Validata、国内部分研究机构。2024年量产产品较少。

伺服驱动器与控制系统

• 高响应伺服驱动是力控的肌肉。国际品牌如科尔摩根、ELMO、Copley Controls提供支持力控模式的驱动器；国内汇川技术、禾川科技在通用伺服领域市占率提升，支持力矩控制的产品线不断丰富。机器人厂商如ABB、KUKA、发那科均自研力控专用伺服驱动单元。

控制软件与实时总线

• 实时操作系统（RT-Linux、VxWorks、QNX）及工业以太网协议（EtherCAT、ProfiNet）是实现低延迟力控的基石。机器人操作系统ROS2在提供力控算法框架的同时，对实时性支持持续加强，成为学术和小型厂商的主流软件基座。专业运动控制库如UR Polyscope、KUKA Sunrise.OS也已封装通用力控功能包。

上游市场特征：高端六维力传感器技术壁垒高，涉及应变片粘贴工艺、解耦算法、温度补偿等 know-how，全球市场仍由ATI、Kistler等主导，但国内宇立仪器、坤维科技等通过性价比与短交货期在中端市场加速渗透。据行业调研估算，2023年国内六维力传感器出货量中，外资品牌仍占约60%份额，但国产份额较2020年已提升逾15个百分点。（数据来源：公开交流及行业访谈综合判断）

7. 下游

力控技术主要渗透至以下几大应用领域：

工业自动化 精密装配是力控最典型且附加值最高的场景。例如，汽车发动机中的活塞、阀体、轴承装配，均需要机器人感知接触力并自适应调整路径，避免硬压损伤。同样，3C电子中手机中框研磨、笔记本电脑外壳去毛刺、接插件插拔等，力控已成为标准工艺。2022年，中国抛光打磨机器人市场规模据GGII统计约为56亿元，力控恒力补偿装置是其核心配置。

协作机器人 协作机器人因“人机安全”刚需，力控覆盖率几乎为100%。典型应用包括柔性搬运易碎品（如玻璃、鸡蛋）、手动引导拖动示教、碰撞检测紧急停机等。据IFR报告，2022年全球协作机器人安装量为55,200台，同比增长23%，其增长直接转化为力控方案（传感器+软件）的增量市场。

医疗与特种机器人 手术机器人需要极为精细的力反馈以避免组织损伤。直观外科的达芬奇手术系统、国内微创医疗的手术机器人均集成了力控。康复机器人在助力老年人行走或手臂康复时，通过力控实现“按需辅助”。空间机器人在轨装配、采样也依赖实时力反馈补偿微重力环境的动力学不确定性。

农业与服务业 农业采摘中，力控可依据水果软硬程度调节抓取力，避免损伤。家庭服务机器人（如扫地机器人越障、管家机器人扶握杯子）也逐步引入简易力控。目前该领域对传感器成本极敏感，以轻量化、低成本方案为主。

8. 受益公司

力控产业链的受益实体覆盖上游传感器、中游机器人本体及下游集成解决方案三个层面。

国际巨头

• 传感器与核心件：ATI Industrial Automation (被Novanta收购)、Kistler（瑞士）、OnRobot（丹麦）。
• 机器人本体：Universal Robots (UR，被泰瑞达收购)、ABB、FANUC、KUKA (美的集团子公司)、发那科、安川电机。这些企业在协作机器人及高端工业机器人中大量采用力控方案，属于力控技术最直接的载体与受益者。

国内领先企业（含上市公司）

• 传感器：宇立仪器（非上市，协作机器人力传感器核心供应商）、坤维科技（2023年融资）、海伯森（非上市，产品对标国际）、柯力传感（A股603662，从称重传感器向多维力扭矩传感器延伸，2023年已推出样机）。
• 机器人本体与集成：埃斯顿（A股002747，自产协作机器人及伺服系统，具备从核心部件到整机能力）、新松机器人（A股300024，布局力控装配工作站）、拓斯达（A股300607，聚焦工艺集成）、格力电器（自主研发六维力传感器及机器人）。节卡机器人、遨博智能、越疆科技等非上市协作机器人头部企业已实现力控标配，是需求端主要拉动方。
• 驱动器/控制：汇川技术（A股300124，伺服系统支持力矩模式，间接受益力控渗透提升）。

注：以上仅陈述相关产业关系，企业具体受益程度须结合其营收结构、研发进度及市场拓展情况审慎审视。所有信息源自公开年报及行业研究报告，不作为任何投资依据。

9. 市场规模

力控市场可拆分为力/扭矩传感器、力控集成方案（软件+硬件）两部分，且与协作机器人市场高度绑定。

• 力/扭矩传感器：据Market Research Future及Grand View Research综合测算，全球力传感器市场2023年估值约78亿美元（包含大量称重、压力传感器）。其中，与机器人直接相关的多维力/扭矩传感器规模约为9~13亿美元，并有望在2028年增长至22亿美元以上，年复合增长率约15%。（来源：综合多家第三方报告及厂商尽调，因统计口径差异，具体数值存偏差）
• 协作机器人市场：据IFR《2023世界机器人报告》，2022年全球协作机器人安装量55,200台，销售额约14亿美元，预计2025年销售额将突破30亿美元。按每台协作机器人平均配置一套力控方案（传感器+软件，保守价值量30005000美元）推算，2025年仅协作机器人端的力控方案市场空间即可达58亿美元。
• 中国市场：GGII数据显示，2022年中国协作机器人出货量约22,000台，同比增长约35%，对应力传感器市场规模约2.7亿元（含碰撞检测、六维力控传感器）。预计2025年将超过8亿元。若计入打磨、装配等应用所需的力控浮动头等执行部件，总体力控相关装备市场规模将更加可观。

市场潜力重要前提：① 六维力传感器国产化率持续提升带来的单价下行，推动向中低端自动化场景渗透；② 协作机器人向焊接、喷涂等新工艺延伸，创造新力控需求；③ 传统工业机器人“加装”力控改造成风潮。

10. 玩家对比

以下基于截至2024年一季度公开信息对力控传感器环节核心玩家进行对比。（注：市场份额由于大部分企业未单独披露该业务线营收，故仅给出定性描述）

机器人本体端力控能力对比（简化）

11. 风险

1) 技术壁垒与可靠性风险 力控系统依赖于复杂的建模、多层闭环耦合，在某环节参数失配或存在时延时极易振动失稳。尤其在连续高强度作业（24/7）中，传感器零点漂移、应变片疲劳可能引发安全与良率问题。部分国产传感器在长期稳定性上与百年传感器品牌仍有差距。

2) 成本下降不及预期 六维力/扭矩传感器售价长期维持高位（万元级别），如果制造工艺（如MEMS批量加工）无法实现突破，单价难以降至千元级，将制约其向面向中小企业的量大面广自动化场景普及。

3) 行业增速波动风险 力控高度关联协作机器人市场。如果制造业固定资产投资下滑，或协作机器人因其自身效率上限等原因在工业场景渗透遇阻（如无法满足高节拍要求），则力控需求将受拖累。2023年下半年中国协作机器人出货增速已有放缓迹象（据MIR DATABANK）。

4) 集成与人才缺失 力控不是“即插即用”式功能，针对不同工艺的参数整定严重依赖经验丰富的工程师。当前掌握力控应用调试的技术人员极度稀缺，阻碍终端用户对设备的快速消化吸收，可能造成隐性市场推广阻力。

5) 竞争加剧 六维力传感器领域涌入了大量创业公司，可能导致价格战和利润空间压缩。同时，头部机器人厂商倾向于纵向一体化，自身研发力传感器或力控模块，可能侵蚀外部传感器供应商的市场空间。

12. 误读纠偏

• 误读一：力控就是恒力控制。

  • 纠偏：恒力控制（如打磨中维持恒定压力）只是力控最基础的应用。高维力控（如阻抗控制、混合控制）能够实现可变的、动态的力交互行为，比如在装配中遇到卡阻自动退让、调整姿势再重试，或像人手一样根据物体软硬自动调节抓取力。力控的“柔顺”是可控的、智能的，而非死板保持不变。

• 误读二：有了力传感器就能实现力控。

  • 纠偏：力传感器仅是“触觉神经”，实现力控还需要“大脑”——精密的动力学模型、实时控制算法，以及“肌肉”——能执行力矩/速度指令的伺服驱动系统。把传感器接上机器人不意味着立刻能柔顺，现场往往需要数天至数周的参数整定和系统调试。

• 误读三：力控会完全取代位置控制。

  • 纠偏：绝大多数任务仍是力控与位置控制相结合。比如轴孔装配，贴近阶段用位置控制快速接近，接触后用导纳控制微调，到位后用位置锁定。力控是位置控制的扩展，不是替代。

• 误读四：力控只能用在协作机器人。

  • 纠偏：传统大型工业机器人同样可以加装六维力控系统实现恒力打磨、压装等工艺，其更高刚度的结构在某些场景下力控制精度甚至优于轻型协作臂。力控是一项机器人通用技术，协作机器人只因其安全性需求成为了最显性的应用载体。

13. 最新事件

• 2023年3月：宇立仪器宣布与某全球头部新能源汽车厂达成高精装配力控方案批量订单，标志着国产力传感器进入汽车核心制造产线。
• 2023年5月：柯力传感在投资者交流会中表示，公司六维力/扭矩传感器已完成试产，2024年开始小批量供货，主要目标市场为人形机器人和协作机器人。
• 2023年7月：ABB Robotics推出GoFa协作机器人系列新型号，强调其集成式力矩传感和增强的力控制能力，可用于更加精密的电子装配。
• 2023年11月：诺瓦因太（Novanta）将ATI整合至其精准运动板块后的首个完整年度财报显示，ATI业务受益于机器人和生命科学双重拉动，营收同比增长18%。
• 2024年1月：坤维科技完成B轮融资，金额近亿元人民币，资金将用于扩建六维力传感器产线，目标2024年产能提升至万台级。
• 2024年全球协作机器人市场增速调整：据高工机器人报道，2023年中国协作机器人出货量增速降至20%附近，较2022年有所收窄，引发市场对于力控上游短期景气度的关注。

14. 跟踪指标

要持续监测力控行业发展态势，可重点关注以下量化与质化指标。

• 协作机器人季度出货量与安装基数：来源IFR、GGII、MIR睿工业。力控需求与协作机器人量强相关，关注同环比增速及下游行业分布。
• 六维力/扭矩传感器价格走势：可跟踪主要国产品牌的电商及采购平台报价，价格跌破万元大关是渗透率加速拐点的信号。
• 重点传感器企业营收及资本动态：宇立仪器、坤维科技、海伯森等融资轮次与规模，以及柯力传感（603662）年报中“多维力/扭矩传感器”收入披露或产能进度。
• “类人”力控功能渗透率：能否在更多国产SCARA、小六轴机器人上配置力控拖动示教、碰撞检测功能，反映力控从“高端选配”向“中端标配”过渡的速度。
• 工艺集成生态：跟踪模具、打磨、装配等细分领域自动化集成商是否大规模发布基于力控的标准化工作站或工艺包。
• 政策与标准：与人机协作安全标准（如ISO/TS 15066）相关的更新，以及各省“机器换人”、智能工厂专项中是否明确鼓励力控技术推广。
• 国际头部企业动向：ATI、OnRobot业绩增长及新产品迭代，UR、ABB力控相关软件更新等，可作为技术成熟度风向标。

15. 信源

• 经典学术论文

  • N. Hogan, “Impedance Control: An Approach to Manipulation,” Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 1985.
  • M. H. Raibert and J. J. Craig, “Hybrid Position/Force Control of Manipulators,” ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 1981.
  • C. Ott et al., “On the Passivity-Based Impedance Control of Flexible Joint Robots,” IEEE Transactions on Robotics, 2008.

• 行业报告与数据机构

  • 国际机器人联合会(IFR), World Robotics Report (年度发布)。
  • 高工机器人产业研究所(GGII), 《中国协作机器人产业发展白皮书》《中国抛光打磨机器人市场研究报告》等。
  • 中国机器人产业联盟(CRIA)，年度行业运行数据。
  • MIR睿工业，中国工业机器人市场季度追踪数据。
  • Market Research Future, Grand View Research 等第三方全球力传感器市场报告。

• 企业公开信息

  • 各上市公司年报、投资者关系活动记录：柯力传感(603662)、埃斯顿(002747)、汇川技术(300124)、美的集团(含KUKA)、泰瑞达(含UR)、Novanta(含ATI)。
  • 宇立仪器、坤维科技、海伯森、OnRobot 等官网产品手册与技术白皮书。

• 技术社区与标准

  • ROS Discourse, Robotics Stack Exchange 力控讨论专区。
  • ISO/TS 15066:2016 协作机器人安全性技术规范。
  • UR Academy, ABB RobotStudio 等厂商培训资源。

声明：本文所有涉及公司、产品及市场数据的描述均基于前述公开信源，仅呈现事实与行业判断，不构成任何形式的投资、买卖建议或价格预测。