解鎖未來(lái)：IMU“掌控”機(jī)器人“芯”方向

智能搬運(yùn)、智能分揀、智能質(zhì)檢、螺絲擰緊、零件安裝、過(guò)程材料操作等，多種復(fù)雜任務(wù)都能勝任——在位于北京的世界機(jī)器人大會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，WalkerS系列人形機(jī)器人精彩亮相，吸引了眾多觀眾駐足觀看。

圖源 @CaelynHER

精準(zhǔn)識(shí)別到達(dá)裝卸區(qū)的AGV小車，雙手搬起最大負(fù)載15公斤的貨箱，將其穩(wěn)穩(wěn)放置到物料架上……千里之外，“入職”寧波極氪5G智慧工廠3周的優(yōu)必選人形機(jī)器人WalkerSLite前不久圓滿完成了實(shí)訓(xùn)。

為滿足日益增長(zhǎng)的個(gè)性化需求，制造業(yè)正逐步從高度自動(dòng)化向全面智能化轉(zhuǎn)型。相較于人形機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人早已在汽車制造業(yè)廣泛使用，并且向更多行業(yè)延伸。

可自動(dòng)定位導(dǎo)航，自動(dòng)規(guī)劃噴漿作業(yè)路徑，一鍵全自動(dòng)噴漿作業(yè)， 井下噴漿速度大大提升……2024世界機(jī)器人博覽會(huì)中信重工煤礦智能裝備展區(qū)，體積小巧的噴漿機(jī)器人展示了高強(qiáng)本領(lǐng)。這些機(jī)器人之所以能夠高效、精準(zhǔn)地完成復(fù)雜任務(wù)，背后離不開(kāi)高精度傳感器和先進(jìn)定位技術(shù)的支持，其中IMU（慣性測(cè)量單元）便是關(guān)鍵技術(shù)之一，為機(jī)器人的精準(zhǔn)導(dǎo)航和動(dòng)態(tài)控制提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1 資料來(lái)源 yole，Dytran傳感器，格納微科技，廣州測(cè)恒電子，傳感器專家網(wǎng)，華創(chuàng)證券整理

1   小器件大能力

IMU（InertialMeasurementUnit）慣性測(cè)量單元，是測(cè)量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）及加速度的裝置。IMU通常由兩個(gè)及以上慣性測(cè)量MEMS芯片及ASIC芯片合封后具有完整功能的器件。根據(jù)內(nèi)置傳感器（三軸磁傳感器、三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀）的不同，分為六軸和九軸IMU，能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下高精度測(cè)量的需求。最常見(jiàn)的六軸IMU 包含三個(gè)軸向的陀螺儀和三個(gè)軸向的加速度計(jì)，以測(cè)量物體在三維空間中的角速率和加速度。IMU 是慣性定位技術(shù)的核心設(shè)備，經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償和慣性導(dǎo)航解算，最終輸出載體相對(duì)初始位置的坐標(biāo)變化量、速度等導(dǎo)航信息。

加速度計(jì)MEMS加速度計(jì)是一種慣性傳感器，通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、電容極板（適用于電容式加速度計(jì)）和ASIC芯片（專用集成電路芯片）等部分組成。根據(jù)測(cè)量維度的不同，加速度計(jì)分為單軸、二軸、三軸三種類型。相比單軸、二軸加速度計(jì)僅能檢測(cè)平面的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，三軸加速度計(jì)可以實(shí)現(xiàn)單一產(chǎn)品測(cè)量三維空間的加速度，從而滿足微型化及更多領(lǐng)域的應(yīng)用需求。根據(jù)感測(cè)原理，MEMS 加速度計(jì)可分為壓阻式、電容式以及壓電式等多種類型；電容式MEMS加速度計(jì)具有高靈敏度、高精度、低溫度敏感的特點(diǎn)，在市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。零偏穩(wěn)定性、零偏重復(fù)性、線速度隨機(jī)游走和標(biāo)度因數(shù)精度是衡量加速度計(jì)性能的主要核心指標(biāo)。

表1 IMU應(yīng)用領(lǐng)域

陀螺儀是測(cè)量角速率的一種器件，是慣性系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于導(dǎo)航定位、姿態(tài)感知、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、平臺(tái)穩(wěn)定等應(yīng)用領(lǐng)域。陀螺儀通過(guò)按時(shí)間對(duì)角速度進(jìn)行積分可得到角度位置，以此可以用來(lái)檢測(cè)設(shè)備的姿勢(shì)變化。陀螺儀傳感器有多種類型，用途也很豐富。根據(jù)俯仰角、橫滾角、航向角的檢測(cè)軸數(shù)，分為單軸、雙軸或三軸傳感器。

陀螺儀主要包括激光陀螺儀、光纖陀螺儀和MEMS陀螺儀，技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟。激光陀螺儀和光纖陀螺儀分別屬于第一代光學(xué)陀螺儀和第二代光學(xué)陀螺儀。MEMS陀螺儀具備小型化、高集成、低成本的特點(diǎn)， 加之高性能MEMS 陀螺儀精度的不斷提升，可解決光纖陀螺和激光陀螺由于體積較大、抗沖擊能力弱的問(wèn)題，滿足高可靠、無(wú)人系統(tǒng)等領(lǐng)域智能化升級(jí)的要求，MEMS陀螺儀的增量市場(chǎng)進(jìn)一步拓展。

圖源 小米官網(wǎng)

IMU使用性能從低到高可分為消費(fèi)級(jí)、工業(yè)級(jí)和軍用級(jí)。消費(fèi)級(jí)IMU 主要應(yīng)用于日常電子設(shè)備，如智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備等，其性能注重成本效益和輕便設(shè)計(jì)。工業(yè)級(jí)IMU 則更專注于工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、車輛導(dǎo)航等領(lǐng)域，具有更高的精度和穩(wěn)定性，以適應(yīng)復(fù)雜和要求更為苛刻的環(huán)境。而軍用級(jí)IMU 則是最高級(jí)別的，被廣泛用于導(dǎo)彈、飛行器、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)等軍事應(yīng)用。

2   機(jī)器人市場(chǎng)成為IMU新紅海

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心器件是陀螺儀和加速度計(jì)。通常情況下，每套慣性系統(tǒng)包含三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)，分別測(cè)量三個(gè)自由度的角速率和線加速度；通過(guò)對(duì)角速率和線加速度按時(shí)間積分以及疊加運(yùn)算，可以動(dòng)態(tài)確定自身位置變化，從而確定自身移動(dòng)軌跡以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能。

慣性測(cè)量系統(tǒng)是利用陀螺儀、加速度計(jì)等慣性敏感元件和電子計(jì)算機(jī)測(cè)量載體相對(duì)于地面運(yùn)動(dòng)的角速率和加速度，以確定載體的位置和地球重力場(chǎng)參數(shù)的組合系統(tǒng)。

圖2 2022年我國(guó)IMU市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局

資料來(lái)源：芯謀研究，華創(chuàng)證券

慣性穩(wěn)控是通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)姿態(tài)與位置變化，利用伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)姿態(tài)，使被穩(wěn)定對(duì)象與設(shè)定目標(biāo)保持相對(duì)穩(wěn)定的裝置。慣性穩(wěn)控利用陀螺儀敏感框架的角速率信號(hào)，利用控制算法進(jìn)行伺服結(jié)構(gòu)的控制，保持在外部干擾情況下平臺(tái)的穩(wěn)定，提高平臺(tái)設(shè)備工作的性能。

IMU有望集成在眾多行業(yè)標(biāo)桿人形機(jī)器人和機(jī)器狗中。特斯拉的Optimus、波士頓動(dòng)力的Atlas、優(yōu)必選的WalkerX、宇樹(shù)的H1、小米的CyberOne 以及智元的遠(yuǎn)征A1等代表性人形機(jī)器人產(chǎn)品均有望采用IMU方案，以滿足對(duì)高精度導(dǎo)航和穩(wěn)控的需求。不僅如此，小米的機(jī)器狗CyberDog 也配置了IMU，有望打開(kāi)更廣泛的“機(jī)器人”應(yīng)用前景。

例如，IMU在足式機(jī)器人控制中，通過(guò)實(shí)時(shí)捕捉機(jī)器人的姿態(tài)與加速度數(shù)據(jù)，為步態(tài)優(yōu)化與精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，進(jìn)而分析并提升步態(tài)穩(wěn)定性與能量效率。同樣，IMU在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，IMU保證高精度定位與運(yùn)動(dòng)控制能力，同時(shí)依托對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境變化的即時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控與故障預(yù)警的雙重保障。

在服務(wù)機(jī)器人自主導(dǎo)航方面，IMU 與GPS、視覺(jué)傳感器等協(xié)同工作，不僅確保機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的自主移動(dòng)與精確定位，還通過(guò)解析用戶動(dòng)作與姿態(tài)，深化人機(jī)交互體驗(yàn)，提供更為貼心的個(gè)性化服務(wù)。作為自主導(dǎo)航機(jī)器人的關(guān)鍵組件，IMU 作為姿態(tài)傳感器，精確測(cè)量三軸姿態(tài)角與加速度，對(duì)機(jī)器人實(shí)時(shí)定位至關(guān)重要。四足機(jī)器人融合IMU、激光雷達(dá)等多源傳感器信息，運(yùn)用先進(jìn)算法，實(shí)現(xiàn)了即時(shí)定位與地圖構(gòu)建的高效協(xié)同，甚至達(dá)到并發(fā)建圖與定位的卓越能力。

國(guó)際大廠主導(dǎo)的市場(chǎng)格局待破

我國(guó)MEMS慣性傳感器市場(chǎng)仍主要由國(guó)際大廠占據(jù)。2022 年我國(guó)加速度計(jì)市場(chǎng)前三大廠商分別為BOSCH、ST 和Murata， 分別占據(jù)了28%、18% 和12% 的市場(chǎng)份額。相比國(guó)際領(lǐng)先企業(yè)，本土企業(yè)仍處于跟隨狀態(tài)，市場(chǎng)占有率相對(duì)較低。隨著本土加速度計(jì)的技術(shù)逐漸成熟，目前各大本土廠商正在持續(xù)發(fā)力追趕。本土企業(yè)中，士蘭微和美新半導(dǎo)體份額最大，在所有廠商中占比為9% 和7%。其余前五大本土廠商為明皜傳感、矽睿科技和敏芯股份。我國(guó)陀螺儀市場(chǎng)主要廠商和加速計(jì)類似，國(guó)際巨頭Bosch、ST、TDK 和國(guó)內(nèi)企業(yè)芯動(dòng)聯(lián)科、矽?？萍季胁季?。

我國(guó)IMU市場(chǎng)相對(duì)集中，國(guó)產(chǎn)替代空間廣闊。2022 年，我國(guó)IMU市場(chǎng)前五大廠商均為外資廠商，合計(jì)占據(jù)了93% 的市場(chǎng)份額，本土廠商市場(chǎng)份額比較小，面臨市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力較大。2022 年我國(guó)IMU 市場(chǎng)最大本土廠商為矽?？萍?，市場(chǎng)份額占比為2%；其余廠商占比均小于1%。

IMU的研發(fā)是一項(xiàng)跨微電子、機(jī)械、材料、化學(xué)、醫(yī)學(xué)及能源科學(xué)等多學(xué)科的復(fù)雜任務(wù)，其高度交叉的學(xué)科特性要求具備綜合型人才的深度參與，這構(gòu)成了國(guó)產(chǎn)IMU發(fā)展的首要障礙。此外，IMU 的生產(chǎn)制造還直面技術(shù)難關(guān)，如提升芯片制造質(zhì)量與封裝效率，以及解決高精度檢測(cè)難題，特別是在處理微小尺寸如30 微米金線的高度測(cè)量時(shí)，金線傾斜與焊接方向不一極大地考驗(yàn)了檢測(cè)技術(shù)的精度與難度。同時(shí)，新產(chǎn)品的驗(yàn)證與測(cè)試環(huán)節(jié)亦不容忽視，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，部分工業(yè)產(chǎn)品因急于上市而未能充分驗(yàn)證，這不僅加劇了生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，也提升了管理的復(fù)雜性。

市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)方面，IMU市場(chǎng)已趨穩(wěn)定，國(guó)際品牌占據(jù)優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)企業(yè)面臨著在國(guó)際與國(guó)內(nèi)雙重競(jìng)爭(zhēng)。此外，標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證也是不可忽視的一環(huán)，國(guó)內(nèi)企業(yè)需緊跟國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，提高產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化與認(rèn)證水平。

IMU作為一個(gè)重要的傳感器應(yīng)用領(lǐng)域，隨著智能化、自動(dòng)化等領(lǐng)域的不斷拓展和應(yīng)用，市場(chǎng)前景十分廣闊。但是相比國(guó)際廠商，本土廠商可以利用在本地化服務(wù)、供應(yīng)鏈整合等方面進(jìn)行差異化競(jìng)爭(zhēng)，未來(lái)國(guó)產(chǎn)替代空間廣闊。

（本文來(lái)源于《EEPW》202410）