解鎖未來：IMU“掌控”機器人“芯”方向

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

圖源 @CaelynHER

精準(zhǔn)識別到達(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)必選人形機器人WalkerSLite前不久圓滿完成了實訓(xùn)。

為滿足日益增長的個性化需求，制造業(yè)正逐步從高度自動化向全面智能化轉(zhuǎn)型。相較于人形機器人，工業(yè)機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。

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

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

1   小器件大能力

IMU（InertialMeasurementUnit）慣性測量單元，是測量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）及加速度的裝置。IMU通常由兩個及以上慣性測量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)用場景下高精度測量的需求。最常見的六軸IMU 包含三個軸向的陀螺儀和三個軸向的加速度計，以測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)過誤差補償和慣性導(dǎo)航解算，最終輸出載體相對初始位置的坐標(biāo)變化量、速度等導(dǎo)航信息。

加速度計MEMS加速度計是一種慣性傳感器，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）和ASIC芯片（專用集成電路芯片）等部分組成。根據(jù)測量維度的不同，加速度計分為單軸、二軸、三軸三種類型。相比單軸、二軸加速度計僅能檢測平面的運動狀態(tài)改變，三軸加速度計可以實現(xiàn)單一產(chǎn)品測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)感測原理，MEMS 加速度計可分為壓阻式、電容式以及壓電式等多種類型；電容式MEMS加速度計具有高靈敏度、高精度、低溫度敏感的特點，在市場中占據(jù)主導(dǎo)地位。零偏穩(wěn)定性、零偏重復(fù)性、線速度隨機游走和標(biāo)度因數(shù)精度是衡量加速度計性能的主要核心指標(biāo)。

表1 IMU應(yīng)用領(lǐng)域

陀螺儀是測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、平臺穩(wěn)定等應(yīng)用領(lǐng)域。陀螺儀通過按時間對角速度進(jìn)行積分可得到角度位置，以此可以用來檢測設(shè)備的姿勢變化。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， 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、抗沖擊能力弱的問題，滿足高可靠、無人系統(tǒng)等領(lǐng)域智能化升級的要求，MEMS陀螺儀的增量市場進(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級、工業(yè)級和軍用級。消費級IMU 主要應(yīng)用于日常電子設(shè)備，如智能手機、可穿戴設(shè)備等，其性能注重成本效益和輕便設(shè)計。工業(yè)級IMU 則更專注于工業(yè)自動化、機器人、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IMU 則是最高級別的，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   機器人市場成為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。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，分別測量三個自由度的角速率和線加速度；通過對角速率和線加速度按時間積分以及疊加運算，可以動態(tài)確定自身位置變化，從而確定自身移動軌跡以實現(xiàn)導(dǎo)航功能。

慣性測量系統(tǒng)是利用陀螺儀、加速度計等慣性敏感元件和電子計算機測量載體相對于地面運動的角速率和加速度，以確定載體的位置和地球重力場參數(shù)的組合系統(tǒng)。

圖2 2022年我國IMU市場競爭格局

資料來源：芯謀研究，華創(chuàng)證券

慣性穩(wěn)控是通過連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)姿態(tài)與位置變化，利用伺服機構(gòu)動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)姿態(tài)，使被穩(wěn)定對象與設(shè)定目標(biāo)保持相對穩(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，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的穩(wěn)定，提高平臺設(shè)備工作的性能。

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

例如，IMU在足式機器人控制中，通過實時捕捉機器人的姿態(tài)與加速度數(shù)據(jù)，為步態(tài)優(yōu)化與精準(zhǔn)運動控制奠定堅實基礎(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)機器人領(lǐng)域，IMU保證高精度定位與運動控制能力，同時依托對機器人運動狀態(tài)與環(huán)境變化的即時監(jiān)測，實現(xiàn)安全監(jiān)控與故障預(yù)警的雙重保障。

在服務(wù)機器人自主導(dǎo)航方面，IMU 與GPS、視覺傳感器等協(xié)同工作，不僅確保機器人在復(fù)雜環(huán)境中的自主移動與精確定位，還通過解析用戶動作與姿態(tài)，深化人機交互體驗，提供更為貼心的個性化服務(wù)。作為自主導(dǎo)航機器人的關(guān)鍵組件，IMU 作為姿態(tài)傳感器，精確測量三軸姿態(tài)角與加速度，對機器人實時定位至關(guān)重要。四足機器人融合IMU、激光雷達(dá)等多源傳感器信息，運用先進(jìn)算法，實現(xiàn)了即時定位與地圖構(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。

國際大廠主導(dǎo)的市場格局待破

我國MEMS慣性傳感器市場仍主要由國際大廠占據(jù)。2022 年我國加速度計市場前三大廠商分別為BOSCH、ST 和Murata， 分別占據(jù)了28%、18% 和12% 的市場份額。相比國際領(lǐng)先企業(yè)，本土企業(yè)仍處于跟隨狀態(tài)，市場占有率相對較低。隨著本土加速度計的技術(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?？萍己兔粜竟煞?。我國陀螺儀市場主要廠商和加速計類似，國際巨頭Bosch、ST、TDK 和國內(nèi)企業(yè)芯動聯(lián)科、矽?？萍季胁季?。

我國IMU市場相對集中，國產(chǎn)替代空間廣闊。2022 年，我國IMU市場前五大廠商均為外資廠商，合計占據(jù)了93% 的市場份額，本土廠商市場份額比較小，面臨市場競爭壓力較大。2022 年我國IMU 市場最大本土廠商為矽?？萍迹袌龇蓊~占比為2%；其余廠商占比均小于1%。

IMU的研發(fā)是一項跨微電子、機械、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難題，特別是在處理微小尺寸如30 微米金線的高度測量時，金線傾斜與焊接方向不一極大地考驗了檢測技術(shù)的精度與難度。同時，新產(chǎn)品的驗證與測試環(huán)節(jié)亦不容忽視，國內(nèi)市場的激烈競爭環(huán)境下，部分工業(yè)產(chǎn)品因急于上市而未能充分驗證，這不僅加劇了生產(chǎn)風(fēng)險，也提升了管理的復(fù)雜性。

市場競爭方面，IMU市場已趨穩(wěn)定，國際品牌占據(jù)優(yōu)勢，國內(nèi)企業(yè)面臨著在國際與國內(nèi)雙重競爭。此外，標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證也是不可忽視的一環(huán)，國內(nèi)企業(yè)需緊跟國際標(biāo)準(zhǔn)，提高產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化與認(rèn)證水平。

IMU作為一個重要的傳感器應(yīng)用領(lǐng)域，隨著智能化、自動化等領(lǐng)域的不斷拓展和應(yīng)用，市場前景十分廣闊。但是相比國際廠商，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)行差異化競爭，未來國產(chǎn)替代空間廣闊。

（本文來源于《EEPW》202410）