解鎖未來(lái)：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(guò)程材料操作等，多種復雜任務(wù)都能勝任——在位于北京的世界機器人大會(huì )現場(chǎng)，WalkerS系列人形機器人精彩亮相，吸引了眾多觀(guān)眾駐足觀(guān)看。

圖源 @CaelynHER

精準識別到達裝卸區的AGV小車(chē)，雙手搬起最大負載15公斤的貨箱，將其穩穩放置到物料架上……千里之外，“入職”寧波極氪5G智慧工廠(chǎng)3周的優(yōu)必選人形機器人WalkerSLite前不久圓滿(mǎn)完成了實(shí)訓。

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

可自動(dòng)定位導航，自動(dòng)規劃噴漿作業(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世界機器人博覽會(huì )中信重工煤礦智能裝備展區，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、精準地完成復雜任務(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（慣性測量單元）便是關(guān)鍵技術(shù)之一，為機器人的精準導航和動(dòng)態(tài)控制提供了堅實(shí)的數據基礎。

圖1 資料來(lái)源 yole，Dytran傳感器，格納微科技，廣州測恒電子，傳感器專(zhuān)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(gè)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。根據內置傳感器（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(mǎn)足不同應用場(chǎng)景下高精度測量的需求。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，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)的核心設備，經(jīng)過(guò)誤差補償和慣性導航解算，最終輸出載體相對初始位置的坐標變化量、速度等導航信息。

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(zhuān)用集成電路芯片）等部分組成。根據測量維度的不同，加速度計分為單軸、二軸、三軸三種類(lèi)型。相比單軸、二軸加速度計僅能檢測平面的運動(dòng)狀態(tài)改變，三軸加速度計可以實(shí)現單一產(chǎn)品測量三維空間的加速度，從而滿(mǎn)足微型化及更多領(lǐng)域的應用需求。根據感測原理，MEMS 加速度計可分為壓阻式、電容式以及壓電式等多種類(lèi)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(diǎn)，在市場(chǎng)中占據主導地位。零偏穩定性、零偏重復性、線(xiàn)速度隨機游走和標度因數精度是衡量加速度計性能的主要核心指標。

表1 IMU應用領(lǐng)域

陀螺儀是測量角速率的一種器件，是慣性系統的重要組成部分，主要用于導航定位、姿態(tài)感知、狀態(tài)監測、平臺穩定等應用領(lǐng)域。陀螺儀通過(guò)按時(shí)間對角速度進(jìn)行積分可得到角度位置，以此可以用來(lái)檢測設備的姿勢變化。陀螺儀傳感器有多種類(lèi)型，用途也很豐富。根據俯仰角、橫滾角、航向角的檢測軸數，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(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(mǎn)足高可靠、無(wú)人系統等領(lǐng)域智能化升級的要求，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級、工業(yè)級和軍用級。消費級IMU 主要應用于日常電子設備，如智能手機、可穿戴設備等，其性能注重成本效益和輕便設計。工業(yè)級IMU 則更專(zhuān)注于工業(yè)自動(dòng)化、機器人、車(chē)輛導航等領(lǐng)域，具有更高的精度和穩定性，以適應復雜和要求更為苛刻的環(huán)境。而軍用級IMU 則是最高級別的，被廣泛用于導彈、飛行器、戰術(shù)導航系統等軍事應用。

2   機器人市場(chǎng)成為IMU新紅海

慣性導航系統的核心器件是陀螺儀和加速度計。通常情況下，每套慣性系統包含三軸陀螺儀和三軸加速度計，分別測量三個(gè)自由度的角速率和線(xiàn)加速度；通過(guò)對角速率和線(xiàn)加速度按時(shí)間積分以及疊加運算，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)現導航功能。

慣性測量系統是利用陀螺儀、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(dòng)的角速率和加速度，以確定載體的位置和地球重力場(chǎng)參數的組合系統。

圖2 2022年我國IMU市場(chǎng)競爭格局

資料來(lái)源：芯謀研究，華創(chuàng )證券

慣性穩控是通過(guò)連續監測系統姿態(tài)與位置變化，利用伺服機構動(dòng)態(tài)調整系統姿態(tài)，使被穩定對象與設定目標保持相對穩定的裝置。慣性穩控利用陀螺儀敏感框架的角速率信號，利用控制算法進(jìn)行伺服結構的控制，保持在外部干擾情況下平臺的穩定，提高平臺設備工作的性能。

IMU有望集成在眾多行業(yè)標桿人形機器人和機器狗中。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 以及智元的遠征A1等代表性人形機器人產(chǎn)品均有望采用IMU方案，以滿(mǎn)足對高精度導航和穩控的需求。不僅如此，小米的機器狗CyberDog 也配置了IMU，有望打開(kāi)更廣泛的“機器人”應用前景。

例如，IMU在足式機器人控制中，通過(guò)實(shí)時(shí)捕捉機器人的姿態(tài)與加速度數據，為步態(tài)優(yōu)化與精準運動(dòng)控制奠定堅實(shí)基礎，進(jìn)而分析并提升步態(tài)穩定性與能量效率。同樣，IMU在工業(yè)機器人領(lǐng)域，IMU保證高精度定位與運動(dòng)控制能力，同時(shí)依托對機器人運動(dòng)狀態(tài)與環(huán)境變化的即時(shí)監測，實(shí)現安全監控與故障預警的雙重保障。

在服務(wù)機器人自主導航方面，IMU 與GPS、視覺(jué)傳感器等協(xié)同工作，不僅確保機器人在復雜環(huán)境中的自主移動(dòng)與精確定位，還通過(guò)解析用戶(hù)動(dòng)作與姿態(tài)，深化人機交互體驗，提供更為貼心的個(gè)性化服務(wù)。作為自主導航機器人的關(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(shí)時(shí)定位至關(guān)重要。四足機器人融合IMU、激光雷達等多源傳感器信息，運用先進(jìn)算法，實(shí)現了即時(shí)定位與地圖構建的高效協(xié)同，甚至達到并發(fā)建圖與定位的卓越能力。

國際大廠(chǎng)主導的市場(chǎng)格局待破

我國MEMS慣性傳感器市場(chǎng)仍主要由國際大廠(chǎng)占據。2022 年我國加速度計市場(chǎng)前三大廠(chǎng)商分別為BOSCH、ST 和Murata， 分別占據了28%、18% 和12% 的市場(chǎng)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(chǎng)占有率相對較低。隨著(zhù)本土加速度計的技術(shù)逐漸成熟，目前各大本土廠(chǎng)商正在持續發(fā)力追趕。本土企業(yè)中，士蘭微和美新半導體份額最大，在所有廠(chǎng)商中占比為9% 和7%。其余前五大本土廠(chǎng)商為明皜傳感、矽?？萍己兔粜竟煞?。我國陀螺儀市場(chǎng)主要廠(chǎng)商和加速計類(lèi)似，國際巨頭Bosch、ST、TDK 和國內企業(yè)芯動(dòng)聯(lián)科、矽?？萍季胁季?。

我國IMU市場(chǎng)相對集中，國產(chǎn)替代空間廣闊。2022 年，我國IMU市場(chǎng)前五大廠(chǎng)商均為外資廠(chǎng)商，合計占據了93% 的市場(chǎng)份額，本土廠(chǎng)商市場(chǎng)份額比較小，面臨市場(chǎng)競爭壓力較大。2022 年我國IMU 市場(chǎng)最大本土廠(chǎng)商為矽?？萍?，市場(chǎng)份額占比為2%；其余廠(chǎng)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)、醫學(xué)及能源科學(xué)等多學(xué)科的復雜任務(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(xiàn)的高度測量時(shí)，金線(xiàn)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(shí)，新產(chǎn)品的驗證與測試環(huán)節亦不容忽視，國內市場(chǎng)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，也提升了管理的復雜性。

市場(chǎng)競爭方面，IMU市場(chǎng)已趨穩定，國際品牌占據優(yōu)勢，國內企業(yè)面臨著(zhù)在國際與國內雙重競爭。此外，標準與認證也是不可忽視的一環(huán)，國內企業(yè)需緊跟國際標準，提高產(chǎn)品的標準化與認證水平。

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

（本文來(lái)源于《EEPW》202410）