解锁未来：IMU“掌控”机器人“芯”方向

智能搬运、智能分拣、智能质检、螺丝拧紧、零件安装、过程材料操作等，多种复杂任务都能胜任——在位于北京的世界机器人大会现场，WalkerS系列人形机器人精彩亮相，吸引了众多观众驻足观看。

图源 @CaelynHER

精准识别到达装卸区的AGV小车，双手搬起最大负载15公斤的货箱，将其稳稳放置到物料架上……千里之外，“入职”宁波极氪5G智慧工厂3周的优必选人形机器人WalkerSLite前不久圆满完成了实训。

为满足日益增长的个性化需求，制造业正逐步从高度自动化向全面智能化转型。相较于人形机器人，工业机器人早已在汽车制造业广泛使用，并且向更多行业延伸。

可自动定位导航，自动规划喷浆作业路径，一键全自动喷浆作业， 井下喷浆速度大大提升……2024世界机器人博览会中信重工煤矿智能装备展区，体积小巧的喷浆机器人展示了高强本领。这些机器人之所以能够高效、精准地完成复杂任务，背后离不开高精度传感器和先进定位技术的支持，其中IMU（惯性测量单元）便是关键技术之一，为机器人的精准导航和动态控制提供了坚实的数据基础。

图1 资料来源 yole，Dytran传感器，格纳微科技，广州测恒电子，传感器专家网，华创证券整理

1   小器件大能力

IMU（InertialMeasurementUnit）惯性测量单元，是测量物体三轴姿态角（或角速率）及加速度的装置。IMU通常由两个及以上惯性测量MEMS芯片及ASIC芯片合封后具有完整功能的器件。根据内置传感器（三轴磁传感器、三轴加速度计和三轴陀螺仪）的不同，分为六轴和九轴IMU，能够满足不同应用场景下高精度测量的需求。最常见的六轴IMU 包含三个轴向的陀螺仪和三个轴向的加速度计，以测量物体在三维空间中的角速率和加速度。IMU 是惯性定位技术的核心设备，经过误差补偿和惯性导航解算，最终输出载体相对初始位置的坐标变化量、速度等导航信息。

加速度计MEMS加速度计是一种惯性传感器，通常由质量块、阻尼器、弹性元件、电容极板（适用于电容式加速度计）和ASIC芯片（专用集成电路芯片）等部分组成。根据测量维度的不同，加速度计分为单轴、二轴、三轴三种类型。相比单轴、二轴加速度计仅能检测平面的运动状态改变，三轴加速度计可以实现单一产品测量三维空间的加速度，从而满足微型化及更多领域的应用需求。根据感测原理，MEMS 加速度计可分为压阻式、电容式以及压电式等多种类型；电容式MEMS加速度计具有高灵敏度、高精度、低温度敏感的特点，在市场中占据主导地位。零偏稳定性、零偏重复性、线速度随机游走和标度因数精度是衡量加速度计性能的主要核心指标。

表1 IMU应用领域

陀螺仪是测量角速率的一种器件，是惯性系统的重要组成部分，主要用于导航定位、姿态感知、状态监测、平台稳定等应用领域。陀螺仪通过按时间对角速度进行积分可得到角度位置，以此可以用来检测设备的姿势变化。陀螺仪传感器有多种类型，用途也很丰富。根据俯仰角、横滚角、航向角的检测轴数，分为单轴、双轴或三轴传感器。

陀螺仪主要包括激光陀螺仪、光纤陀螺仪和MEMS陀螺仪，技术发展相对成熟。激光陀螺仪和光纤陀螺仪分别属于第一代光学陀螺仪和第二代光学陀螺仪。MEMS陀螺仪具备小型化、高集成、低成本的特点， 加之高性能MEMS 陀螺仪精度的不断提升，可解决光纤陀螺和激光陀螺由于体积较大、抗冲击能力弱的问题，满足高可靠、无人系统等领域智能化升级的要求，MEMS陀螺仪的增量市场进一步拓展。

图源 小米官网

IMU使用性能从低到高可分为消费级、工业级和军用级。消费级IMU 主要应用于日常电子设备，如智能手机、可穿戴设备等，其性能注重成本效益和轻便设计。工业级IMU 则更专注于工业自动化、机器人、车辆导航等领域，具有更高的精度和稳定性，以适应复杂和要求更为苛刻的环境。而军用级IMU 则是最高级别的，被广泛用于导弹、飞行器、战术导航系统等军事应用。

2   机器人市场成为IMU新红海

惯性导航系统的核心器件是陀螺仪和加速度计。通常情况下，每套惯性系统包含三轴陀螺仪和三轴加速度计，分别测量三个自由度的角速率和线加速度；通过对角速率和线加速度按时间积分以及叠加运算，可以动态确定自身位置变化，从而确定自身移动轨迹以实现导航功能。

惯性测量系统是利用陀螺仪、加速度计等惯性敏感元件和电子计算机测量载体相对于地面运动的角速率和加速度，以确定载体的位置和地球重力场参数的组合系统。

图2 2022年我国IMU市场竞争格局

资料来源：芯谋研究，华创证券

惯性稳控是通过连续监测系统姿态与位置变化，利用伺服机构动态调整系统姿态，使被稳定对象与设定目标保持相对稳定的装置。惯性稳控利用陀螺仪敏感框架的角速率信号，利用控制算法进行伺服结构的控制，保持在外部干扰情况下平台的稳定，提高平台设备工作的性能。

IMU有望集成在众多行业标杆人形机器人和机器狗中。特斯拉的Optimus、波士顿动力的Atlas、优必选的WalkerX、宇树的H1、小米的CyberOne 以及智元的远征A1等代表性人形机器人产品均有望采用IMU方案，以满足对高精度导航和稳控的需求。不仅如此，小米的机器狗CyberDog 也配置了IMU，有望打开更广泛的“机器人”应用前景。

例如，IMU在足式机器人控制中，通过实时捕捉机器人的姿态与加速度数据，为步态优化与精准运动控制奠定坚实基础，进而分析并提升步态稳定性与能量效率。同样，IMU在工业机器人领域，IMU保证高精度定位与运动控制能力，同时依托对机器人运动状态与环境变化的即时监测，实现安全监控与故障预警的双重保障。

在服务机器人自主导航方面，IMU 与GPS、视觉传感器等协同工作，不仅确保机器人在复杂环境中的自主移动与精确定位，还通过解析用户动作与姿态，深化人机交互体验，提供更为贴心的个性化服务。作为自主导航机器人的关键组件，IMU 作为姿态传感器，精确测量三轴姿态角与加速度，对机器人实时定位至关重要。四足机器人融合IMU、激光雷达等多源传感器信息，运用先进算法，实现了即时定位与地图构建的高效协同，甚至达到并发建图与定位的卓越能力。

国际大厂主导的市场格局待破

我国MEMS惯性传感器市场仍主要由国际大厂占据。2022 年我国加速度计市场前三大厂商分别为BOSCH、ST 和Murata， 分别占据了28%、18% 和12% 的市场份额。相比国际领先企业，本土企业仍处于跟随状态，市场占有率相对较低。随着本土加速度计的技术逐渐成熟，目前各大本土厂商正在持续发力追赶。本土企业中，士兰微和美新半导体份额最大，在所有厂商中占比为9% 和7%。其余前五大本土厂商为明皜传感、矽睿科技和敏芯股份。我国陀螺仪市场主要厂商和加速计类似，国际巨头Bosch、ST、TDK 和国内企业芯动联科、矽睿科技均有布局。

我国IMU市场相对集中，国产替代空间广阔。2022 年，我国IMU市场前五大厂商均为外资厂商，合计占据了93% 的市场份额，本土厂商市场份额比较小，面临市场竞争压力较大。2022 年我国IMU 市场最大本土厂商为矽睿科技，市场份额占比为2%；其余厂商占比均小于1%。

IMU的研发是一项跨微电子、机械、材料、化学、医学及能源科学等多学科的复杂任务，其高度交叉的学科特性要求具备综合型人才的深度参与，这构成了国产IMU发展的首要障碍。此外，IMU 的生产制造还直面技术难关，如提升芯片制造质量与封装效率，以及解决高精度检测难题，特别是在处理微小尺寸如30 微米金线的高度测量时，金线倾斜与焊接方向不一极大地考验了检测技术的精度与难度。同时，新产品的验证与测试环节亦不容忽视，国内市场的激烈竞争环境下，部分工业产品因急于上市而未能充分验证，这不仅加剧了生产风险，也提升了管理的复杂性。

市场竞争方面，IMU市场已趋稳定，国际品牌占据优势，国内企业面临着在国际与国内双重竞争。此外，标准与认证也是不可忽视的一环，国内企业需紧跟国际标准，提高产品的标准化与认证水平。

IMU作为一个重要的传感器应用领域，随着智能化、自动化等领域的不断拓展和应用，市场前景十分广阔。但是相比国际厂商，本土厂商可以利用在本地化服务、供应链整合等方面进行差异化竞争，未来国产替代空间广阔。

（本文来源于《EEPW》202410）