人形机器人零部件专题报告：力传感器-机器人高精度力控方案核心部件

人形机器人零部件专题报告 力传感器——机器人高精度力控方案核心部件 2023年08月06日 力传感器是机器人感知环境，提供反馈信息，从事精细化作业，人机交互，真正“拟人化”的关键。多维力传感器技术壁垒高，是机械设计、算法、计量、电子融合的交叉学科，要实现高精度的数据采集和多轴同步校准。多维传感器通常安装于机器人末端执行器和机械臂之间，用于检测机器人与环境之间的多维交互力/力矩，是机械臂实现力控制的关键部件。六轴力/六维力传感器是精度最高、抗干扰能力最强的传感器类型，该工具可以沿6个轴（3个平移+3个旋转）进行控制，可应用于医疗（涉及人机交互的手术机器人、康复机器人和智能假肢等）、汽车（被动安全测试碰撞假人、零部件耐久测试、主动安全测试）、人形机器人、工业机器人领域。六维力传感器价值量高，国内厂商六维力传感器相比于海外更具性价比，部分厂商产品已经进入头部客户供应链。国外厂商例如美国ATI、德国HBM等公司力传感器产品价格较高，美国ATI型号为MINI45六维力/力矩传感器价格约7.5万元/套，国内海伯森等厂家六维力传感器的价格具备一定的价格优势。国内厂商部分技术指标已达海外领先水平，例如宇立的产品已经进入KUKA、ABB等龙头客户供应链。根据智研瞻产业研究院，2022年我国应变式传感器市场规模为30.57亿元，较上年同比增长15.8%。六维力传感器在整体市场占比依然较小，主要应用于协作机器人领域，但潜力巨大，市场高速增长，根据高工机器人产业研究所（GGII）数据显示，2022年中国市场六维力/力矩传感器销量4840套，同比增长62.58%。GGII预计，2023年中国市场六维力/力矩传感器销量有望突破6700套，同比增速40%左右。多维力传感器应变片依赖于进口，成本较高，应变片国产化和自动化产线是降本两大方向。当前六维力传感器的加工依然以小批量、人工贴片焊接为主，自动化水平较低。力传感器的核心部件是弹性体和应变片，弹性体机加工成本和应变片在六维力传感器成本中占比较高。目前六维力传感器使用的应变片依赖于进口，且价格显著高于国内应变片，主要系进口应变片的灵敏度、使用寿命优于国内应变片，而六维力传感器根据设计结构的不同可能需要20个以上的应变片，使得六维力传感器的成本较高，因此，应变片单价下降（国产化方案或者量采降价）是六维传感器降本的潜在路径之一。重点关注：柯力传感（国内应变式传感器龙头，在传统称重系统集成市场中具备优势，多维力传感器在研，量产经验丰富）；中航电测（国内应变片龙头，称重传感器领域龙头之一）；汉宇集团（投资同川科技及海伯森，海伯森是国内具备六维力传感器生产能力的公司之一）；瀚川智能（投资参股坤维科技）。 风险提示：成本下降不及预期的风险；技术无法突破的风险。 重点公司盈利预测、估值与评级 股价EPS（元）PE（倍） 代码简称 （元）2022A2023E2024E2022A2023E2024E 603662.SH柯力传感28.390.921.221.50312319300114.SZ中航电测49.230.330.500.63865745300403.SZ汉宇集团8.170.340.400.44847165688022.SH瀚川智能33.340.681.392.09422014资料来源：Wind，民生证券研究院;（注：股价为2023年8月4日收盘价；表中个股为未覆盖标的，盈利预测采用wind一致预期） 推荐 维持评级 分析师李哲执业证书：S0100521110006电话：13681805643邮箱：lizhe_yj@mszq.com分析师罗松执业证书：S0100521110010电话：18502129343邮箱：luosong@mszq.com相关研究1.一周解一惑系列：矿山机械需求强劲，国内厂商积极拓展海外市场-2023/07/312.一周解一惑系列：苹果荣耀入局3D打印，有望启动产业新引擎-2023/07/233.一周解一惑系列：人形机器人——视觉与IMU传感器的再讨论-2023/07/164.一周解一惑系列：核电阀门需求空间几何？-2023/07/095.一周解一惑系列：半导体封装测试设备及市场空间梳理-2023/07/02 目录 1多维力传感器设计涉及多学科交叉，技术壁垒高3 1.1力传感器可分为一维传感器和多维传感器3 1.2弹性体和应变片是力传感器的核心零部件7 1.3多维力传感器的技术壁垒更高，高精度、抗干扰能力强12 2力传感器市场空间巨大，新兴应用开拓市场19 2.1力传感器需求不断增长，以称重传感器需求为主19 2.2力传感器相比于电流环传感方案精度更高21 2.3人形机器人等新技术有望带来六维力传感器需求提升23 3竞争格局：国内产品更具性价比，替代潜力巨大27 3.1多维力传感器单价高，国内产品更具性价比27 3.2国内外主要力传感器供应商28 4相关上市标的31 4.1柯力传感：国内应变式力传感器龙头，多维传感器在研31 4.2中航电测：国内应变片龙头，自动化产线升级31 4.3汉宇集团：投资同川科技及海伯森，布局人形机器人32 4.4瀚川智能：投资坤维科技，完善传感器布局33 5风险提示34 插图目录35 表格目录35 1多维力传感器设计涉及多学科交叉，技术壁垒高 1.1力传感器可分为一维传感器和多维传感器 1.1.1传感器的分类 根据感力原件的不同，传感器主要分为三类：应变式力传感器、光学式传感器以及压电式力传感器。 传感元件类型原理及特点代表企业 表1：不同类型六维力/力矩传感器原理、特点及代表企业 应变片式 光学式 通过光纤、光栅反映形变，再转化成力 OnRobot 通常采用的是硅应变片或金属箔，本质是材料本身发生形变进而转化为阻值变化 ATI、宇立仪器、坤维科技、鑫精诚传感器、海伯森、神源生智能、Sintokogio、BotaSystemsAG、SCHUNK、ME-MeßsystemeGmbH、埃力智能 压电/电容式 电容是通过极距的变化导致电压变化，压电则是通过形变改变电荷。 Robotiq、Robotous、WACOH-TECH、Kistler 资料来源：高工机器人产业研究所（GGII），民生证券研究院 应变式力传感器，采用的是硅应变片或金属箔，本质是材料本身发生形变进而转化为阻值变化； 光学式传感器则是通过光栅反映形变，再转化成力； 压电式传感器是将被测物理量变化转换成压电材料因受机械力产生静电电荷或电压变化的传感器，可分为电容和压电两种，电容是通过极距的变化导致电压变化，压电则是通过形变改变电荷。 图1：传感器分类 资料来源：《电阻应变式力传感器》，民生证券研究院 经过稳定性、刚度、动态特性、成本与信噪比五个维度的比较可知，硅应变传感器和金属箔传感器之间，硅应变片在稳定性、信噪比以及动态特性方面要更优，两者刚度上相差不多，但成本上金属箔要优于硅应变片；电容传感器和压电传感器之间，电容传感器成本最优，其他几项弱于压电传感器；光学传感器在动态特性方便明显具有优势。 图2：不同传感器性能对比 资料来源：《电阻应变式力传感器》，民生证券研究院 应变力传感器：电阻应变式传感器的灵敏元件主要是应变片，他是一种用来测量物体应变的测试工具。大多数通用力传感器内部都有应变片。应变片作为电导体牢固地附着在基片上。当基底被拉伸时，应变片将会变长。反之被压缩时，应变片将会缩短。结果是导致应变片电阻产生变化。这就是应变测量原理，通过应变电阻产生变换来确定应变大小。为了生产力传感器，除了应变片外还需要一个弹性体-例如采用不锈钢等。应变片将牢固地黏贴在弹性体上，二者一起发生形变，因此应变片将产生和弹性体一样的变形，这将导致电阻产生变化。惠斯通电桥输出信号将提供这些变形信息。这样就可以计算出作用在应变片上的力的大小。这就是力传感器的工作原理。 图3：力传感器工作原理示意图 资料来源：HBK官网，民生证券研究院 力传感器是机械、电子、算法、计量融合的复杂交叉学科，技术壁垒较高。多维力传感器能够实现更精细的工作需求，在机械加工，如磨削，去毛刺，打磨和抛光中，让机器人来完成这些工作曾经是非常复杂的，需要根据空间体积进行大量的编程，而且也需要花费大量时间来进行纠错。但是集成了多维力觉传感器后，利用传感器的路径记录功能，操作员可以简单地抓住臂端装置并进行预期的移动。传感器记录操作员施加的力和方向，然后机器人就可以重复操作员的动作。这将极大地提高工作效率，同时将有助于保障操作工人的安全。 图4：多维力传感器的技术壁垒 资料来源：蓝点触控、民生证券研究院绘制 1.1.2力传感器的生产工艺 力传感器的重要部件包含弹性体和应变片，弹性体制造质量直接影响到传感器的测试性能指标，因此，弹性体的制造是力传感器生产的重要环节。力传感器的生产流程主要包含弹性体加工及后处理工艺。 图5：力传感器生产流程示意图 资料来源：柯力传感招股说明书，民生证券研究院 弹性体设计与制造：指弹性体钢杯的结构设计与机械加工，去应力热处理。此环节将确定弹性体膜片基本参数，基本决定了溅射薄膜式压力传感器的输入一输出关系。弹性体建模与计算过程非常重要，将在下一节重点阐述。 研磨与抛光：对合格的弹性体钢杯进行研磨、抛光，使表面达到光洁度要求，然后再作进一步的减薄处理。 打磨、划线：打掉弹性体上加工产生纹路及电镀层，活化金属表面，改善贴片区表面的微观凸凹不平。划线目的为对应变计的粘贴位置进行定位，作为贴片时的基准线。 贴片：将敏感元件粘贴在弹性元件上，通过金属机械变形改变阻值，获得电信号的改变（△R→△U）从而得到一个应变量。 固化、老化：将贴片后的弹性体放入一定的温度环境中，将贴片胶烘干，使应变计与弹性体紧密粘合。老化是通过人为升温降温来消除应变计、胶水的残余应力，以达稳定的目的。 组桥走线：连接敏感元件（应变计），组成惠斯通电桥，将电信号有效地输入输出。 零点补偿、零点温度补偿：平衡桥臂电阻温度系数，使其输出满足特定要求。焊线：通过导线连接，介入外部的输入、输出。 初测：测出传感器满量程的灵敏度，并进行补偿达到一个统一的标准值，以满足多个产品互换灵敏度的一致性及便于组秤使用时角度调整。 封胶、焊封：通过传感器贴片孔、补偿孔的密封，隔离外界，形成独立的内部气候环境。 重测：检测产品各项特性或指示是否符合或满足国际的要求或企业的内部控制指标（非线性、重复误差、滞后误差、蠕变、灵敏度、零点等）。 在应变式传感器工作过程中，一般由弹性体首先把被测定的重量变换成易于转换成电量的应变量，然后配合应变计及测量电路，把应变量转换成电量，即把输 入的重量转换成为输出的电量，所以弹性体在称重传感器中起着重要的作用，其制造质量好坏直接影响到传感器的测试性能指标。 弹性体在加工中会产出各种加工应力，其加工应力的积蓄与大小会影响到传感器的测试性能指标。因此在加工中应注意采用少应力加工工艺方法，尽量避免加工应力积蓄或减少加工应力。 在贴片、组桥、补偿、调试、封胶这几个环节上要控制环境温度、湿度、洁净度和流程节拍。可靠性、稳定性是本产品最重要的性能，一个极小的缺陷就可能导致产品的失效，因此要对每一个环节加强检验，才能提供给用户优质的产品。 一般而言，力传感器厂商外购加工好的弹性体及应变片，因此，主要需要完成焊接加工这一环节的工艺，目前六维力传感器等多维传感器依然以人工显微镜下的手动贴片为主，低端的一维传感器等，部分企业积极探索自动化生产。 1.2弹性体和应变片是力传感器的核心零部件 应变片和弹性体是力传感器的主要结构组成和成本组成部分。电阻应变片主要分为以下几类，箔式电阻片是最主要的应变片： 1)丝绕式：用电阻丝盘绕电阻片称为丝绕式电阻片，目前广泛使用的有半圆弯头平绕式，这种电阻片多用纸底和纸盖，价格低廉，适于实验室广泛使用，缺点是精度较差，横向效应系数较大。 2)短接式：这种电阻片的制作比较容易，在一排拉直的电阻丝之间，在预定的标距上用较粗的导线相间地造成短路