行业周报：巨头纷纷入局人形机器人，传感器迎来发展机遇期

巨头纷纷入局人形机器人，传感器产业迎来发展机遇期 2023年8月9日，三星宣布将于10月份的三星技术日推出“半导体人形机器人”计划，该种机器人将具有嗅觉、味觉等人类感官功能。此外，2023年8月16日世界机器人大会将于北京召开，人形机器人行业催化不断，有望带动相关产业快速发展。传感器是实现人形机器人自动检测与自动控制的首要环节，可以分为内部传感器与外部传感器，内部传感器包括编码器、力/力矩传感器、惯性传感器等，外部传感器包括视觉传感器、味觉传感器、嗅觉传感器等。我们认为，随着科技巨头逐步入局人形机器人，传感器的品类、数量需求将实现双增长，编码器、力学传感器、惯性传感器等传感器产业有望获得快速发展机遇。 人形机器人持续推进，力传感器、编码器等持续受益 力传感器感知并度量力，在人形机器人关节上具有应用，编码器可测量旋转角度与速度，可通过伺服系统应用于人形机器人中。从竞争格局来看，高端编码器与多维力矩传感器由于技术壁垒较高，国内可量产的企业较少。惯性传感器可通过采集加速度和角速度等惯性信息推测人形机器人的实时位置和运动轨迹，从而实现定位导航并维持身体平衡。由于惯性传感器对芯片设计和晶圆制造要求较高，壁垒高，全球惯性传感器市场集中于海外企业，国内企业正加速技术升级与渗透。 人形机器人功能逐步增多，关注新型传感器机遇 科技巨头入局人形机器人，带动新型传感器产业发展，包括嗅觉传感器、味觉传感器等。嗅觉传感器借助敏感材料与气体分子进行物理、化学反应，引起电学性质发生变化，从而将气体的类别、浓度等信息转化为电信号并进行传输。从竞争格局看，国外企业如博世、德尔福等占据中高端气体传感器市场较大份额，国内企业如汉威科技等则不断加快国产替代步伐。味觉传感器是机器人“电子舌”的核心器件，其主要通过采用仿生膜材料，检测电势、电流等变化来判断味道类型，技术处于不断发展中。 受益标的 综合以上分析，建议重点关注力学传感器、编码器、IMU相关厂商。受益标的：奥普光电（国内光栅编码器领军者，市场扩容叠加国产替代打开成长空间）；昊志机电（高度稀缺的机床高端主轴、机器人关节模组供应商）；康斯特（高精度MEMS压力传感器打破海外垄断，量产在即，成长可期）；柯力传感（国内应变式力传感器龙头）；汉威科技（国内领先的气体传感器龙头企业、智能仪器仪表提供商）；敏芯股份（国内MEMS传感器龙头，布局惯性、压力、声学传感器）； 芯动联科（高性能MEMS惯性传感器龙头，产品包括MEMS陀螺仪和加速度计）。 风险提示：宏观经济复苏不及预期；国产化替代进程不及预期；市场竞争恶化风险。 1、巨头纷纷入局人形机器人，传感器产业迎来发展机遇期 巨头纷纷入局人形机器人，产业催化不断。根据CNMO新闻，2023年8月9日，三星宣布将于10月份的三星技术日推出“半导体人形机器人”计划，三星电子系统LSI部门总裁ParkYong-in预计将发表主题演讲，概述人形机器人进展和商业化战略。这是继特斯拉、谷歌、微软布局人形机器人领域后，又一科技巨头入局这一领域。 表1：2023年8月，人形机器人催化不断 人形机器人技术发展带动传感器品类逐步增多。三星的“半导体人形机器人”预计除了力控、速度、加速度等感知外，还将具有嗅觉、味觉等人类感官功能，人形机器人传感器种类进一步增多。 图1：2021年三星电子在中国申请气体传感器专利 图2：2015年三星电子申请了嗅觉传感装置专利 人形机器人技术进步与量产带动传感器数量快速增长。一方面，人形机器人功能逐步完善有望带动单机传感器数量逐步增多。另一方面，人形机器人量产后，销量提升也有望推动传感器总体需求规模提升。 人形机器人传感器可分为内部传感器与外部传感器： （1）外部传感器：主要用于感知外部环境，包括视觉传感器、触觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器、味觉传感器、接近度传感器等。 （2）内部传感器：主要用于感知机器人自身的状态，包括速度与加速度传感器、力觉传感器、电机扭矩传感器等。 图3：传感器是人形机器人实现检测和控制的首要环节 表2：机器人传感器可以分为外部传感器与内部传感器两类 综上所述，我们认为，随着人形机器人产业的推进，应用传感器的品类、数量将实现双增，编码器、力学传感器、惯性传感器等高端传感器将获得快速发展机遇。 2、人形机器人持续推进，力学传感器、编码器等持续受益 2.1、多维力矩传感器与编码器是人形机器人的核心传感器 特斯拉机器人全身共使用40个关节执行器（又称为关节模组）：关节执行器是模仿人体的关节而诞生，最早由美国科尔摩根公司发明，供应给协作机器人厂商，特斯拉机器人关节模组使用的数量和目前全球领先的人形机器人基本一致，可以在机器人运动过程中实现稳态控制。 表3：Optimus根据关节活动需求分别安装线性执行器和旋转执行器（单位：个） （1）旋转关节：采用高低速双编码器+力矩传感器。输出侧和电机侧各有一个编码器。输出侧编码器用于测量输出位置的变化，电机侧编码器用于计算得到输出轴的理论位置，与输出侧编码器的数据进行对比，得到外部受力大小，从而交付驱动器进行后续控制。 图4：特斯拉旋转关节采用双编码器+力矩传感器 图5：协作机器人关节模组中采用双编码器 （2）线性关节：采用无框电机+新型滚珠丝杠+力传感器+位置传感器（编码器）。 特斯拉机器人全身使用14个线性执行器（伺服电缸），在早期阶段，位置传感器占线性关节成本的2.2%。 （3）手部关节：由空心杯电机+螺纹丝杠+精密行星齿轮箱+编码器构成。特斯拉手部关节使用14个微型线性执行器（伺服电缸），内部通过高速运转的空心杯电机（小功率段体积最小、功率密度最高的电机）提供动力。 图6：灵巧手内的执行器是一个微型伺服电缸 2.2、力矩传感器感知并度量力，多维力传感器技术难度高 力矩传感器是感知并度量力的关键部件。力矩传感器又称为扭矩传感器，可对各种旋转或非旋转机械部件上的扭转力矩进行感知检测，能够将扭力的物理变化转换成电信号，具有精度高、频响快、可靠性好、寿命长等优点。 按照测量维度，力传感器可以分为一至六维力传感器。六维力传感器是目前维度最高、力觉信息反馈最为全面、难度最大的力觉传感器，最早应用于航空航天市场，后逐步应用于打磨、铣削、焊接及装配场景的工业机器人以及对传感性能要求更高的协作机器人。一台进口的六维传感器价格接近国内一台协作机器人的价格，考虑成本管控，我们认为特斯拉机器人在量产初期基本不会使用六维传感器，使用一维传感器可能较大。 多维力矩传感器技术壁垒高。多维力矩传感器相比于单轴力矩传感器技术壁垒较高，多维力传感器不仅要解决对所测力分量敏感的单调性和统一性难题外，也要解决因结构加工和工艺偏差引起的维间（轴间）扰乱难题、动静态标定难题以及矢量运算中的解耦算法和电路实现等难题。 图7：六维力矩传感器产品示意图 图8：六维力矩传感器结构图 预计2025年中国力矩传感器市场空间为282亿元。力矩传感器大量应用于高性能汽车领域，作为工业自动化领域的重要支柱，力矩传感器将会在未来的工业互联网、无人工厂和新型机器人产业中发挥重要作用。中研网数据显示，预计2025年国内力矩传感器市场规模能够达到282亿元。 图9：2025年中国力矩传感器市场规模预计达282亿元 单轴力矩传感器技术门槛不高，可生产的企业众多，六维力矩传感器技术门槛较高，可生产的供应商较少，包括宇立仪器、坤维科技、昊志机电等。根据昊志机电2022年年报，其具有六维力矩传感器生产能力。 2.3、高端编码器具备技术壁垒与制造壁垒，国产替代逐步加速 编码器是测量位移、角度的高精度传感器。编码器是集光、机、电、算技术于一体的高精度位移传感器，可将机械运动转换为电信号输出。 编码器基于莫尔条纹与光电转换原理工作，当电动机旋转时，光栅盘与电动机以相同速度旋转，光栅盘与固定光栅发生相对位移，产生莫尔条纹，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。 图10：编码器是测量位移、角度的高精度传感器 图11：编码器基于莫尔条纹与光电转换原理工作 编码器属于高精度测量仪器，具备很强的技术壁垒和制造壁垒。 （1）技术壁垒：集光、机、电技术一体，研发难度高，需要具备电子电路、信号处理等多方面技术实力，对人才要求高、研发投入较高。 （2）制造壁垒：对基础材料和工艺制造水平要求较高。 预计2028年国内编码器市场空间为7.4亿美元。编码器主要应用于电梯产业、机床、电动机、食品和包装等领域。尚普咨询数据显示，预计2028年，全球编码器市场达67亿美元，国内编码器市场规模达7.4亿美元，2022-2028年国内编码器市场规模CAGR为9.9%。 图12：2022-2028年国内编码器CAGR预计达9.9% 高精度编码器依然依赖进口，国产替代逐步推进。 国内光栅编码器厂商：包括怡信集团、广州诺信、桂林广陆、莱格光电等，上市公司中奥普光电、汇川技术、埃斯顿、昊志机电也已实现编码器的自研。目前，奥普光电下属的禹衡光学研发的高端光栅尺已进入小批量生产阶段，有望对海外高端产品实现替代。 表4：奥普光电是国内高精度光栅编码器领军企业 海外光栅编码器厂商：包括海德汉、雷尼绍、发格公司等，其中海德汉是该领域龙头公司，封闭式玻璃载体绝对式光栅尺80%以上由海德汉占据。海外编码器的主要生产企业还有多摩川。 外国企业在我国编码器市场占比较高。根据MIR统计，按销售额计算，2022年我国编码器42%的市场被多摩川、海德汉两家外资厂商占据，国内厂商禹衡光学市场占比8%，位列第三。 图13：外国企业在我国编码器市场占比较高 2.4、惯性传感器可感知机器人运动姿态，高性能产品壁垒高 惯性传感器（IMU）是将物体运动的加速度、位置和姿态转换为电信号的器件。 其中加速度计用来检测三个方向的加速度，陀螺仪用来检测三个方向的角速度，磁力计可以通过测量周围磁场提供方向信息。 图14：IMU可测量物体的三轴角速度和加速度等 惯性传感器上游为芯片、组件等，中游为惯性模组，下游则为主要应用领域。 其中低精度惯性传感器主要应用于消费电子，中端产品主要用于汽车ESP、ADAS和GPS导航系统中，超高精度产品则用于军工和航空航天领域。 图15：惯性传感器可广泛应用于无人驾驶、工业机器人等领域 惯性传感器作为机器人的位觉感受器，能够测量机器人的位置、运动及姿态信息。IMU可以与摄像头、力传感器等多传感器数据融合，其采集的加速度和角速度等惯性信息可推测人形机器人的实时位置和运动轨迹，从而实现定位导航，并维持机器人身体平衡。 表5：IMU方案可实现人形机器人位置感知和运动调整 高性能惯性传感器壁垒较高，国产替代逐步加速。MEMS惯性传感器对芯片设计和晶圆制造端要求较高，全球范围内MEMS惯性传感器主要集中于博世、意法半导体、TDK、ADI等外资企业，市场集中度较高。2022年，博世、意法半导体市场份额占比分别达23%、21.2%。国内企业如敏芯股份、芯动联科等公司MEMS惯性传感器技术体系相对先进，产品正在实现升级以及渗透。 图16：全球MEMS惯性传感器市场被国外企业控制 3、人形机器人功能逐步增多，关注新型传感器机遇 3.1、嗅觉传感器模拟人的嗅觉，国产替代空间广阔 机器人嗅觉技术是通过模拟人的嗅觉和呼吸系统（电子鼻），对空气中的化学物质进行快速检测，以识别气体的类型、浓度等信息，常见的传感器类型为气体传感器。 气体传感器的工作原理是借助敏感材料（氧化锌、氮化硅等）与气体分子进行物理、化学反应，引起电学性质（电阻、电流、电压、光吸收等）发生变化，从而将气体的类别、浓度等信息转化为电信号并进行传输。 图17：基于超声波技术研发 O2 传感器可检测浓度和流量 图18：基于红外技术研发的 CO2 传感器可检测 CO2 浓度 按照技术原理，气体传感器可分为半导体气体传感器、催化燃烧气体传感器、电化学气体传感