机器人系列报告八：力传感器专题：智能时代感知系统核心元件

研究背景：近年来以人形机器人为代表的新兴应用场景逐步出现，随着对力控要求的增强，机器人用力传感器、高精度压力传感器的需求日益提升。本文我们概述了力传感器的工作原理，并围绕高壁垒品类——六维力传感器，详细阐述其技术壁垒、应用场景及降本空间；同时，通过对比海外龙头制造商发展路径，深入了解六维力传感器国产替代过程中的潜在挑战和机遇，并筛选出具备投资价值的优质国产制造企业。 力传感器是把力/力矩的量值转换为电信号的零部件。分类方式：①测量原理：可分为应变式、压电式、电容式、光学式等，其中应变式最为常见；②测力维数：可分为1-6维力传感器，其中以一维、三维、六维力传感器最为常见；③输出方式：可分为模拟传感器、数字传感器；④力的种类：可分为压力传感器，称重传感器，力矩传感器等。 2022年中国力传感器市场规模约671亿元，2022-2025年CAGR预计达19.07%。力传感器下游应用广泛，包括汽车电子、通信电子、消费电子、专用设备等。根据前瞻产业研究院数据，2022年我国传感器市场规模达3532亿，2025年传感器市场规模有望增长至5952亿，CAGR达19.07%。其中，力传感器市场规模约671亿元，占比19%。此外物联网用称重传感器，人形机器人用力传感器等新兴领域亦日渐兴起。 六维力传感器：技术壁垒高，核心难点在于结构/算法解耦、标定检测、材料配方等。 (1)机器人用六维：下游主要为协作机器人，人形机器人有待放量。六维力传感器可应用于汽车测试、航空航天等领域，搭载六维力传感器的协作机器人目前应用于工业打磨、力控装配、拖动示教、医疗健康等场景，未来人形机器人在手腕、脚腕处有望搭载六维力传感器以释放广泛需求。 (2)准度：六维力传感器的核心指标。影响六维力传感器测量精度的因素包括：串扰、滞后、线性、蠕变等，准度综合考量了所有因素，衡量了测定值与实际值的差异，是六维力传感器的核心指标。国内大多数产品准度可达到1-5%，国内外顶尖企业可达到0.5%甚至更高水平。 (3)高精度六维力核心技术：结构解耦、算法解耦与六维联合加载设备。①结构解耦：通过设计六维力传感器的结构降低维间耦合；②算法解耦：建立电信号与待测力、力矩间的正确映射。③六维联合加载设备：经过标定和检测以确定模型参数的非标设备。使用一维加载设备标定的六维力传感器准度约为5%，尚不能满足部分精密力控场景需求。为将准度提高至0.5%，必须通过六维联合加载设备标定和检测。该设备为非标设备，主要依靠自主研发，依赖长时间的工程经验。 (4)弹性体材料配方：影响零漂、温漂等重要精度指标。弹性体一般由合金构成，其中各个元素的配比对弹形体的温度敏感性和稳定性有较大影响。 人形机器人放量推动下，六维力传感器市场规模有望达百亿级别。特斯拉Optimus预期单价2万美元，目前六维力传感器单价约2万元，假设在手腕、脚腕处共使用4个，其价值量占比较高。随着MEMS技术的应用和下游需求放量、六维力传感成本有望快速下降。据测算，人形机器人年产10/50/100万台将为六维力传感器带来20/80/100亿的市场规模增量，增长空间广阔。 2022年传感器国产化率40%，六维力传感器国产替代有望加速。中国传感器研制起步较晚，技术积累与世界领先水平存在一定差距，当前国产化率约40%。国内六维力传感器企业包括坤维科技、宇立仪器、鑫精诚、蓝点触控等；海外企业包括ATI、SCHUNK、Robotiq、OnRobot等。根据高工机器人统计，2022年国内协作机器人六维力传感器国产化率近80%，销量TOP1为国内龙头坤维科技，市占率超50%。目前，六维力传感器国产化难点主要在于技术壁垒和品牌壁垒，借助国内企业成本优势，有望加速推动国产化。 投资建议：从行业层面来看，国家政策推动叠加价格优势，力传感器国产替代势在必行。传统应用替代空间充分，人形机器人放量进一步拉动需求增长。我们认为六维力传感器技术壁垒高，新玩家进场难度大。目前有相关技术背景、掌握标定设备研制技术的玩家更有利于打造自身先发优势，加速国产替代节奏。 建议关注： 【 柯力传感 】：深耕应变式传感器领域，国内市场占有率达25%，进军工业称重物联网，布局起点高。 【汉威科技】：传感器产品谱系丰富，子公司能斯达自主研发柔性压力传感器，提供机器触觉方案，已与小米等厂商深度合作。 【坤维科技】：航天科研院所技术积淀，自主研发六维联合加载标定设备，六维力传感器准度国内领先，国内市场销量领先。 【宇立仪器】：主营多维力传感器，汽车假人碰撞领域领先品牌，与国际龙头机器人企业广泛合作。 风险提示：宏观经济周期性波动风险、新兴应用产业化进度不及预期、市场竞争加剧影响行业盈利水平、应变片原材料价格波动风险、国产替代进度不及预期、测算/假设不及预期。 1.力传感器：机器人控制感知层的核心零部件 传感器是把其他信息转换为电信号的零部件，力传感器即把力/力矩的量值转换为电信号的零部件。传感器通常由敏感元件和转换元件组成，能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。2019年实施的推荐性的国家标准GB/T 36378.1-2018《传感器分类与代码第1部分：物理量传感器》中，基于测量的物理量对传感器做出了细致的分类。其中，力学量传感器包括：压力传感器、重力传感器、应力传感器、力矩传感器、位置传感器、速度传感器、加速度传感器等。本文中的力传感器指测量各类力/力矩，把力和力矩的量值转换为电信号的零部件。 力传感器上游材料供应充足，下游应用领域广泛。从产业链上游来看，根据测量原理的不同，力传感器上游为半导体材料、金属材料、有机材料等。目前上游材料的供应商竞争充分，市场供应充足。从产业链下游来看，力传感器是众多机械和电子设备不可或缺的感知元件，其产业链下游应用广泛，包括汽车电子、通信电子、消费电子、专用设备等多种领域。 图1.力传感器产业链概况 1.1.分类方式：按测量原理、测力维数、输出方式、力的种类等分类 力传感器分类方式众多，可根据以下方式分类：①测量原理：可分为应变式、压电式、电容式、光学式等；②测力维数：可分为1-6维力传感器，其中以一维、三维、六维力传感器最为常见；③输出方式：可分为模拟传感器和数字传感器；○4力的种类：可分为压力传感器，称重传感器，力矩传感器等。○3 （1）根据测量原理： 根据测量时利用的不同物理原理，力传感器可分为应变式、压电式、电容式、光学式。 应变式：将力转化为电阻变化。应变式力传感器的核心零件是电阻应变片，一般由金属或硅制成，可将力产生的应变转换为电阻变化，即应变效应。应变式力传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当待测力作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起敏感元件的阻值变化，通过转换电路将其转变成电信号输出，据此推算力的大小。利用相似的原理，除力/力矩以外，应变式传感器还可以测量加速度、位移等物理量。应变式力传感器具有精度高、技术成熟、测量范围广、频响特性好等特点，是当前使用最为广泛的力传感器。 压电式：将力转化为电荷变化。压电式力传感器的核心零件是压电材料，如石英、压电陶瓷等。压电材料在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。通过电路将其转变为电信号输出，据此推算力的大小。压电式力传感器具有动态响应好、精确性好、分辨率高、结构紧凑、尺寸小、刚度强等特点。 电容式：将力转化为电容变化。电容式力传感器的核心零件是电容器。电容式力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号，据此推算力的大小。电容式力传感器具有高灵敏度和高分辨率、频率范围宽，结构简单、环境适用性强等特点。 光学式：将力转化为光强变化。光学式力传感器的核心零件是光纤。光学式力传感器由弹性体和光纤构成。当待测力作用在弹性体上时，弹性体形变使得光纤发生弯曲，导致经过光纤的光强发生变化。用光传感器检测这一信号，据此推算出力的大小。光学式力传感器具有可靠性高、测量范围广、动态响应好。 表1：力传感器按测量原理分类 图2.各原理力传感器性能对比 （2）根据测力维数： 根据测力的维数，力传感器可以分为一维到六维传感器。从主流的力传感器的测量维度来看，一维、三维、六维力传感器是较常见的产品，二、五维力传感器较少见。 一维力传感器：测定一个方向的力。如果待测力的方向能完全与标定坐标轴重合，那么用一维力传感器就能完成测量任务；如待测力与标定坐标轴成一定夹角，或作用点不在标定参考点，则会产生测量偏差。常见的压力传感器、称重传感器都属于一维力传感器。 三维力传感器：测定三个正交方向的力。如果待测力的方向变化，但力的作用点保持不变，与传感器的标定参考点重合，那么用三维力传感器就能完成测量任务。三维力传感器将给出待测力在x,y,z轴的三个分量Fx,Fy,Fz。如果待测力的作用点不在标定参考点，则会产生测量偏差。 六维力传感器：测量三个正交方向的力和三个正交方向的力矩。即使待测力的方向任意变化，作用点不在标定参考点，六维力传感器也能完成测量任务。六维力传感器将给出待测力在x,y,z轴的三个分量Fx, Fy,Fz，和待测力矩的三个分量Mx, My,Mz。 表2：力传感器按测力维数分类 (3)根据输出方式： 根据输出方式的不同，可分为模拟传感器和数字传感器。 模拟传感器：将被测量的力信号转换为模拟信号输出。模拟信号是连续的变化信号，可以通过模拟电路进行处理和控制。模拟传感器的优点:1）传输距离远：模拟信号具有连续变化的特点，可以在传输距离较远的情况下仍保持信号稳定；2）成本低：不需要数字转换器等电路，因此成本较低；3）功耗低：模拟传感器不需要进行数字转换，因此功耗较低。模拟传感器的缺点：1）精度低：模拟传感器中存在放大、滤波等环节，容易受到环境干扰等因素的影响；2）抗干扰能力差：模拟信号容易受到环境干扰的影响；3）不易集成：输出的是模拟信号，需要通过模拟电路进行处理和控制，因此不易与其他电子元器件集成。模拟传感器广泛应用于电子测量、环境监测、机器人等领域。 数字传感器:将被测量的力信号直接转换为数字信号输出。数字信号是一系列由0和1组成的二进制数码，可以通过微处理器或单片机进行处理和控制。数字传感器的优点:1）精度高：直接将模拟信号转换为数字信号，避免了模拟电路中存在的放大、滤波等环节带来的误差；2）抗干扰能力强：输出的数字信号可以通过软件算法进行处理和控制，具有良好的抗干扰能力；3）易于集成：直接与微处理器或单片机相连，实现数字化处理，可方便地与其他电子元器件集成在一起。数字传感器的缺点：1）价格较高：需要包含数字转换器等电路，造价较高；2）功耗较大：需要通过数字转换器将模拟信号转换为数字信号，功耗较大。 数字传感器广泛应用于工业自动化、医疗设备、汽车电子等领域。 表3：力传感器按输出方式分类 (4)根据力的种类： 根据所测力的种类，力传感器可分为压力传感器、称重传感器、力矩传感器等。 压力传感器：用于测量压力，包括气体、液体的压力。根据不同压力类型，压力传感器可进一步细分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。压力传感器是一种极为常用的传感器，广泛应用于工业自动化、智能机器人、汽车、医疗、家用电器等行业。采用柔性材料制成的柔性压力传感器可用于机器人仿生电子皮肤，为机器人提供触觉感知解决方案。 称重传感器：用于测量物体所受重力。称重传感器可广泛应用各领域，包括：1.工业自动化:对物料进行称重和计量,确保生产过程的精确控制；2.汽车工业：帮助检测车辆的重量变化，从而调整车厢、发动机、制动系统等的性能，确保汽车的安全和稳定。3.物流领域：用于对货物的称量和统计，从而有助于掌握物流信息，提高运输效率和控制运营成本;4.建筑工程：用于测量物料的重量，为建筑设计提供支持等。 力矩传感器