“人形机器人的Optimus时刻”系列（四）：力学感知：星辰已现，蓝海可期

力/力矩传感器：感知并度量力/力矩信号。力/力矩传感器将力/力矩信号转化为电信号，主要由力敏元件、转换元件和电路三部分组成。力传感器分类标准众多，根据测量维度可分为一维至六维传感器；根据转化元件可分为电阻应变式、光学式、压电式和电容式传感器；根据使用场景又可分为力传感器可分为压力、称重（衡器）和力矩传感器。从产业链角度来看，力传感器上游为原材料，中游主要包括制造与封装工序，下游为广泛的应用场景；新兴市场如智能汽车、人形机器人的产业化加速，推动力传感器需求的持续扩张。 六维力传感器下游应用广泛，精度需求带来高技术壁垒。六维力传感器提供最高维度的力觉信息，由上台、下台、测力梁和应变计构成。凭借其全方位感知、灵敏度、精确度高、反馈实时的性能优势，六维力传感器广泛应用于汽车制造、医疗、航空航天和机器人等高精尖领域。六维力传感器的测量准确度由串扰、精度、准度等性能决定，技术壁垒高，核心难点在于结构/算法解耦、标定检测和材料配方。 力传感器市场进入高速增长期，市场扩容加速国产替代。据markets and markets预测，全球力传感器市场到2024年将达到23亿美元，中国市场在全球中占据了重要地位。我国六维力传感器目前仍为小众市场，尚未形成明显规模效应，2022年总销量仅为4840套，随着国内布局厂商如柯力传感、坤维科技、宇立仪器、鑫精诚等的持续增加，叠加下游细分市场认知的逐年提升，六维力传感器有望进入高速成长期，期间将伴随技术路线的多样化、产品矩阵的完善、下游客户对本土品牌认可度的增加、产品成本的下降以及国产化率的提升。 一维力/力矩方案仍为性价比首选，六维力方案期待远期降本。根据特斯拉Optimus的解决方案，单BOT需要28个力/力矩传感器；结合定价，单BOT的力/力矩传感器价值量约为84000元。考虑到若Optimus量产后的规模效应，我们测算，当Optimus出货量分别为10、50、100万台时，单维力/力矩传感器市场规模分别达到60、210、300亿元。六维力传感器价格昂贵，目前售价为10000元左右，在仅考虑Optimus的腕部、踝部和肘关节采用此方案的基础上，单BOT价值量已达到60000元。我们认为，只有当六维力传感器方案降本效果显著，才更具性价比，依此测算在Optimus出货量分别为10、50、100万台时，六维力传感器市场规模分别达到36、135、150亿元。 本土企业百家争鸣，奋楫笃行。（1）柯力传感：力学传感市占率多年全国第一，通过“内生+外延”，加速向传感器平台型公司迈进。公司自研的多维力传感器已处于小批量试制阶段，可应用于机器手臂运动等高精尖场景。（2）东华测试：深耕结构力学性能测试分析系统三十载，自主研发、设计和生产的产品包含传感器、测控系统硬件和分析与控制软件平台。（3）坤维科技：从事各类型力觉传感器研发及应用力觉测量一站式解决方案。（4）鑫精诚：传感器和力控系统解决方案制造商，打造自动化领域品牌。（5）宇立仪器：全球先进的六轴力传感器和智能力控打磨厂商。 行业投资评级与投资建议。力传感器应用空间广阔，六维力传感器技术壁垒高筑，人形机器人等新兴产业驱动力传感器市场高速增长。国内厂商有望通过多年产业、技术积累和高性价比，加速导入核心客户，实现国产替代。给予力传感器行业“推荐”评级。重点推荐柯力传感，建议重点关注东华测试。 风险提示：人形机器人进展不及预期；国内厂商产品开发进度、核心客户导入不及预期；原材料价格上涨增加成本风险；市场竞争加剧等。 重点公司盈利预测、估值及投资评级 投资主题 报告亮点 本报告围绕力传感器行业发展及趋势进行分析。力传感器将力/力矩信号转化为电信号，主要由力敏元件、转换元件和电路三部分组成。力传感器分类标准众多，根据测量维度可分为一维至六维传感器；根据转化元件可分为电阻应变式、光学式、压电式和电容式传感器；根据使用场景又可分为力传感器可分为压力、称重（衡器）和力矩传感器。力传感器上游材料供应商充足，下游领域所涉范围广泛。六维力传感器提供最高维度的力觉信息，应用于高精尖领域。六维力传感器的测量准确度由串扰、精度、准度等性能决定，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。六维力传感器下游应用涉猎多行业，广泛应用于汽车制造业、医疗手术和康复领域、航空航天系统、多关节机器人和协作机器人和人形机器人领域。 投资逻辑 本报告围绕力传感器及力传感器市场展开，第一章分析力传感器为工业感知核心部件，将其根据测量维度、转化元件、使用场景进行分类，认为其产业链发展成熟。第二章介绍六维力传感器提供最高维度的力觉信息，结构复杂，具有较高的技术壁垒，介绍其核心性能参数并分析下游应用领域广阔，行业涉猎广泛。第三章从市场规模入手，分析力传感器市场持续增长、我国市场六维力/力矩传感器应用层持续扩容，测算人形机器人带给力传感器的市场增量，国产优势助力国产替代。第四章提出力传感器领域重点关注公司。（1）柯力传感：力学传感市占率多年全国第一，加速向传感器平台型公司迈进； （2）东华测试：深耕结构力学性能测试分析系统三十载，软硬件独立自主研发；（3）坤维科技：从事各类型力觉传感器研发及应用力觉测量一站式解决方案；（4）鑫精诚：传感器和力控系统解决方案制造商，打造自动化领域品牌；（5）宇立仪器：全球先进的六轴力传感器和智能力控打磨厂商。 一、力/力矩传感器：感知并度量力/力矩信号 （一）力/力矩传感器为工业感知的核心部件 力/力矩传感器将力/力矩信号转化为电信号。传感器是指能感受规定的被测量并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置。力传感器是将力的大小转换成相关电信号的元件。力传感器主要由力敏元件、转换元件和电路三部分组成，可以检测张力、压力、重量、扭矩、应变和内应力等机械量，已成为动力设备、工程机械、各种工作机械、工业自动化系统不可或缺的核心部件。 图表1传感器系统示意图 （二）力传感器可依据测量维度、转化元件、使用场景进行分类 力传感器分类标准众多，根据测量维度可分为一维至六维传感器；根据转化元件可分为电阻应变式、光学式、压电式和电容式传感器；根据使用场景又可分为力传感器可分为压力、称重（衡器）和力矩传感器。 根据测量维度，力传感器可分为一维至六维传感器。一维力传感器测量一个方向的力，力的方向和作用点固定并与一维力传感器的标定坐标轴一致，可对力进行精确测量；三维力传感器测定三个正交方向的力，力的方向随机变化，但力的作用点保持不变并与传感器的标定参考点重合；六维力传感器可在指定的直角坐标系内同时精确测量Fx、Fy、Fz三个方向的力信息和Mx、My、Mz三个方向的力矩信息，力的方向和作用点都在三维空间内随机变化。 图表2一维、三维、六维力传感器作用示意图 根据转化元件，力传感器主要包括电阻应变式、光学式、压电式和电容式传感器。电阻应变式传感器测量原理是将应变片粘贴在弹性体上，作用在弹性体上的外载荷使应变片随之形变，应变片的电阻阻值随载荷大小线性变化，并通过测量系统测量这一信号变化并输出对应力值；光学式传感器的核心零件是光纤，基于光纤传感技术，将被测量转换为光学参数的变化量从而进行测量；压电式传感器是一类基于石英、压电陶瓷和压电薄膜等晶体材料的压电效应测量力信号的传感器；电容式传感器主要利用外力引起电容形变，导致其电容量产生变化来测量力值。 图表3力传感器常见原理 图表4力传感器按转化元件分类 根据使用场景，力传感器可分为压力传感器、称重传感器（衡器）和力矩传感器。压力传感器用于测量液体与气体的压强，是压力检测仪表的重要组成部分；称重传感器（衡器）将作用在被测物体上的重力按一定比例转换成可计量的输出信号；力矩传感器分为动态和静态两大类，对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测。 图表5力传感器根据使用场景分类 （三）力传感器产业链加速发展，赋能各行各业 力传感器上游材料供应商充足，下游领域所涉范围广泛。根据测量原理不同，力传感器产业链上游为半导体材料、陶瓷材料、有机材料、金属材料等；中游主要包括力传感器的制造与封装工序；产业链下游应用广泛，包括汽车电子、通信电子、消费电子、工业电子等多种领域，其中汽车电子、消费电子、工业制造为传感器的主要下游应用，新型市场如物联网、人形机器人的崛起也推动需求的持续扩张。 图表6力传感器产业链 二、六维力传感器下游应用广泛，精度需求带来高技术壁垒 （一）六维力传感器提供最高维度的力觉信息，结构多样复杂 六维力传感器提供最高维度的力觉信息，应用于高精尖领域。六维力传感器提供三轴力和三轴力矩反馈，是维度最高的力觉传感器，能给出最为全面的力觉信息，目前主要应用于检测、预防、控制、示教、测量和保护场景。随着机器人的发展进入智能机器人阶段，智能机器人的“触觉”、“力觉”和“听觉”主要通过其配备的传感器得以实现。其中，六维力传感器作为测量机器人末端操作器和外部环境相互接触或抓取工件时所承受力和力矩的传感器，为机器人的力控制和运动控制提供了力感信息，从而对完成一些复杂、精细的作业，实现机器人智能化起着重要作用。六维力传感器有较大的技术难度和使用难度，已被工信部纳入重点发展的核心零部件范畴。 图表7六维力传感器发展历史 六维力传感器结构符合性能要求，耦合方式多样。六维力传感器一般分成上台（或内圈）、下台（或外圈）、测力梁和应变计。当上台（或内圈）和下台（或外圈）有相对受力时，测力梁产生与外力大小成比例的应变，应变计将该应变转换成电信号输出。中性坐标系一般位于传感器的几何中心。其耦合方式包括矩阵解耦型和结构解耦型，矩阵解耦型六轴力传感器有6到12个通道输出，各路输出相互耦合；结构解耦型六轴力传感器只有6个通道输出，各路输出相互独立。 图表8六维力传感器内部结构图 图表9全球六维力传感器龙头ATI产品线布局 六维力传感器主要分为应变片式、光学式以及压电/电容式。根据传感元件的不同，六维力传感器主要分为应变片式、光学式以及压电/电容式。目前，市场应用的六维力传感器大部分是基于应变式的测量，基于压电、电容和光学等原理测量的传感器有一定的理论研究和实验，下游尚未得到广泛应用。随着相关研究的不断深入，不同测量机理的传感器将会发挥自身优势被应用到各种场合，进而推动六维力传感器向多元化方向发展。 图表10不同原理六维力/力矩传感器比较 图表11不同六维力传感器原理、特点及代表企业 （二）六维力传感器应用场景多元，助力制造性能提升 六维力传感器广泛应用于汽车制造业，提升效率、安全性和可靠性。在汽车制造中，六维力传感器可以用于测试引擎、变速器、转向装置等各种零部件的性能，六维力传感器被广泛地用在汽车安全设备测试、高速碰撞测试、性能测试、车身刚度测试和车辆动力学测试中。它们在确定新车和部件设计的完整性和最优化方面都能发挥重要作用，同时还有助于保证效率、安全性和正确的功能。在智能汽车发展和新能源汽车的需求拉动下，六维力传感器应用领域广阔。 图表12六维力传感器在汽车领域的应用 六维力传感器运用于医疗手术和康复领域，助力医学领域发展。手术机器人的力感知可作为力反馈的依据以提升手术的安全性。根据临床场景的不同，手术机器人主要分为腔镜机器人、骨科机器人，穿刺机器人、经自然胶道机器人、泛血管机器人等五类机器人。 目前，协作机械臂+六维力传感器的组合已广泛应用于血管介入手术机器人、外科手术机器人、医疗检测机器人及远程提控机器人等，中国手术机器人行业处于早期发展阶段，增长潜力较大。GGII预计，未来3-5年，骨科机器人和泛血管手术机器人将占手术机器人市场的20%以上。随着技术的不断进步和应用的深入，六维力传感器在医疗领域的应用前景将会更加广阔，六维力传感器产品将逐渐成为类似应用场景中的刚需。 图表13六维力传感器在医疗领域的应用 六维力传感器提高航空航天系统的整体性能。航空航天领域是六维力传感器最早的重要应用领域之一，可用于测量风洞试验、飞机、卫星、火箭等飞行器各种运动状态下的六维力信息，通