机械设备行业深度：机器人硬件拆解6：末端触觉与力控

机械设备： 机器人硬件拆解6：末端触觉与力控 人形机器产业化加速，各类传感器是提升机器人性能的核心。Tesla推出的新一代机器人Optimusgen2加速了人形机器人产业化的推进，新一代 Tesla人形机器人中最大的增量各类传感器之间的协调使用让Optimusgen2整体的性能大幅提升。人形机器人中使用到的传感器主要分为内传 证券研究报告|行业深度 2023年12月21日 增持（维持）行业走势 感器和外传感器：内传感器通常和电机等安装在一起以便电机更好的完成伺服控制，如测量电机转子位置和角度的霍尔传感器、磁编码器、光电编码器等；外传感器主要有力/力矩传感器、MEMS传感器、柔性传感器、视觉传感器和距离传感器等。 机器人中的力/力矩传感器通常集成在执行器中和用于载荷高的关节处。由于减速器有摩擦（若配谐波减速器，还会有较高的能量损耗），执行器 16% 0% -16% 机械设备沪深300 中电机内部依靠电流环算反馈力存在一定误差，因此更精确的做法是在电 2022-122023-042023-082023-12 机后端集成力传感器来计算反馈力。此外，人形机器人的脚腕等关节处载 荷大、方向随机，通常采用力矩传感器。由于力矩传感器中应变片贴片、六维力信号的非线性解耦解算难度较高等原因导致国内外产品目前仍有一定差距。 末端触觉是OptimusGen-2最大增量，MEMS传感和电子皮肤是主流方案。MEMS传感器的核心在于MEMS芯片和ASIC芯片，MEMS传感器芯片的制程均处于微米级/百纳米级别，但其有机械结构等，因此MEMS 芯片和ASIC芯片的核心在于设计和制造工艺，设计和工艺不佳会带来传感器一致性和良率不佳等问题。考虑到电子皮肤商业化后的成本和实用性，我们认为，人形机器人末端传感终局形态或为电子皮肤。 电机编码器芯片设计壁垒高，磁编码器芯片已逐步实现国产化。有刷电机中的碳刷换向器需固定更换，因此人形机器人中多用无刷电机，无刷电机 的核心在于驱控芯片和位置角度传感器（编码器），而编码器的核心均在于芯片，磁编码器目前已逐步实现国产化，光电编码器芯片由于难度较高仍处于实现国产化进程中。 投资建议：建议关注国内领先的BDLC电机驱控芯片设计厂商峰岹科技， 3D视觉感知技术领军者奥比中光，国内电子皮肤稀缺标的汉威科技，国内领先的结构力学性能研究解决方案提供商东华测试，国内领先的六维力传感器品牌柯力传感，国内MEMS传感器芯片设计龙头敏芯股份等。 风险提示：宏观经济风险，研发进展不及预期风险，下游进展不及预期，市场竞争加剧风险，市场空间测算风险。 作者 分析师张一鸣 执业证书编号：S0680522070009邮箱：zhangyiming@gszq.com 分析师何鲁丽 执业证书编号：S0680523070003邮箱：heluli3652@gszq.com 相关研究 1、《机械设备：机器人硬件拆解🖂：灵巧手传动装置解析》2023-11-23 2、《机械设备：上海机器人政策落地，2025年将打造千亿级机器人产业规模》2023-10-28 3、《机械设备：谷歌发布RT-2模型，机器人产业进展加快》2023-08-07 请仔细阅读本报告末页声明 内容目录 1人形机器人产业化加速，传感器是仿生机器人的关键4 1.1Tesla推出Optimusgen2，传感器助力机器人性能全面提升4 1.2机器人了解周围环境需要广泛的信息，传感器是重要的“中介”5 2力/力矩传感器：机器人常用应变式六维，制造工艺难度大6 3触觉传感器：测量其本体与环境之间的物理交互信息10 3.1MEMS传感器：广泛应用于机器人中，压阻式压力传感器可用于手部10 3.2电子皮肤：或为机器人触觉终局形态，目前发展最成熟的为压阻式14 4内传感器（编码器等）：国产替代关键是核心芯片的突破18 5机器人传感器相关标的梳理22 5.1峰岹科技：国内领先的BDLC电机驱控芯片设计厂商22 5.2汉威科技：子公司能斯达在柔性传感器产业化中具有国际领先水平23 5.3东华测试：国内领先的结构力学性能研究解决方案提供商24 5.4柯力传感：国内领先的六维力传感器品牌26 5.5敏芯股份：国内MEMS传感器芯片设计龙头26 风险提示28 图表目录 图表1：TeslaOptimusgen24 图表2：TeslaOptimusgen2脚部结构5 图表3：TeslaOptimusgen2手部传感器展示5 图表4：人形机器人大致所需传感器一览5 图表5：力传感器按测量的力的类型分类6 图表6：力传感器按测量的力的类型分类7 图表7：三维/六维力传感器适用情况7 图表8：六维力传感器在机械臂中的使用7 图表9：六维力传感器在人形机器人的市场空间测算8 图表10：各类型力矩传感器特点8 图表11：各类六维力传感器的特性9 图表12：六维力传感器结构9 图表13：MEMS传感器按功能分类10 图表14：我国MEMS传感器市场规模情况11 图表15：MEMS声学传感器构造图11 图表16：MEMS声学传感器工作原理11 图表17：MEMS电阻式压力传感器结构12 图表18：MEMS电容式压力传感器结构12 图表19：MEMS三轴加速度传感器12 图表20：封装好的三轴MEMS陀螺仪13 图表21：MEMS陀螺仪工作原理13 图表22：基本的MEMS芯片工艺13 图表23：MEMS陀螺仪芯片内部结构13 P.2请仔细阅读本报告末页声明 图表24：柔性传感器分类14 图表25：电子皮肤具备多功能15 图表26：全球柔性电子市场规模（十亿美元）15 图表27：阵列式柔性薄膜压力传感器16 图表28：柔子电子皮肤结构16 图表29：电子皮肤基本平面结构16 图表30：电子皮肤应用原理16 图表31：柔性传感器技术性能关键问题17 图表32：无刷电机与有刷电机对比18 图表33：伺服电机编码器18 图表34：右边三个是霍尔传感器18 图表35：闭环霍尔电压传感器18 图表36：磁编码器工作原理19 图表37：霍尔效应19 图表38：光电编码器的结构示意图20 图表39：电容式编码器工作路径20 图表40：增量式编码器工作原理20 图表41：峰岹科技主营业务22 图表42：BLDC电机驱动架构23 图表43：峰岹电机驱动控制专用芯片电机驱动系统23 图表44：能斯达柔性传感下游应用广泛23 图表45：DT10-50柔性压力温度一体化传感器24 图表46：DT10-50柔性压力温度一体化传感器电路图24 图表47：DH3820N分布式应力应变测试分析系统25 图表48：DH5908N无线动态应变测试分析系统25 图表49：三向压电式加速度传感器25 图表50：压阻式压力传感器25 图表51：应变式传感器26 图表52：微型传感器26 图表53：车规级汽车压力传感器模组27 图表54：硅麦克风27 图表55：敏芯股份工艺流程27 P.3请仔细阅读本报告末页声明 1人形机器人产业化加速，传感器是仿生机器人的关键 1.1Tesla推出Optimusgen2，传感器助力机器人性能全面提升 TeslaOptimusgen2横空出世，各类传感器是最大增量。2023年12月13日上午，ElonMusk通过X平台发布了Tesla新一代人形机器人Optimusgen2的视频，整体看起来比上一代更为美观，精致视频中展示出了Optimus的诸多新能力。Gen2装备了全新的Tesla设计的执行器和传感器，脖子新增2个自由度更加灵活，在不牺牲机器人运动控制性能的前提下减重了10kg并将行走速度提升了30%，脚部采用铰链式结构更加贴合人体足部几何曲线，还在脚部和手部都配备了全新的传感器，从设想到蹒跚学步，再到引爆机器人产业，TeslaOptimusgen2这次的亮相足够惊艳。 图表1：TeslaOptimusgen2 资料来源：TeslaOptimus，国盛证券研究所 TeslaOptimusgen2脚部/手部传感器大有改进，已逐步接近终局形态。Tesla第二代人形机器人最大的变化是在脚部和手部，脚部脚趾出改成了铰链式结构，更加贴合人性足部结构更加灵活，并且在脚部新增了传感器测量力/力矩，考虑到需要测量力矩（扭矩），我们认为脚部新增的传感器大概率为六维力传感器（力矩传感器）。机器人灵巧手上指尖末端新增微型传感器，所有的手指都有触觉，可以执行比如抓鸡蛋等需要较高精 确度的任务，结合该末端微型传感器测量的是高精度动态力和行业技术成熟度，我们认为该指尖末端传感器大概率为MEMS压阻式传感器。 P.4请仔细阅读本报告末页声明 图表2：TeslaOptimusgen2脚部结构图表3：TeslaOptimusgen2手部传感器展示 资料来源：TeslaOptimus，国盛证券研究所资料来源：TeslaOptimus，国盛证券研究所 1.2机器人了解周围环境需要广泛的信息，传感器是重要的“中介” 传感器是指将收集到的信息转换成机器人能处理的电信号或其他信号的元件/装置。人类会将视觉、听觉、触觉、嗅觉等获得信息传递给大脑，大脑进行处理以后人类会做出相对应的反应，人形机器人作为具身智能的终端形态，重点在于仿生，机器人了解周围的世界需要广泛的信息，传感器则用于估计机器人的状态和环境，根据传感器获得的信号进行控制或处理，最后反馈出正确的任务路径。对应着人类的视觉、听觉、嗅觉、触觉等，机器人的传感器就是机器人的“�官”，对应的传感器也分为触觉传感器、视觉传 感器、距离传感器等，传感器助力机器人增加更多智能意识。 图表4：人形机器人大致所需传感器一览 资料来源：MEMS，国盛证券研究所 P.5请仔细阅读本报告末页声明 2力/力矩传感器：机器人常用应变式六维，制造工艺难度大 力传感器有压力、称重、扭矩等类型，通过荷电效应和磁场效应将力转换为电信号。力是引起物质运动变化的直接原因，力传感器是将力的量值转换为电信号的器件，可以检测张力、拉力、压力、重量、扭矩、应变等力学量，广泛应用于制造业自动化、航天航空、医疗器械等领域。根据其测量的力的类型不同，可以分为扭矩传感器、称重传感器、拉力传感器和压力传感器。力传感器工作的原理主要基于荷电效应和电磁感应效应，当力传感器受到力的作用是，内部的电荷/磁场会产生相应的变化，从而产生电信号。 图表5：力传感器按测量的力的类型分类 资料来源：Dytran官网，HBM官网，Bufson官网，Forsentek官网，国盛证券研究所 按测量力的纬度划分，力传感器可以分为一维、三维和六维力传感器，二维和�维的力传感器较少。力的方向和作用点决定该用几维的力传感器测量：1）如果力的方向和作用点固定且和一维力传感器的标定坐标轴一致，那么一维传感器就能对其精确测量；2）如 果力的方向随机变化，力的作用点保持不变且与传感器的标定参考点重合，那么三维力传感器能完成任务，可以同时测量F的分力Fx、Fy、Fz；3）如果力的方向和作用点都在三维空间内随机变化，那么空间中任意的作用点力可以分解为沿标定坐标轴的三方向分力和绕标定坐标轴的三方向力矩（作用力使物体绕着转动轴或支点转动的趋向），则需要使用六维力传感器来测量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz六个分量。 P.6请仔细阅读本报告末页声明 图表6：力传感器按测量的力的类型分类 资料来源：坤维科技，国盛证券研究所 不同纬度的力传感器适用于不同的场景，机器人多用六维力（力矩、六轴力）传感器。如果力的作用点离传感器的标定参考点很近且方向不变，对测量精度也要求不高的话， 那么三维力传感器就可以达到要求；如果力的作用点离传感器标定参考点较远且力的方向随机变化，对测量精度要求较高的情况下，通常需要使用六维力传感器。机器人力传感器距离力的作用点中间通常会有执行机构，那么力的作用点通常力传感器标定参考点较远且方向随机变化，精度也要求较高（六维力传感器的内部算法会解耦各方向力和力矩间的干扰，使力的测量更为精准），所以机器人场景中我们通常使用六维力传感器。 图