机械设备行业人形机器人传感器专题：柔性控制新蓝海

行业报告| 行业专题研究 证券研究报告 2023年12月30日 机械设备 人形机器人传感器专题：柔性控制新蓝海 作者： 分析师朱晔SAC执业证书编号：S1110522080001 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 行业评级：强于大市（维持评级）上次评级：强于大市 2 摘要 1）人形机器人提出更高力控要求 人形机器人提升传感器需求：在机器人核心零部件中，传感器作为机器人重要组成部分，是力控摆动、稳定控制的核心，可精准测量随机变化的力，价值量或仅次于关键模组。人形机器人对于传感器的需求增多，有望推动相关传感器行业扩容。 柔顺控制为发展方向：从自动化到机器智能、人工智能迈进，需要将力/力矩的测量和引入控制系统，提高机器人对未知环境适应性和交互安全性，即柔顺控制；外力的感应可基于电流环、末端力传感器、关节力矩传感器、电子皮肤/柔性传感器。 2）末端力传感器：六维力传感器感应精准，技术+量产有望推动降本 六维力传感器性能最优，降本潜力较大：大部分六维力传感器基于应变片结构，具有精度高、范围广优势；目前六维力/力矩传感器市场基数较小，尚未形成明显规模效应，未来伴随多技术路线产品完善、产品价格下降及国产化率提升，有望进入高速成长期。人形机器人或将撬动市场快速扩容：目前受制于高技术壁垒，批量化产能依旧稀缺；根据MIR睿工业数据，我们测算当人形机器人出货量达到100万台时，对应末端六维力传感器市场规模约80亿元。 3）触觉传感器：技术路线百花齐放 国外厂商占据八成高端触觉传感器市场，国产替代空间广阔：触觉传感器行业技术壁垒较高，目前CR3占比约60%，美国传感器行业竞争力较强。触觉传感器是我国重点攻艰的35项“卡脖子”技术之一，市场需求对外依赖度超过90%。 多点阵列指尖触觉解决方案：将MEMS传感器阵列化并集成在柔性可延展衬底是实现柔性电子的重要途经，目前有部分机器人厂商和研究机构采用了多点阵压力传感器方案来实现人工指尖触觉感应，可高精度地执行多种抓取操作。 4）电子皮肤：潜在市场广阔，机遇与挑战并存 柔性电子皮肤：电子皮肤（E-skin）作为机器人外表面蒙皮可为机器人提供丰富的触觉信息，促进机器人控制领域及新一代人机交互领域的发展。高柔弹性、高灵敏度的电子皮肤触觉传感器使机器人更加灵活、纤细、智能、人性化。 电子皮肤应用存在诸多挑战：高灵敏度、高柔性的电子皮肤制造工艺复杂、成本高和难以批量生产；目前，柔性电子皮肤的发展 仍然受材料与结构限制，在测量精度上无法与传统成熟的金属及半导体传感器相比。 风险提示：政策推动效应不达预期风险、研发进度不达预期风险、贸易摩擦风险、测算主观性风险。 1 人形机器人提出更高的力控要求 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明3 传感器保证机器人灵敏度，推动智能化升级：传感器赋予机器人视、力、触、嗅、味等多种感知能力，不仅能从外部赋予机器人感知功能，还能用于检测机器人自身的内部工作状态，通过对各关节的位置、速度、温度、载荷、电压等信息进行探测和了解，有效保证和提升机器人自身动作准确性和灵敏度；更推动机器人智能化和信息化升级。 人形机器人传感器根据检测对象不同分为内部传感器和外部传感器： •内部传感器：用来感知机器人的自身状态的传感器，比如位置、速度、加速度等； •外部传感器：用来感受机器人周围环境、目标物的状态信息的传感器，比如视觉、触觉、听觉、嗅觉、温度、力度等。 资料来源：传感器专家网公众号，思岚科技官网，天风证券研究所4 资料来源：工信部、传感器专家网，天风证券研究所 5 政策加持人形机器人，赋能发展传感器：工信部在23年9月份发布针对人形机器人的“揭榜挂帅”任务榜单，其中5项核心基础中，有3项关于传感器，分别强调力传感器、MEMS姿态传感器和触觉传感器等关键部件。 力传感器 面向人形机器人准确获取驱动关节和肢体末端触感力学信号的需求，突破稳定可靠的力传感器结构设计与制造、智能揭榜任务化信号处理与分析、多信息智能识别与模型分析等关键技术；研制系列化、高性能、低成本、智能化的新型力传感器； 发展低成本、规模化的传感器生产制造方法，推动新型力传感器在人形机器人上的产业化应用。 到2025年，完成人形机器人系列化力传感器的设计与制造，满足驱动关节、手指、足底等肢体末端力测量需要，并在预期目标人形机器人上开展实际应用。传感器采用低成本、高性能的设计，精度达到0.5%FS，响应时间优于0.03s，具有智 能信息采集与处理能力，提升力传感器的智能化水平。 触觉传感器 揭榜任务 围绕人形机器人灵巧手使用工具、操作设备、分拣物品、高精度装配等能力，在灵巧手掌内配置触觉传感器，以感知操作目标的位姿、硬度、肌理等特征，提高灵巧手的智能化操作能力。研发小体积、高可靠性、高稳定性的人形机器人手部触觉传感器，满足人形机器人灵巧手感知、操作、交互等需求，提升新型触觉传感器自主设计与研发水平，推动触觉传感器的产业化应用。 预期目标 到2025年，完成小体积高可靠性高稳定性的手部触觉传感器研制，实现指尖、指腹和掌面部位传感器阵列密度 1mm×1mm（厚度≤0.3mm）；力检测范围0.1N/cm2~240N/cm2(10g/cm2~24kg/cm2)±5%；最小检测力10g。 MEMS姿态传感器 揭榜任务 面向人形机器人姿态控制对高性能、小型化姿态传感器的需求，突破传感器小型化结构设计、陀螺仪高精度加工工艺、智能响应姿态解算等关键技术；研制基于MEMS惯性器件的高性能姿态传感器；研究减小传感系统体积重量，降低功耗，提升传感器抗振动、抖动能力以及传输性能的方法；发展低成本、规模化传感器生产制造方法，推动新型MEMS姿态传感器在人形机器人上的产业化应用。 预期目标 到2025年，完成高性能、低成本的MEMS姿态传感器研制，具有较强的抗振动和抖动性能，俯仰角和横滚角静态精度为0.1°，零偏稳定性（1σ，10s平滑）不低于0.3°/h，MEMS姿态传感器具有强的鲁棒性和智能稳定算法。 资料来源：财联社公众号，电子发烧友网公众号，传感器专家网，天风证券研究所 6 特斯拉第二代Optimus人形机器人主要亮点：触觉传感器、力传感器以及更强大的平衡感知能力。第二代Optimus搭载由特斯拉设计的执行器与传感器、2自由度驱动颈部、响应更快的11自由度灵巧手、触觉传感器（十指）、执行器集成电子和线束、足部力/扭矩传感器、铰接式脚趾等。重量减轻10kg，平衡力及全身控制均得到提高，更聚焦运动与控制。 传感器系Optimus最大边际变化：第二代Optimus新增多项特斯拉自研传感器： •足部：脚掌分为两个部分，通过增加足部力/力矩传感器，使得步行姿态更接近人类，且行走速度提升30%。 •手部：全新11自由度灵巧手，通过新增手指触觉传感器，可以实现两指捏起鸡蛋的精细操作。 •全身：90°深蹲动作需要调动全身多个环节参与，预计其搭载的IMU等惯性传感器及感知算法有大幅提升。 图：第二代optimus灵巧手图：第二代optimus足部图：第二代optimus全身控制 人形机器人提升传感器需求：在机器人核心零部件中，传感器作为机器人重要组成部分，是力控摆动、稳定控制的核心，可精准测量随机变化的力，价值量或仅次于关键模组。人形机器人对于传感器的需求增多，力/力矩传感器方面，目前有微型压力传感 器、拉压力传感器、关节扭力传感器、六维力传感器等，随着人形机器人逐步量产，有望推动传感器行业扩容。 特斯拉人形机器人：根据AIDAY2022披露信息，其第一代Optimus身体上共计28个自由度，每一个旋转关节需要1个力矩传感器，每一个直线关节需要1个拉压力传感器和1个位置传感器；根据第二代Optimus视频，新增多项特斯拉自研传感器（足部力/力矩传感器、手指触觉传感器） 优必选人形机器人：根据官网示意图，单个机器人需要4个六维力/力矩传感器（手部及足部各2个），以及1个高精度惯导传感器。 图：优必选机器人示意图图：鑫精诚传感器机器人应用领域 资料来源：传感器专家网公众号，鑫精诚官网，优必选官网，天风证券研究所7 全球智能服务机器人加速渗透：随着机器人价格不断下降及解决方案应用场景愈加广泛，下游客户接受意愿逐步提升，加速全球智能服务机器人产品及解决方案的快速渗透。根据弗若斯特沙利文资料，全球智能服务机器人产品及解决方案市场预计2028年达到628亿美元，2022-2028年期间CAGR≈17.8% 中国智能服务机器人渗透率有望提升：目前中国智能服务机器人产品及解决方案渗透率仍然偏低，预计前沿人工智能技术将于未来数年大幅影响中国智能机器人产品及解决方案市场发展。根据弗若斯特沙利文资料，中国智能服务机器人产品及解决方案市场预计2028年达到1832亿元，2022-2028年期间CAGR≈23.5% 图：全球智能服务机器人产品及解决方案市场规模（十亿美元）图：中国智能服务机器人产品及解决方案市场规模（十亿元） 资料来源：弗若斯特沙利文，国际机器人联合会，优必选招股说明书，天风证券研究所 8 70 200 60 180160 50 140 40 42.8 48.4 120100 106.4 125.8 30 31.6 37.3 80 70.2 88 2010 0 8 3.4 11 4.3 13.1 5 16.1 6 17 6.5 21.6 7.6 26.3 8.9 10.2 11.6 13 14.4 6040200 10.1 9.2 16.511.8 21.613.6 29.217.5 31.220.4 40.525.5 54.631.1 37.5 43.5 50.5 57.4 201820192020202120222023E2024E2025E2026E2027E2028E 智能个人/家庭服务机器人智能专业服务机器人 201820192020202120222023E2024E2025E2026E2027E2028E 智能个人/家庭服务机器人智能专业服务机器人 资料来源：智星崛起公众号，天风证券研究所 9 力感应器历史悠久应用广泛，柔顺控制为发展方向 传统工业机器人控制通过伺服系统发送位置指令，即位置控制来实现，机械臂沿着事先规划好的轨迹在封闭、确认的空间中运动，在简单工业场景中的效率和精度很高。而在智能工厂中,机器人的作业环境日益非结构化,作业工序趋于柔性化，要求逐步提高。 从自动化到机器智能、人工智能迈进，需要将力/力矩作为闭环反馈量引入控制，提高机器人对未知环境的适应性和与人交互的安全性，即柔顺控制。柔顺控制可分为被动柔顺和主动柔顺。被动柔顺通过在传统机械臂末端安装机械弹性结构利用机械臂的弹性来实现；主动柔顺通过加入力传感器反馈力度信息，采用一定控制策略主动控制作用力，可分为直接力控与间接力控。间接力控通过控制力和位置的相对关系实现，直接力控则直接精确控制压力大小，外力的感应可基于电流环、末端力传感器、关节力矩传感器、电子皮肤/柔性传感器。 图：机器人传统控制与柔顺控制对比图：柔顺控制技术分类与应用场景 搬精 统 传运度 机、 控 器高人刚 制要性 求控 高制 基的机缝 柔于机械针 控 顺被器臂 动人为 制 柔示一 顺教颗 控葡 制萄 力控环节关注四种实现力感应技术路线的可替代性与可实现性 •电流环方案：电流环感应力觉基于电流反馈和辨识的动力学模型，无需加装传感器，但精度较低，仅有10N； •末端力传感器方案：末端力传感器感应力觉主要通过在机械臂末端加装如一维力、六维力等传感器实现，其优点在于精度较高，如一维力传感器精度可达0.1N，六维可达到0.01N，但目前价格昂贵，一维力传感器价格上千，而最便宜的六维力传感器也需要2-3万元； •关节力矩传感器方案：关节力矩传感器需要安装在关节之中，精度、价格在电流环方案与末端力传感器方案之间； •电子皮肤/柔性传感方案：即通过给机器人添加电子皮肤实现对力觉的感应与控