汽车：人形机器人系列（五）六维力传感器产业化加速

行业事件： 特斯拉发布了Optimus-Gen 2最新视频，相比上一代在运动性能、稳定性方面提升显著。新一代Optimus搭载了特斯拉设计的执行器和传感器，在不影响性能的前提下，重量减少了10kg，行走速度提升了30%。硬件方面的主要增量包括：1）颈部增加了两个自由度，脚部增加了六维力矩传感器，整体运动控制更加协调，可以完成90度深蹲；2）灵巧手部分增加了触觉传感器，共有11个自由度，可以抓取鸡蛋等物品。从特斯拉最新发布的人形机器人视频中可以看到大量传感器的应用，其中核心器件六维力传感器值得重点关注。 六维力传感器是柔性控制的核心部件 六维力矩传感器可以通过内部算法，实现各个方向力与力矩的解耦，推算部件的姿态，测量精度高，适用于力的作用点和方向均随机变化的场景，如机器人末端关节控制。六维力传感器是目前人形机器人腕部和踝部的主流解决方案，但技术难度高，其技术壁垒主要体现在样本采集、标定与检测设备、耦合误差算法三个方面。 机器人刚需+政策加持，六维力传感器产业化加速 随着应用场景的不断丰富，机器人对零部件的要求也逐渐提高。相比三维力传感器，六维力传感器在控制精度、信息反馈、自适应控制、安全性等方面均有大幅提升，是机器人向智能化发展的主要方向。目前六维力传感器尚未进入规模化量产，降本空间较大。政策方面，工信部陆续推出人形机器人相关政策，对六维力传感器等核心技术做出了相应的发展规划，我们认为六维力传感器将迎来高速发展。 国产品牌快速崛起，有望通过规模量产实现降本 六维传感器在国内起步较晚，目前已进入快速发展阶段，相关产品相继落地，但性能方面与国外品牌仍有一定差距。国内市场中，国产品牌坤维科技、鑫精诚、宇立仪器销量进入第一梯队，精度达到国际一线水平，在部分细分领域占比较高。柯力传感、东华测试也加入多维力传感器赛道，凭借丰富的工程经验和深厚的技术沉淀，叠加性价比优势，有望进一步加速国产化进程。随着市场规模的增长，国内企业有望通过规模效应实现降本。 投资建议 我们认为人形机器人产业化进展有望加速，复杂场景交互需求带来零部件增量，建议重视力传感器赛道。经过测算，预计到2027年，中国市场机器人六维力传感器市场规模将超过16亿元，CAGR-5为50%。推荐特斯拉产业链中拓展至力传感器业务的企业，如凌云股份，已揭榜工信部力传感器任务，加速产业化进程；建议关注在传感器领域有一定沉淀，并逐步扩展到多维力传感器的企业，如柯力传感、东华测试。 风险提示：产业化落地不及预期，国产化进程不及预期，人型机器人发展不及预期。 1.力传感器有望成为高增长赛道 1.1特斯拉引领人型机器人快速迭代 Optimus-Gen2性能全面进化，传感器为主要增量。2023年12月，特斯拉官媒发布了Optimus-Gen2的视频，相比上一代在运动性能、稳定性方面提升显著。新一代Optimus搭载了特斯拉设计的执行器和传感器，在不影响性能的前提下，重量减少了10kg，行走速度提升了30%。硬件方面的主要增量包括：1）颈部增加了两个自由度，脚部增加了六维力矩传感器，整体运动控制更加协调，可以完成90度深蹲；2）灵巧手部分增加了触觉传感器，共有11个自由度，可以抓取鸡蛋。 图表1：特斯拉公布Optimus-Gen 2 图表2：Optimus-Gen 2增加颈部自由度 图表3：Optimus-Gen 2深蹲 图表4：Optimus-Gen 2抓取鸡蛋 特斯拉有望凭借电动车优势，率先实现人形机器人量产。特斯拉在汽车、清洁能源均有布局，2021年进入人形机器人领域。我们认为特斯拉选择机器人赛道主要有以下几方面的考量：1）人形机器人与电动车在软硬件上有很多通用技术，如自动驾驶算法、训练模型、传感器、电池组等，可以快速迁移；2）特斯拉在汽车领域已经搭建了成熟的供应链体系，可与机器人共享；3）特斯拉拥有强大的规模降本能力，有望将人形机器人的成本控制在合理范围内；4）特斯拉自身拥有大量生产需求，机器人产品可率先在自己工厂进行试用和迭代，进一步降低生产成本。 图表5：车端与人形机器人软硬件实现共用 产品功能快速迭代，商业落地有望加速。特斯拉在2021年首次提出人形机器人概念，命名为Optimus。2022年2月完成Optimus开发平台搭建，推出原型机，实现了直立行走和手臂转动。在2022年9月的AI日上，Optimus进一步进化，可以完成物品搬运、浇花等简单工作。在特斯拉2023年股东大会上，Optimus的运动更加平滑，实现了物品分类、抓取工具等精密工作。2023年9月，特斯拉发布了Optimus做瑜伽、物品收纳的视频，可以识别颜色，灵巧手可以进行精密操作。 图表6：特斯拉Optimus迭代历史 图表7：特斯拉Optimus持续升级 从特斯拉Optimus的迭代过程来看，传感器的种类和数量都在不断增长，部分传感器价值量较高，如六维力传感器，赛道空间广阔。 1.2国内企业加速入局，催化市场规模增长 AI催化人形机器人蓬勃发展，国产品牌迎来高速发展期。人形机器人起步于上世纪70年代，日本早稻田大学研发了全球首款人形机器人，实现了初步的行走和交互功能，之后本田、波士顿动力、特斯拉等企业陆续推出自己的产品，向高性能、高精度、高集成、高智能方向发展。近年来AI技术的快速发展，极大地丰富了机器人的应用场景，国内的车企、科技企业纷纷入局，在技术和产业化方面充分融合，有望加速人形机器人商业化进程。目前国内企业中，小米、优必选分别推出了Cyberone和WalkerX机器人，小鹏、傅利叶智能、宇树科技也都推出了原型机，国产机器人进入高速发展期。 图表8：主要人形机器人对比 应用场景不断拓展，市场规模持续增长。据中国电子协会预测，2024年全球机器人市场规模将达到660亿美元，其中工业机器人230亿美元，服务机器人290亿美元，特种机器人140亿美元。得益于智能化技术的发展，机器人的应用场景得到了快速拓展，在物流运输、商业服务等领域均有项目落地。预计未来机器人性能将进一步提升，成本逐步下降，市场规模持续增长。 图表9：人形机器人应用场景 图表10：全球机器人市场规模（亿美元） 2.技术升级扩展应用场景，国产品牌有望推动降本 2.1六维力传感器：柔性控制核心部件 六维力传感器适用于机器人等高精度要求的场景。力传感器按测量维度可以分为三类：一维力传感器，三维力传感器和六维力传感器。一维力传感器适用于测量轴线和力的方向完全重合的场景，比如称重传感器；三维力传感器适用于力的作用点固定，且与标定参考点重合，但力的方向随机变化的场景，常用于医疗器械、自动化设备。六维力传感器适用于力的作用点和方向均随机变化的场景，比如机器人末端关节控制。六维力矩传感器通过内部算法，实现各个方向力与力矩的解耦，推算部件的姿态，测量精度最高，还可以根据力矩大小，有效保护传感器与部件。 图表11：一维力传感器适用场景 图表12：三维力传感器适用场景 图表13：六维力传感器适用场景 图表14：六维力传感器应用于机器人场景 应变式传感器在稳定性、刚度、精度方面表现优秀，是目前主流的技术路线。根据工作原理，六维力传感器可以分为三类：1）应变式力传感器，采用硅或金属箔等材料，通过形变改变阻值，进而反映力信号；2）光学式力传感器，通过光栅反应形变，进而转变为力；3）压电式力传感器，分为电容式和压电式，电容式通过极距变化改变电压，压电式通过形变改变电荷。国际龙头企业ATI采用了硅应变片方案，通过对稳定性、刚度、动态特性、成本和信噪比五个方面的对比，硅应变传感器在稳定性、刚度、信噪比方面优势明显，同时随着工艺的改进，成本有望进一步降低。 图表15：六维力传感器的五种技术路线 图表16：六维力传感器不同工作原理对比 六维力传感器主要由应变片、弹性体、信息处理器、保护销、传感器基座和传感器端盖构成。被测元件首先将力和力矩传给敏感元件，然后通过转换元件进行滤波、调制、解调、衰减、运算等处理，将力信号转化为电压、电流等信号，最后通过软件进行解耦，将信号拆解成三个方向的力和力矩。应变片是力传感器的核心部件，无论是材料选择，还是在弹性体上的位置分布，都决定了传感器的最终性能。 图表17：应变式力传感器工作原理 图表18：六维力传感器结构示意图 图表19：六维力传感器结构拆分 2.2政策引领，有望突破六维力传感器高壁垒 六维力传感器技术壁垒较高，主要体现在标定和测试阶段，包括三方面： 样本数量：标定指建立传感器原始信号和受力之间的映射关系的过程，检测指通过对比传感器测量结果和理论加载值的差异来判断精度和准度。相比一维力传感器，六维力传感器需要标定的样本点呈指数级增长，假设每个维度设定9个样本点，一维力传感器仅需9个样本点，而六维力传感器需要标定531441个样本点（图中黄色点）。同样的，检测也需要更多的样本点（图中蓝色点），同时要满足随机性和非相关性的要求。 标定检测设备：六维力传感器标定及检测设备需要空间光学定位、载荷位移补偿、机电一体化等多种技术的协同配合，需要成熟的工程经验。目前只有六维联合加载设备可以实现0.5%FS的精度，但这类设备属于非标设备，无法直接采购，需要六维力传感器厂商自行研制。 耦合误差：理论上六维力矩传感器在单一维度的力或力矩作用下，只在相应维度上产生输出，其他维度没有输出。但由于零部件精度、传感器结构、横向效应等因素，各个测量方向间存在维间耦合，通常用串扰来衡量，是六维力传感器的关键性能指标之一。消除耦合误差主要通过构建解耦矩阵来实现，利用数学模型计算解耦矩阵，补偿温度漂移、零点漂移等影响。 图表20：力传感器主要制造工艺 图表21：美国六维力传感器标定及检测设备 图表22：以色列六维力传感器标定及检测设备 图表23：一维力传感器与六维力传感器标定检测对比 政策加持，力传感器有望实现技术突破。2023年9月，工信部发布了关于人形机器人的揭榜挂帅任务榜单，共有5项核心基础，力传感器技术是其中之一，目标在2025年前，实现低成本、高性能的智能化力传感器。2023年11月，工信部发布《人形机器人创新发展指导意见》，目标在2025年之前实现人形机器人关键技术的突破，确保零部件的供应安全有效，高精度传感器是基础部件的重要组成。我们认为，在国家政策的加持下，力传感器将迎来高速发展。 图表24：工信部人形机器人揭榜挂帅部分任务榜单 图表25：《人形机器人创新发展指导意见》主要内容 2.3国产品牌有望通过性价比逐步打开市场 六维力传感器广泛用于汽车、医疗、航空航天、生物力学、机器人及自动化领域。 在机器人领域，早期的运动控制不具备闭环反馈系统，完全由程序执行，安全性、灵活性较差。近年来，随着AI技术和传感器技术的发展，智能机器人拥有了强大的自主感知、自主决策能力，可以完成更复杂的任务，应用场景得到了进一步拓展。 图表26：六维力传感器的应用场景 六维力传感器单价较高，降本空间大。目前六维力传感器的总销量仍然较低，生产成本较高，优必选招股说明书显示其人型机器人上使用的六维力传感器单价超过1.5万元，爱采购显示进口ATI六维力传感器单价在1-12万元不等。我们预计六维力传感器的降本空间较大，主要体现在：1）通过结构优化减少应变片的使用量；2）大规模量产后带来的规模效应；3）工艺技术持续改善，高精度零部件成本降低。 国产品牌起步较晚，与国外品牌的技术差距在逐步缩小。据高工机器人产业研究所统计，2022年中国传感器市场中，国产品牌占比仍然低于30%。六维力传感器方面，美国、日本起步较早，占据主要的高端市场。近年来国产品牌也开始发力，逐步缩小与国外品牌在测量准度、抗过载等方面的差距。 国产品牌加速入局，市占率有望进一步提升。坤维科技、鑫精诚、宇立仪器在国内市场中销量进入第一梯队，在协作机器人、汽车碰撞测试、医疗康复等细分领域优势明显。此外，其他传感器厂商也开始进入六维力传感器赛道，如柯力传感、东华测试、凌云股份等。其中凌云股份联合中国科学院