人形机器人行业系列报告（五）：传感器：人形机器人核心的感知部件

传感器是人形机器人中核心的感知部件，可以类比做人的感觉器官。传感器由敏感元件、转换元件及转换电路构成，可以按照输入量、转换原理、输出信号等多种方式分类。目前常见的传感器主要有电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、压阻式传感器、MEMS传感器等。 力传感器：精细感知的重要依靠。按照测量维度，力/力矩传感器可以分为一至六维力/力矩传感器。六维力传感器在机器人中有广阔应用空间，且行业壁垒最高。结构设计、标定与检测、算法设计是六维力/力矩传感器领域的三大壁垒。 在竞争格局上，国外企业具有先发优势，中国公司加速追赶：坤维科技、鑫精诚、宇立仪器、蓝点触控等国内企业先后进入该领域；ATI、SCHUNK等海外企业作为全球龙头，积累多年，仍旧有明显的领先优势。在市场空间上，力矩传感器当前的全球市场规模超过500亿元，六维力/力矩传感器步入加速增长期。GGII预计，2027年中国六维力/力矩传感器市场规模将超过15亿元，2022-2027年的CAGR超过45%。 触觉传感器：与环境交互的必需媒介。触觉传感器具有多种形式：柔性触觉传感器、触觉传感器阵列、仿生皮肤。由于柔性传感器中使用的材料、制造技术和传感机制的原因，性能常常低于刚性传感器，因此，需要在材料、算法上多方发力，才可以生产出性能优异、成本可控的柔性触觉传感器。在市场空间上，柔性触觉传感器当前的全球市场规模超100亿元。在竞争格局上，海外企业仍然占据领先地位。根据QY Research的数据，在竞争格局上，2022年，按照销售金额计，全球前五大厂商均为海外企业，占有大约57%的市场份额。具体到高端阵列式触觉传感器产品，国外企业的领先优势更大。 IMU：姿态控制的重要组成。惯性测量单元（IMU）使用一个或多个加速度计、陀螺仪的组合测量物体的加速度和角速度。在市场空间上，MEMS惯性传感器当前的全球市场规模超200亿元。在竞争格局上，海外企业如Honeywell、ADI、Sensonor、Silicon Sensing、Colibrys仍然占据高性能MEMS惯性传感器市场的主导地位。 视觉传感器：获取环境信息的重要途径。视觉传感器是仿生传感器中非常重要的部分，机器视觉可以进一步强化人形机器人的感知能力。在市场空间上，机器视觉当前的全球市场规模在800亿元左右。在竞争格局上，内外资品牌的竞争已开始呈现分庭抗礼的局面。甚至在某些产业链环节，国产的份额已领先于外资。 如镜头、光源领域，相机领域。 投资建议：随着人形机器人放量，传感器行业将有广阔的发展空间。目前在传感器的大部分领域，海外公司技术水平、产品能力均较强，国产公司正不断深化自身能力，随着行业对降本的需求愈发迫切，中国企业突出重围的机会持续提升。 力传感器领域：关注柯力传感、中航电测；触觉传感器领域：关注汉威科技、苏试试验、奥迪威、申昊科技；IMU领域：关注芯动联科、华依科技；视觉传感器领域：关注奥比中光。 风险分析：传感器降本不及预期风险；人形机器人降本不及预期风险；竞争加剧带来的盈利不及预期风险。 1、传感器：核心的感知部件 1.1、人形机器人中，感知器件至关重要 传感器是人形机器人中核心的感知部件，可以类比做人的感觉器官。传感器是能够感应各种非电量（如物理量、化学量、生物量），且按照一定的规律转换成便于传输和处理的另一种物理量（一般为电量）的测量装置或器件。传感器通常由敏感元件和转换元件组成，其中敏感元件是指传感器中直接感应被测量的部分，转换元件是指传感器能将敏感元件的输出转换为适于传输和处理的电信号部分。 图1：机器人感觉顺序与系统结构 1.2、敏感元件和转换元件是传感器的重要组成部分 传感器由敏感元件、转换元件及转换电路构成。 敏感元件是指传感器中能直接感受（或响应）被测量的部分。在完成非电量到电量的转换过程中，并非所有的非电量都能利用现有手段直接转换成电量，往往需要先将其变换为另一种易于变成电量的非电量，然后转换成电量。例如，传感器中各种类型的弹性元件，常被称为弹性敏感元件。 转换元件是指能将感受到的非电量直接转换成电量的器件或元件。例如，光电池将光的变换量转换为电动势，应变片将应变转换为电阻等。 转换电路是指将无源型传感器输出的电参数量转换成电量。常用的转换电路有电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器、脉冲调宽电路等，它们将电阻、电容、电感等电参数转换成电压、电流或频率等电量。 图2：传感器的组成 1.3、传感器的类型多种多样 传感器可以按照输入量、转换原理、输出信号、输入和输出的特征、能量转化方式、应用范围等多种方式分类。例如，按照输入量，可分为物理量、化学量、生物量传感器；按照转换原理，可分为结构型、物性型、复合型传感器；按照应用范围，可分为位置、力、液面、能耗、速度、温度等传感器。 图3：传感器的整体分类 表1：传感器分类（按作用） 表2：传感器分类（按检测方法） 1.4、常见的传感器类型 1.4.1、电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻的变化，实现电测非电量的传感器。传感器由在不同的弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成，当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的形变引起应变敏感元件的电阻值变化，通过转换电路将电阻值的变化转换成电量输出，从而反映被测物理量的大小。电阻应变式传感器是目前在测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数中应用最广泛的传感器之一。 电阻应变片简称应变片，是一种能将试件上的应变变化转换成电阻变化的传感元件，其转换原理是基于金属电阻丝的电阻应变效应。所谓电阻应变效应是指金属导体（电阻丝）的电阻值随变形（伸长或缩短）而发生改变的一种物理现象。 图4：金属导线受拉变化图 图5：电阻应变片结构示意图 电阻应变片主要分为电阻丝式应变片、箔式应变片、半导体式应变片三类。 电阻丝式应变片的敏感元件是丝栅状的金属丝。电阻丝是应变片受力后引起电阻值变化的关键部件，它是一根具有很高电阻率的金属细丝，直径约为0.01～ 0.05mm。由于电阻丝很细，故要求电阻丝材料具有电阻温度系数小、温度稳定性良好、电阻率大等特性。 箔式应变片的工作原理和结构与丝式应变片基本相同，但制造方法不同。它采用光刻法代替丝式应变片的绕线工艺。相较于丝式应变片，箔式应变片允许电流大、柔性好、疲劳寿命长、在大批生产时电阻值离散度小、生产效率更高。 半导体式应变片以半导体单晶硅条作敏感元件。半导体式应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。半导体应变片具有灵敏度高、频率响应范围宽、体积小、横向效应小等特点，这使其拥有很宽的应用范围。但同时它也具有温度系数大、灵敏度离散大以及在较大变形下非线性比较严重等缺点。 图6：各类应变片结构示意图 1.4.2、电容式传感器 电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。它具有结构简单、动态响应快、易于实现非接触测量等突出优点，能够在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。电容式传感器广泛应用于压力、压差、液位、振动、位移、加速度、成分含量等物理量的测量中。 图7：变极距型电容式传感器结构原理图 常见的电容式传感器可以应用在压力、加速度等的感知上。 电容式压力传感器实质上是位移传感器，当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时，所形成的两个电容器中一个电容量增大、另一个减小。该电容量的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化，从而实现了对压力或压力差的测量。 电容式加速度传感器同样是对位移的感知，当传感器壳体随被测对象沿垂直方向做加速运动时，质量块由于惯性作用，相对于壳体做相反方向的运动，从而产生正比于加速度的位移变化。此位移使两个固定极板与两个动极板间的间隙发生变化：一个增加，另一个减小，从而使上下两个电容产生大小相等、符号相反的变化。通过一定的测量电路，便可以测量出该加速度的大小。 图8：差动电容式压力传感器的结构图 图9：差动电容式加速度传感器的结构图 1.4.3、电感式传感器 电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，实现由非电量到电量转换的装置。电感式传感器具有结构简单，工作可靠，测量力小，分辨率高，输出功率大以及测试精度好等优点。但同时它也具有频率响应较低，不宜用于快速动态测量等缺点。 电感式传感器主要由衔铁、铁芯、线圈三部分构成。传感器测量物理量时衔铁的运动部分产生位移，导致线圈的电感值发生变化。 图10：电感式传感器原理图 1.4.4、压电式传感器 压电式传感器是利用某些物质的压电效应制作的传感器。某些介质材料在受力作用下，其表面会有电荷产生。根据这种现象制成的压电式传感器，是一种有源的双向机电传感器，具有体积小、质量小、工作频带宽等特点。压电元件是一种典型的力敏元件，能测量最终可变换为力的各种物理量，如压力、加速度、机械冲击和振动等。因此，在声学、力学、医学和宇航等许多部门都可见到压电式传感器的应用。 压电材料可以分为三大类：压电晶体（包括石英晶体和其他单晶体材料等）、压电陶瓷、新型压电材料（如压电半导体、有机高分子材料等）。 图11：压电效应示意图 1.4.5、压阻式传感器 压阻式传感器是利用固体的压阻效应制成的传感器。固体受到力的作用后，其电阻率（或电阻）就要发生变化，这种现象称为压阻效应。所有的固体材料都有这个特点，其中以半导体材料最为显著。当半导体材料在某一方向上承受应力时，它的电阻率发生显著变化，这种现象称为半导体压阻效应。 压阻式传感器主要用于压力、加速度和载荷等参数的测量，因此分别有压阻式压力传感器、压阻式加速度传感器和压阻式载荷传感器等。压阻式传感器又分为两种类型：一类为粘贴型压阻式传感器，它的传感元件是用半导体材料电阻制成的粘贴式应变片；另一类为扩散型压阻式传感器，它的传感元件是利用集成电路工艺，在半导体材料的基片上制成的扩散电阻。 1.4.6、MEMS传感器 MEMS（Micro-Electro-Mechanical System），即微型机电系统，由尺度上是微米量级的结构件、可动件、电子元器件及其组合组成。该系统把电子功能、机械功能、光学功能、智能功能和其他功能融合形成一体。 MEMS传感器中的核心元件一般包含两类：一个传感器和一个信号传输单元。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。 图12：MEMS微传感器示意图 2、力传感器：精细感知的重要依靠 2.1、应变式力传感器应用最广 力/力矩传感器是一种能感知力、力矩并转换成可用输出信号的传感器。主要包括本体单元和应变/形变检测系统两部分。力/力矩传感器的核心原理是将力作用下的形变转换成电信号。当有力/力矩作用时，力/力矩施加于传感器本体单元上，并引起本体单元的应变或形变，检测系统可感知本体的应变或形变，通过电路将其转化为相应电压，通过测量电压值来表征力/力矩大小，并转换成可用输出信号，实现力/力矩的测量。 图13：力/力矩传感器基本工作原理 按照测量原理，力/力矩传感器可以分为光电式、应变式、电容式、压电式等多种类型。这其中，应变式力/力矩传感器是当前技术最为成熟、应用最广泛的传感器类型，具有结构简单、制作容易、价格低廉等优点。 表3：力/力矩传感器分类（按测量原理） 2.2、六维力传感器壁垒最高 按照测量维度，力/力矩传感器可以分为一至六维力/力矩传感器。一般传感器能测几个维度，就是几维传感器。一维、三维和六维力/力矩传感器最常见。对于六维力/力矩传感器而言，空间中任意方向的力F，其作用点P不与传感器标定参考点重合且随机变化，这种情况下就需要选用六维力/力矩传感器来完成测量任务，同时测量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz六个分量。六维力/力矩传感器的