机器人行业系列报告一：传感器，全面赋能感知，有望受益于机器人带动持续发展

证券研究报告 传感器：全面赋能感知，有望受益于机器人带动持续发展 ——机器人系列报告一 强大于市（维持） 长城证券产业金融研究院 分析师侯宾 执业证书编号：S1070522080001 分析师姚久花 执业证书编号：S1070523100001 时间：2024年3月5日 核心观点 传感器：机器人核心部件，全面赋能感知能力升级。智能传感器在机器人中必不可少，传感器为机器人提供综合 外部以及内部的感知能力，在外部对于触觉、视觉、听觉等感知实现与环境交互，在内部能够实现机器人对自身状态的感知。产业端特斯拉OptimusGen2引领+政策端持续推进，将助力机器人传感器行业持续拓展。 力传感器：机器人力控关键，六维力传感器是核心关键。力控属于更加柔顺的控制，可以实现实时不断调整力的 大小，从而适应更多场景，是未来机器人发展的关键所在。六维力传感器下游应用领域丰富，但目前存在较大的技术壁垒，整体来看，欧美日厂商占据市场主导地位，国内相关产品在灵敏度、串扰等方面与全球领先企业尚存在差距，但准度方面基本可对标国际领先企业，目前国产替代正不断推进。 MEMS传感器：IMU将成为机器人新增量。随着人形机器人的发展，对MEMSIMU精度要求更高，高性能IMU稳定 量产需要保证MEMS芯片、ASIC芯片、封装、测试全流程的顺畅。目前，国内高性能MEMSIMU在定位误差、陀螺零偏、加速度计零偏等领域均与国外头部企业存在差距，未来国产替代仍需发力。 柔性触觉传感器：为机器人带来更丰富感知能力，未来市场空间广阔。柔性触觉传感器大多会采用矩阵形式组成 阵列式触觉传感器，可实现与人体皮肤相类似的感知能力，我们认为，未来随着机器人对于感知能力要求的进一 步提升，电子皮肤柔性触觉传感器将成为新的发展方向，带来广阔的市场空间。 相关标的：汉威科技、柯力传感、敏芯股份、芯动联科、华测导航、八方股份、东华测试、瀚川智能、康斯特、华培动力、奥比中光、昊志机电、华依科技、中航电测等。 风险提示：人形机器人发展不及预期，技术发展不及预期，宏观经济波动风险，市场竞争风险。 www.cgws.com2 一、传感器：机器人核心部件，全面赋能感知能力升级 www.cgws.com 1.1传感器：下游应用广泛，智能传感器逐步成为发展方向 传感器发展由来已久，智能传感器逐步成为主流 传感器：是指感受被测量并按一定规律转换成可输出信号的装置，主要由敏感元件、转换元件、转换电路几部分组成。敏感元件可以直接感受外部环境刺激，转换元件则将敏感元件感受的信息转换成适用于传输或测量的电信号。 从发展历程来看，可以将传感器发展进程划分为三个阶段，（1）1950年-1969年，主要为结构性传感器；（2）上世纪70年代以来，固体传感器逐渐发展；（3）2000年至今，随着随着与CMOS技术兼容的MEMS技术不断成熟，集成电路工艺完善，传感器实现微型化、集成化、智能化，智能传感器开始快速发展。 智能传感器可以完成采集、交换、处理信息，此外，相对于传统的传感器智能传感器对于信息的采集精度更高，同时其成本较低，具备编程自动化能力。 图表：传感器发展历程 图表：智能传感器基本结构 数据来源：《智能传感器型谱体系与发展战略白皮书》，长城证券产业金融研究院 数据来源：《智能传感器型谱体系与发展战略白皮书》，长城证券产业金融研究院 www.cgws.com4 1.2智能传感器：下游应用广泛，未来市场空间广阔 智能传感器下游应用广泛，可用于汽车电子、消费电子多个领域 图表：智能传感器分类 智能传感器按结构可分为三类，模块式智能传感器：技术要求较低，但精度较差；集成式智能传感器：响应速度快，体积较小；混合式智能传感器：结构较为复杂，性能较强，机器人环节主要应用混合式智能传感器。 智能传感器下游应用较为广泛，可应用于汽车电子（如GPS定位仪、行车记录仪等）、通信电子（如天线、安检设备等）、工业电子（如自动化生产设备等）、消费电子（如智能手机、智能穿戴等）、其他领域（如无人机、医疗器械等）。 根据头豹研究院数据，2021年我国智能传感器市场规模1057.6亿元，预计到2026年我国智能传感器市场规模可达到 1610.9亿元，2021-2026年年复合增长率 为8.8%。 数据来源：头豹研究院，长城证券产业金融研究院 图表：我国及全球智能传感器市场规模 我国全球 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 201720182019202020212022E2023E2024E2025E2026E 数据来源：头豹研究院，长城证券产业金融研究院 www.cgws.com5 1.3传感器在机器人中必不可少，人形机器人为传感器带来发展更高要求 人形机器人逐步落地，对于传感器要求更高，未来有望持续发展 在机器人领域，传感器主要为机器人提供三方面的支持： （1）自助导航，通过传感器，机器人可实现机器人对于前进路线的规划，感知目前所处的环境位置； （2）传感器可使机器人在行进过程中，行进路线上障碍物的识别与规避，以确保运行安全； （3）在抓取行动中，传感器可以实现对物体的形状、大小、位置等信息的把控，引导机器人精准抓取以及使用物体。 总体而言，传感器为机器人提供综合外部以及内部的感知能力，在外部对于触觉、视觉、听觉等感知实现与环境交互，在内部能够实现机器人对自身状态的感知。 图表：人形机器人传感器应用位置 数据来源：Yole，GGII，长城证券产业金融研究院 www.cgws.com6 1.4机器人传感器分类 机器人传感器可分为内部传感器及外部传感器 内部传感器：内部传感器包括速度传感器、加速度传感器、位置传感器和振动传感器等，感知机器人自身状态，如行进速度、所处位置等。 外部传感器：包括距离传感器、力觉传感器、听觉传感器、温度传感器、物体识别传感器和气压传感器等，可以检测机器人外部环境相关信息，可辅助机器人进行路线决策、障碍规避等。 图表：机器人传感器分类 数据来源：《多传感器信息融合技术在机器人中的应用研究》，长城证券产业金融研究院 www.cgws.com7 1.5产业端：特斯拉OptimusGen2感知全面升级，有望引领产业发展 OptimusGen2传感器再升级，有望带动传感器产业进一步发展 2023年12月13日，马斯克发布OptimusGen2介绍视频。OptimusGen2可以轻松准确地抓取、拿起、放下鸡蛋，中间不会掉下来，左手转右手的整个过程也极为连贯，显示出OptimusGen2的精准物体操控能力。 此次OptimusGen2更加强大的一大重点在于感知方面的升级，OptimusGen2融合最先进的手部传感器，拥有11个自由度的全新灵巧手甚至具备了触觉感知功能，能够轻松地处理鸡蛋等精致物体，通过搭载触觉传感器的灵巧手，在拾起物体时能够呈现可视化的压力分布图像，从拾起物品的动作来看，几乎和人类没有差别。此外，OptimusGen2在足部亦搭载传感器，帮助其更平稳的行走以及完成其他复杂动作。 图表：特斯拉手部传感器图表：特斯拉脚部传感器 数据来源：机器之心，长城证券产业金融研究院数据来源：机器之心，长城证券产业金融研究院 www.cgws.com8 1.6政策端：政策加码人形机器人，着力机器人传感器领域 2023年9月，工信部发布《人形机器人揭榜挂帅任务榜单》，其中针对力传感器、MEMS姿态传感器、触觉传感器三个领域发布揭榜任务以及预期目标。 图表：人形机器人揭榜挂帅任务传感器部分 数据来源：工信部，长城证券产业金融研究院 www.cgws.com9 二、力/力矩传感器 www.cgws.com 2.1力传感器是人形机器人力控的关键部件 力控技术是机器人未来发展关键所在 力传感器可以将力的量值转换为相关电信号的器件，力传感器可以检测张力、压力、重量、扭矩、应变和内应力等机械量。 力控是指利用力传感器作为反馈装置，将力反馈信号与位置控制输入信号相结合，通过相关算法并实现控制。与传统的位置控制相比，力控具备适应性和灵活性的特点，传统的位置控制下，机器人会按照预先设定位置移动，路径中的障碍物会导致机器人位置追踪误差加大，力控则将有效解决这一问题，提升机器人的安全性。此力控更加柔顺，根据外部环境实施调整机器人动作，鲁棒性进一步提升。此外，力控可结合机器学习算法，是机器人实现更高级的自身控制。 力控属于更加柔顺的控制，可以实现实时不断调整力的大小，从而适应更多场景，是未来机器人发展的关键所在。 图表：埃斯顿力控方案 数据来源：埃斯顿官网，长城证券产业金融研究院 www.cgws.com11 2.2力传感器分类：六维力传感器最适用于机器人 按照测量维度：可将力传感器分为一维、三维及六维力传感器，一维力传感器适用于被测量的力的方向完全与OZ轴重合的场景，例如称重传感器等；三维力传感器适用于力的作用点始终与标定参考点O重合，力在三维空间内随机变化；六维力传感器适用于空间内力随机变化，同时力的作用点不与标定参考点O重合且随机变化，整体来看六维力传感器技术上更难，但性能最好，是最适合用于机器人上的力传感器。 图表：一维、三维、六维力传感器 数据来源：GGII，长城证券产业金融研究院 图表：六维力传感器工作示意图 图表：六维力传感器安装部位 数据来源：GGII，长城证券产业金融研究院 数据来源：GGII，长城证券产业金融研究院 www.cgws.com12 2.3六维力传感器分类：应变片式为主流 根据传感元件不同，可将六维力传感器分为应变片式、光学式以及压电/电容式。其中，应变片式综合指标占优。电容传感器成本相对较低，但其他性能方面落后于压电式。 目前应变片式技术最为成熟，精度性能均较高，是现在主流企业的选择，应变片式的工艺主要有硅应变片以及金属应变片，金属应变片成本较低，但硅应变片近年来技术不断成熟，整体成本呈现下降趋势。 图表：不同类型六维力传感器对比 传感元件类型原理及特点优点缺点代表企业 光学式 通过光纤、光栅反映形变，再转化成力 可靠性高、测量范围广、抗电磁干扰能力强 对测试环境要求高、刚0nRobot、松果体、华力创等性偏弱 应变片式 通常采用的是硅应 变片或金属箔，本质是材料本身发生 形变进而转化为阻值变化 精度高、技术成 熟测量范围广、 成本低、频响特性好 ATI、宇立仪器、坤维科技、鑫精诚 生产工艺复杂、金属箔蓝点触控、海伯森、神源生智能、 式应变计输出微弱 Sintokogio、BotaSvstemsAG、SCHUNK、埃力智能、ME-MeBsystemeGmbH等 电容是通过极距的高灵敏度和高分 压电/电容式 变化导致电压变化，辨率、频率范围 压电则是通过形变改变电荷 宽结构简单、环境适用性强 调理电路复杂、信号Robotiq、Robotous、WACOH- 漂移难以抑制TECH、Kistler等 数据来源：GGII，长城证券产业金融研究院 www.cgws.com13 2.4六维力传感器市场规模：下游应用丰富，政策持续发力，未来市场空间广阔 六维力/力矩传感器下游应用丰富，机器人领域是重要市场。 图表：六维力传感器在协作机器人领域应用 六维力传感器下游应用丰富，可运用于机器人、汽车、医疗以及航空航天等多个领域。其中，机器人领域是重要市场，在机器人领域六维传感器多用于多关节机器人以及对传感性能要求较高的机器人。 在工业领域：主要应用于协作机器人末端，实现高精密柔性装配等； 在商业领域：通过更好的感知人体压力进行按摩等操作； 在医疗领域：帮助手术机器人实现精度更高、更精细化的手术，降低手术风险。 随着人形机器人的逐渐落地，对于力控要求更高，我们认为，六维力传感器作为目前纬度最高，对力信息反馈最为全面的传感器，有望在政策和产业的双重驱动下，市场空间不断拓展。