六维力传感器：人机末端力觉来源，行业格局变化在即

2024年04月15日 证券研究报告|产业深度报告 六维力传感器：人机末端力觉来源，行业格局变化在即 人形机器人专题报告四 机器人 投资评级：推荐（维持） 投资要点 力传感器作为力的感知及测量工具，上游材料成本占比高，下游应用广泛。 从产业链上看：1、力传感器上游直接材料成本占比达80%以上，关键环节包 分析师：曾文婉 分析师登记编码：S0890521020007电话：021-20321380 邮箱：zengwenwan@cnhbstock.com 销售服务电话： 021-20515355 行业走势图（2024年4月15日） 资料来源：iFind，华宝证券研究创新部 相关研究报告 1、《拆解人形机器人结构，寻找高价值量细分领域—人形机器人专题报告三》2024-01-23 2、《供应端从0到1有望突破，需求端人机替代市场广阔—人形机器人专题报告二》2023-12-21 3、《智能化进阶开启，商业化落地在即 —人形机器人专题报告一》2023-12-20 括应变片的加工制造；2、中游为加工制造与封装检测，重要工艺流程包括弹性体的制造与加工、应变片的贴片、检测等环节；3、下游行业应用领域广泛，包括工业自动化、汽车、消费电子、医疗设备、航空航天等。 六维力传感器是维度最高的力传感器，已成为高性能人形机器人的标配。根据所测力的维数不同，力传感器可被分为一到六维力传感器；根据其测量原理不同，又可以分为光电式、应变式、电容式、压电式等类型。六维力传感器是维度最高的力传感器，能给出最为全面的力觉信息、提升传感精度，并非是多个低维力传感器可替代的。在人形机器人领域，六维力传感器可提升机器人手部操作的精细化与柔性化程度以及脚部行走的稳定性，主要安装手腕、脚踝等的末端部位，已成为高性能人形机器人的标配。 六维力传感器生产技术难度大、生产效率低，产品价格昂贵、利润较高。相比其他维度力传感器，六维力传感器技术、资金壁垒最高，其核心技术包括解耦方法、六维联合加载标定检测系统、降低零点漂移和温度漂移等。同时，六维力传感器相比普通力传感器在工艺流程上更为复杂，且尚未完全实现自动化生产，例如贴片环节仍需人工操作。最后，六维力产品平均单价在2-4万左右价格昂贵，而成本在数千元，利润率较高、降价空间充足，在人形机器人量产加速、降价迫切的预期下，六维力传感器或将迎来降价潮以及行业洗牌。 目前六维力传感器市场规模化不足，但未来人形机器人量产将带来较大市场增量。国内六维力传感器市场相对小众，2022年市场规模不到3亿人民币、销量不到1万套。在下游应用中，工业自动化（包含传统机器人）领域应用规模占比最大，但人形机器人行业应用规模增速最快，长远来看，人形机器人量产将是六维力传感器市场较大的增长来源。 国内六维力传感器市场以外资品牌为主，国产化率有望提升。从国内市场来看，六维力传感器市场呈现集中度较高、外资品牌占主导等特点。国外厂商ATI市占率远超其他厂商，而国内市占率较高的厂商主要为非上市公司，包括宇立仪器、蓝点触控、坤维科技，位于TOP5以内。比较国内外产品差异，国产与外资主流产品在精准度方面已基本对齐，但在灵敏度、串扰、抗过载能力及维间耦合误差等方面仍存在差距。从价格上看，国产品牌性价比更高，将有望加速推动国产替代进程。 国内相关公司情况梳理：涉及六维力传感器的国内上市公司较少，主要为昊志机电、柯力传感以及敏芯股份，且它们的六维力产品业务仍处于小规模商业化或研发阶段。 敬请参阅报告结尾处免责声明 华宝证券1/41 投资建议：1、后续需进一步关注六维力传感器、人形机器人行业发展趋势，关注能尽快适应人机行业需求的六维力产品厂商以及在新生产技术、新产品技术、规模化生产上有重要突破的企业。2、需跟踪六维力传感器国产替代进程，关注替代进程中取得竞争优势的企业。3、需跟踪六维力产品厂商与人形机器人厂商合作情况，关注在人形机器人应用领域有布局、且最终能获得订单的企业。 风险提示：产业政策支持力度不及预期、人形机器人等终端行业需求不及预期、市场规模测算模型存在失效风险、国产替代进程不及预期、行业内价格战加剧、产品规模化生产不及预期。本报告中所提及的公司旨在对行业现状进行说明，不代表推荐或覆盖。 内容目录 1.力传感器作为力的感知及测量工具，上游材料成本占比高，下游应用广泛5 1.1.力传感器可感受力或力矩大小并将力学量转换成相关电信号5 1.2.力传感器上游材料成本占比较高，下游行业应用领域广泛6 2.六维力传感器是维度最高的力传感器，已成为高性能人形机器人的标配10 2.1.六维力传感器是维度最高的力传感器，且市场产品较多为应变片式10 2.2.六维力传感器的优点使之成为高性能人形机器人的标配13 3.六维力传感器生产技术难度大、生产效率低，产品价格昂贵、利润较高16 3.1.六维力传感器生产技术难度大，存在技术、资金、人才壁垒16 3.1.1.壁垒一：需要通过解耦来减少串扰，解耦方法的掌握存在技术门槛17 3.1.2.壁垒二：需要六维联合加载检定来进行解耦、提高精准度，设备研制存在门槛18 3.1.3.壁垒三：需要降低漂移来减少误差、提升稳定性，控制漂移误差存在难度20 3.2.六维力传感器工艺流程更为复杂，且尚未完全实现自动化生产21 3.3.六维力传感器价格高、利润空间大，人形机器人量产预期下或将掀起降价潮22 4.六维力传感器市场规模化不足，但未来人形机器人量产将带来市场增量23 4.1.六维力传感器市场相对小众，暂未形成规模化出货23 4.2.人形机器人量产将是六维力传感器市场的较大增长来源24 5.国内六维力传感器市场以外资品牌为主，国产化率有望提升26 6.相关公司情况梳理29 6.1.宇立仪器：从汽车碰撞假人到机器人打磨再到人形机器人，六维力产品类型丰富29 6.2.坤维科技：核心技术源于航天测试，主攻协作机器人赛道，已向人形机器人领域拓展31 6.3.蓝点触控：在国内品牌中六维力产品营收仅次于宇立仪器，从硬件到软件提供全面解决方案32 6.4.海伯森：视觉传感器与力传感器，六维力传感器价格较高33 6.5.鑫精诚：3C细分赛道起家，以高性价比产品切入低要求应用领域34 6.6.神源生智能：具备高校背景，国内市场份额占比较低35 6.7.埃力智能：扎根运动健康领域，已被人机厂商傅利叶智能收购35 6.8.瑞尔特测控：依托德国先进技术，产品单价远低于国内其他品牌36 6.9.昊志机电：立足主轴业务向机器人领域扩张，六维力产品处于初步商业化阶段36 6.10.柯力传感：以称重传感器起家，六维力产品处于开发试制阶段36 6.11.敏芯股份：聚焦MEMS传感器，六维力产品处于研发阶段37 7.投资建议40 8.风险提示40 图表目录 图1：力（或力矩）传感器基本工作原理5 图2：力传感器工作中，应变片被压缩，其电阻减少；如果拉伸，电阻会增加5 图3：力传感器结构（以应变式力传感器为例）6 图4：力传感器结构（以应变式力矩传感器为例）6 图5：力传感器产业链7 图6：电阻应变片结构（以丝式电阻应变片为例）8 图7：力传感器生产工艺流程（以应变式传感器为例）8 图8：2018-2026年全球MEMS压力传感器下游应用市场规模（单位：亿美元）10 图9：2019-2026年全球MEMS压力传感器下游应用市场规模预测（单位：百万美元）10 图10：不同类型力传感器性能比较12 图11：六维力传感器下游应用14 图12：传统机器人六维力传感器与关节扭矩传感器安装部位15 图13：人形机器人六维力传感器与关节扭矩传感器安装部位15 图14：分别对六维力传感器的六个测量方向精确加载至各自的额定载荷，记录六个方向的测量结果，最终得到串扰指标17 图15：力传感器的精度与准度19 图16：六维力传感器的检定与一维力传感器相比更为复杂19 图17：相比一维传感器，六维力传感器对检定设备的要求更高20 图18：各国航空航天领域科研机构研发出的六维力传感器标定检测设备，尚未有标准产品20 图19：单维力传感器一般需要4个应变片，4个应变片组成一个惠斯通电桥22 图20：六维力传感器至少有6个惠斯通电桥，需要24个应变片22 图21：全球力和力矩传感器市场规模（单位：亿人民币）23 图22：2017-2027年中国六维力传感器市场规模及预测（单位：百万元，%）24 图23：2017-2027年中国六维力传感器销量规模及预测（单位：套，%）24 图24：2023年六维力传感器分行业市场份额24 图25：2023年六维力传感器分行业市场规模同比增长率24 图26：2023年中国市场六维力传感器厂商营收份额占比27 图27：2022年国内协作机器人用六维力矩传感器市场份额占比（按销量划分）27 图28：2020-2030E六维力传感器内外资出货（按价值量）占比及预测27 图29：宇立仪器简介与发展历程30 图30：宇立仪器主营业务30 图31：宇立仪器力传感器相关产品介绍30 图32：坤维科技核心技术32 表1：力传感器生产工艺流程（以应变式力传感器为例）8 表2：按所测力的维数不同给力传感器进行分类，常见的有一维力传感器、三维力传感器和六维力传感器10 表3：力传感器分类11 表4：不同类型六维力传感器的代表企业及产品案例13 表5：六维力传感器在机器人领域的应用14 表6：使用力传感器的人形机器人代表产品情况梳理16 表7：不论是结构解耦，还是算法解耦，均存在一定技术门槛18 表8：六维联合加载设备的组成结构20 表9：六维力传感器在下游各领域的应用现状24 表10：对全球人形机器人量产带来的六维力传感器市场增量进行预测25 表11：国内外六维力传感器主要生产商26 表12：国内外六维力传感器产品对比28 表13：六维力传感器相关公司情况梳理37 1.力传感器作为力的感知及测量工具，上游材料成本占比高，下游应用广泛 1.1.力传感器可感受力或力矩大小并将力学量转换成相关电信号 力（或力矩、力觉）传感器是一种能感知力（或力矩）并转换成可用输出信号的传感器。力（或力矩、力觉）传感器的核心原理是将力作用下的形变转换成电信号，能检测张力、拉力、压力、重量、扭矩、内应力和应变等力学量。下文将力或力矩、力觉传感器统称为力传感器。 力传感器主要包括本体单元和应变/形变检测系统两大部分，由力敏元件、转换元件和信号处理单元等具体元件组成。当有力作用时，力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（应变片或光学系统）可感知本体的应变或形变，通过电路将其转化为相应电压，继而通过测量电压值来表征力的大小，并转换成可用输出信号，最终实现力的测量。在组成元件中，力敏元件指力传感器中直接感受或相应被测量的部分，转换元件指力传感器中能将力敏元件感受或相应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。例如应变式力传感器的力敏元件是弹性敏感元件（弹性体），常见的弹性体材料有铝合金、合金钢和不锈钢，转换元件为贴在弹性体上的应变片（计），最常见的应变片是电阻应变片，信号处理单元一般为电路，包括漆包线、PCB板等，应变片在电路中充当电阻。 图1：力（或力矩）传感器基本工作原理图2：力传感器工作中，应变片被压缩，其电阻减少；如果 拉伸，电阻会增加 资料来源：《与人共融机器人的关节力矩测量技术》（刘玉旺、刘金国、骆海涛），华宝证券研究创新部 资料来源：HBM测试与测量公众号，华宝证券研究创新部 图3：力传感器结构（以应变式力传感器为例）图4：力传感器结构（以应变式力矩传感器为例） 轴式扭矩传感器法兰式扭矩传感器 资料来源：蓝炬光科公司官网，华宝证券研究创新部资料来源：HBM测试与测量公众号，华宝证券研究创新部 力传感器的精准度、稳定性、适用性和成本是用户购买力传感器产品的关键考量因素。具体在精确度、稳定性及适用性上，一般关注测量量程范围、测量精准度、体积及质量大小、抗电磁干扰性能等指标。例如由于传感器量程和精度成反比关系，选择合适量程的传感器才能