力传感器：高价值量零部件，人形拉动广阔需求空间

力传感器在人形机器人领域具备巨大增量应用空间。以特斯拉Optimus为例，力传感器能助力人形机器人实现触觉感知及精准操作，多维力传感器在人形机器人领域中主要作用有三方面：力控制、平衡稳定控制、安全防护控制。人形机器人上会组合使用各类力传感器以满足不同的控制需求。其中少部分位置已经开始使用六维力传感器，它们在不同部位的安装可以显著提升机器人的操作性能和稳定性。预测2027E/2030E人形机器人产量突破20.27/122.36万台时，人形机器人领域带来力传感器的增量市场规模为141.70/560.81亿元。 力传感器结构特点、行业及市场格局解析。力传感器是一种检测和度量力/力矩的装置，由力敏元件、转换元件和信号处理单元等具体元件组成，按照测量维度的不同，可以分为一维至六维力传感器，最常见的是一维、三维和六维。根据测量原理不同，可以分为光电式、应变式、电容式、压电式等类型，应变式为主流。力传感器产业链上游主要为材料类、元器件及组件类、生产或检测设备等细分行业，中游主要为力传感器的加工制造和封装检测，下游应用领域广泛，可应用于工业、消费电子、汽车电子、机器人、医疗、航空航天等领域。 目前六维力/力矩传感器市场基数依然偏小，尚未形成明显规模效应。 从价值量较高的六维力矩传感器市场来看，国外老牌厂商众多，但受益于机器人市场需求催化，中国市场近年来入局者也在逐年增加，国产厂商正逐步追赶。 六维力传感器的核心技术壁垒在于对精度、准度及串扰性能的提升，未来降本空间大。六维力传感器不光形态多，研发难度也非常大。 其主要性能参数包括：量程、过载能力、分辨率、重复精度、串扰、准度等，其中体现六维力/力矩传感器综合性能的关键指标是串扰、精度和准度。降低多维力传感器耦合误差的策略大体上可分为结构性解耦和算法性解耦。为了能够达到更高的精度和准度，需要在传感器标定和检测过程中采用六维联合加载的方式，然而六维联合加载设备需自行研制，技术门槛较高。另外，六维力传感器还存在全方位机械过载保护、温度漂移和稳定性控制、多通道信号及实时数据处理和传感器融合等技术壁垒。六维力传感器单价较高，其成本中应变片、人工成本占比较高，未来有望随着市场基数扩大从而有效降本。 产业链相关标的：坤维科技、宇立仪器、鑫精诚传感器、柯力传感、昊志机电、安培龙 风险提示： 人形机器人规模化不及预期风险；六维力传感器技术路径变化风险；产品降价程度不达预期风险。 1人形机器人的触觉实现 1.1力传感器助力人形机器人实现触觉感知及精准操作 去年年底，特斯拉发布了关于其人形机器人Optimus最新的迭代升级，着重凸显了Gen2在操作技能上的显著提升。到今年5月，特斯拉又发布了Optimus在其工厂“打工”的演示视频，工作中Optimus仅依靠FSD、2D摄像头、手部的触觉和力传感器，就能够执行较为复杂、精细的操作任务，其先进的力感应技术大大增强了它在实际应用场景中的灵活性和稳定性。视频中有几处亮点同力传感器息息相关： 精准抓握：OptimusGen2能够轻柔而精确地抓取和放下鸡蛋，这展示了它在精细操作方面的卓越能力。力传感器的应用使得机器人能够感知并调整握力，避免对易碎物品造成损害； 物体传递：机器人能够流畅地将物品从一只手转移到另一只手，这一过程需要精确的力度控制和协调能力。力传感器帮助机器人在转移过程中感知和调整力度，确保物品的平稳过渡； 深蹲动作：OptimusGen2能够执行标准的90度深蹲动作，这要求机器人的多个关节协同工作，保持身体的平衡。力传感器在此过程中协助机器人感知身体各部位的受力情况，以维持姿势的稳定； 步态调整：机器人能够根据需要调整其行走速度，这表明它具备适应不同环境的能力。力传感器在此过程中监测足部与地面的接触力度，并帮助机器人调整步伐，以适应不同的行走条件； 足部与腿部设计：Optimus Gen2的足部和腿部设计模仿了人类的结构，这使得它能够在多变的地形上自如行走。力传感器在此帮助机器人感知地面的质地和凹凸不平，从而调整步伐和保持平衡。 通过这些展示，OptimusGen2证明了其在力控制和感知方面的先进技术，预示着未来机器人在各种工作环境中的应用潜力。 图表1：Optimus处理传递鸡蛋等精细物体 图表2：Optimus在特斯拉工厂娴熟分装电池 1.2力传感器在人形机器人中的具体应用 多维力测量技术属于一种多功能平台技术，它能够根据不同的应用环境、负载需求、安装条件、通信方式、计算能力以及动力学属性等因素进行调整，以适应各种不同的应用场景。在各个领域中，力传感器的形态和特性都表现出明显的差异。当前六维力传感器被广泛应用于汽车行业的碰撞测试、轮毂、座椅等零部件测试，以及航空航天、生物力学、医疗康复、科研实验、机器人和自动化技术等领域。 图表3：多维力传感器技术应用 力传感器可以按照测量维度分为一至六维力传感器，能测几个维度就是几维力传感器。一维、三维和六维力传感器最常见，二维和五维的力传感器较少见。 六维力传感器也是维度最高的力觉传感器，它能给出最为全面的力觉信息，因此六维力传感器的技术难度和使用难度都相对较大。人形机器人领域，六维力传感器已成为高性能人形机器人的标配，通常安装在手腕、脚腕、足底或手部，在运控规划、姿态调整、力度感知等中起到重要作用，以提升手部操作的灵活性以及脚部行走的稳定性，提升人形机器人在复杂环境中的自主性和适应性，可以实现在碎石、地砖、厚地、草坪等不平整地面上稳定快速行走，通过全新的脚掌姿态控制算法以及柔性自适应多种地面。目前特斯拉Optimus、优必选Walker X、达闼科技的小紫XR-4、美国宇航局的Valkyrie等，都已采用六维力传感器来提升机器人的性能。 六维力传感器在人形机器人领域中主要作用有三方面： 力控制——要求机器人的手臂能够精准地完成如抓取、组装和轻触等细致繁琐的力控制任务。六维力传感器能够检测并反馈手臂对物体施加的力和扭力并传输给机器人控制系统，确保“大脑”能够进行准确的调整。 平衡稳定控制——在人形机器人行走时，为了维持稳定性，六维力传感器同样发挥着关键作用。它能够测量机器人脚部受到的地面反作用力，使控制系统能够相应地调整机器人的手臂和身体姿态，以保持平衡。 安全防护控制——六维力传感器在安全防护系统中也扮演着重要角色，能够在机器人执行潜在危险操作或人类靠近时自动触发停止机制，以防止对人员造成伤害。 此外，人形机器人还可能使用三维力传感器、关节扭矩传感器或一维拉力传感器，同时有些也会用到触觉传感器、电子皮肤等。多维力传感器的组合使用是指，人形机器人应用上同时使用三维力传感器、关节扭矩传感器或一维拉力传感器，以满足不同的控制需求。如特斯拉Optimus目前在各类执行器中均有应用一维或关节扭矩传感器，未来可能还会在脚趾部位增加一维力传感器，获取更多点信息，以便适应更加复杂的地面场景。除了力传感器，人形机器人还可能集成触觉传感器和电子皮肤，以提供更全面的环境感知能力。 图表4：多维力传感器适用于人形机器人的关节、手腕、脚踝、灵巧手等部位 上图是各类力传感器在人形机器人各部位上的应用情况，其中少部分位置已经开始使用六维力传感器，目前的比例是一台人形机器人对应4个六维力传感器的需求量。六维力传感器在人形机器人中扮演着至关重要的角色，它们在不同部位的安装可以显著提升机器人的操作性能和稳定性。例如，安装在手腕部位的传感器能够辅助机器人进行精细的手部操作，如抓握、搬运和装配等任务，极大地增强了手部的灵活性和精确度。增强了机器人在需要柔顺控制场景中的适应性，使得机器人能够更加灵活地与环境互动。同时，在脚腕或足底安装的六维力传感器，让机器人在行走和平衡控制时能感知地面的反作用力，进而调整手臂和身体姿态，从而提高行走的稳定性。 六维力传感器所提供的数据，对于机器人的运动控制规划同样至关重要，它们帮助机器人更有效地规划动作，避免碰撞和损伤。在机器人进行姿态调整时，这些传感器能够提供关键的反馈信息，确保机器人能够保持平衡和稳定。不仅如此，六维力传感器赋予了机器人对力度的感知能力，在需要精确控制力度的应用中发挥着重要作用，使得人形机器人在与外界物体交互时能够更加精准和安全。 通过这些传感器的集成应用，人形机器人的整体性能得到了显著提升，无论是在工业自动化还是服务领域，都能展现出更高的效率和可靠性。 图表5：人形机器人领域带来的力传感器增量市场情况测算 我们大致估计单台人形机器人可能应用4支六维力矩传感器以及30支（关节）一维力/力矩传感器，后续随着人形机器人规模上量，单价较贵的六维力矩传感器有望实现快速降本。结合系列报告中对于人形机器人总需求的预测数据，可得人形机器人量产后有望带给多维力传感器以巨大增量空间，2027E/2030E人形机器人产量突破20.27/122.36万台时，人形机器人领域带来力传感器的增量市场规模为141.70/560.81亿元。 2解析力传感器行业 2.1什么是力传感器 力/力矩/力觉传感器是一种检测和度量力/力矩的装置，它能够将作用在其上的力转换为电信号或其他形式的信号，以便于信息的收集、传输、处理、分析和显示。这里我们将力、力矩、力觉传感器统称为力传感器，力传感器在工业自动化、机器人技术、医疗设备、交通运输等多个领域都有广泛应用。 图表6：人形机器人具身智能架构 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，能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。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），如电阻应变片，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。 图表7：六维力矩传感器结构示意图 2.2力传感器的具体分类 按照测量维度的不同，可以分为一维至六维力传感器，每种类型的传感器根据其测量的力的方向和作用点的不同，适用于不同的应用场景： 一维力传感器：这种传感器只能测量沿一个特定方向的力。适用于力的方向和作用点固定不变的情况，例如简单的称重或压力测量。代表产品有称重传感器、压力传感器等。 三维力传感器：能够测量三个正交方向上的力，通常是X、Y和Z轴方向。 适用于需要测量空间中任意方向力的场景，例如机器人的力控制。 六维力传感器：是一种特殊的力传感器，能够同时测量三个正交力和三个正扭矩。这种传感器是维度最高的力觉传感器，能够提供最全面精准的力觉信息。 六维力传感器适用于需要精确控制和感知复杂交互力的应用，如机器人手术、精密装配、拖动示教等。 最常见的是一维、三维和六维力传感器，二维（测量两个正交方向上的力，通常是水平和垂直方向）、四维（在三维力传感器的基础上增加了对某一方向力矩的测量）和五维（测量三个正交力和两个正交力矩）的力传感器较少。 图表8：一维、三维、六维力传感器作用示意及产品图 根据其测量原理不同，力传感器可以分为光电式、应变式、电容式、压电式等类型。每种类型的力传感器都有其特定的优势和局限性，选择哪种类型的传感器通常取决于应用的具体需求，包括测量范围、精度、响应时间、成本和环境条件等。目前，市场应用的六维力/力矩传感器大部分是基于应变式的测量。基于压电、电容和光学等原理测量的传感器有一定的理论研究和实验，下游尚未得到广泛应用。随着相关研究的不断深入，不同测量机理的传感器将会发挥自身优势被应用到各种场合，