人形机器人行业研究报告：传感器，机器人感知核心，未来的星辰大海

投资要点 机器人外界环境感知与智能化提升依赖高性能传感器。人形机器人大致包括感知系统、传动系统、电源系统、大脑、结构件几个方面，其中传动系统成本占比30-40%，以传感器为主的感知系统成本占比约20%左右，大脑、电源系统、结构件等占比30%-40%。机器人使用的传感器大致包括视觉传感器、力/力矩传感器、触觉传感器、惯性传感器（IMU）、流量传感器等，传感器是机器人实现外界环境感知和交互的关键。 力控：机器人柔性力控不可或缺，力传感器为核心零部件。力传感器可以分为一至六维力传感器，多维力传感器在机器人领域应用广泛，包括力控打磨、精密装配、示教拖动、医疗康复等。预计机器人力控的最佳方案为，每个关节使用1个力传感器，其中旋转关节使用扭矩传感器，线性关节使用单向力传感器，机器人的手腕、脚踝各2个六维力传感器。传感器的技术壁垒主要体现在传感器结构设计、标定系统精度、以及解耦和补偿算法。目前价格较高是制约六维力传感器应用的重要因素，国产六维力矩传感器价格在2-3万元左右，进口价格在7-8万元左右。测算100万人形机器人对应的扭矩传感器/单向力传感器/六维力传感器市场空间分别为30/28/80亿元。国产头部六维力传感器厂商包括坤维科技、宇立仪器、蓝点触控等，整体与外资主流传感器在灵敏度、串扰、抗过载能力及维间耦合误差仍存在差距，随着技术进步，国内外人形机器人量产带来的降本诉求有望给国产厂商带来发展机遇。 电子皮肤：具备物理柔性与仿生特性，实现触觉感知。电子皮肤即柔性仿生触觉传感器，是一种能够实现仿人类触觉感知功能的柔性电子器件，具备物理柔性和仿生特性。触觉传感器按原理分为压阻式、电容式、压电式、光学式等，制备电子皮肤的核心包括材料选择、结构设计、制造工艺。人形机器人手部一般应用触觉传感器，未来机器人要和人实现接触和互动，除了手部，在肩膀、手肘、前后背部也可能覆盖电子皮肤，测算100万人形机器人对应的电子皮肤市场空间约为100亿元。国外做柔性触觉传感器的领先企业包括Tekscan、Pressure Profile Systems等，占据市场主要份额，国内包括帕西尼感知科技、力感科技、他山科技、墨现科技、能斯达等，均处于早期，未来将受益于人形机器人的规模量产。 相关标的：建议关注布局机器人传感器领域的公司：压力传感器龙头安培龙 （301413）、结构力学测试研究龙头东华测试（300354）、稀缺电子皮肤标的汉威科技（300007）、应变式称重传感器龙头柯力传感（603662）。 风险提示：人形机器人发展不及预期的风险、传感器技术发展不及预期的风险、市场竞争加剧的风险。 1传感器是机器人感知系统核心，价值量占比较高 以传感器为主的感知系统在机器人中成本占比20%左右。机器人大致包括感知系统、传动系统、电源系统、大脑、结构件几个方面，其中传动系统和感知系统是核心部分，以特斯拉Optimus为例，根据测算，传动系统成本占比30%-40%，以传感器为主的感知系统成本占比约占20%左右，大脑、电源系统、结构件等占比30%-40%。 图1：测算感知系统在机器人中成本占比20%左右 机器人外界环境感知与智能化提升依赖高性能传感器。机器人使用的传感器大致包括视觉传感器、力/力矩传感器、触觉传感器、惯性传感器（IMU）、流量传感器等，传感器是机器人实现外界环境感知和交互的关键，其中视觉传感器是机器人的“眼睛”，力/力矩传感器是机器人的“肌肉神经”，触觉传感器是机器人的“皮肤”。 图2：传感器是机器人感知核心 2力控：机器人柔性力控不可或缺，力传感器为核心零部件 2.1力传感器分为一至六维力传感器 当机器人与外界环境之间产生接触力，会对机器人控制系统的精度产生巨大影响，所以必须使机器人对环境具备一定的柔顺性。检测机器人与环境间的交互力信息主要包括以下几种方式： 1）关节电流：通过机器人的伺服驱动器直接获取机器人各关节电流，再通过转矩系数和估算的摩擦力矩，计算各关节的输出力矩。误差较大，精度受到摩擦力较大影响，适用于直驱电机或小减速比应用场景。适用于小型机器人，比如ABB的YuMi，单臂负载为0.5kg。 2）关节扭矩传感器：通过在减速器的输出端安装关节力矩传感器，可避免关节摩擦力的影响，建立关节力矩-角度的动力学模型，精度很高，但结构复杂，且会降低关节传动链的刚度。代表产品为KUKA的iiwa。 3）末端/腕部多轴力矩传感器：在机器人的末端安装六轴力矩传感器，可获取力矩传感器往后段的力觉信息，是目前大部分工业机器人采取的力控方式。在人形机器人中，力/力矩传感器通常安装在脚掌和踝关节之间/机械手和腕关节之间，用来测量末端执行器与外界环境相互的受力情况。 4）类似皮肤的力觉/触觉传感器：在机器人表面覆盖一层压力传感器，可直接检测环境施加在机器人全身上的力信息，精度高，但结构复杂，成本高。 图3：使用关节扭矩传感器和末端/腕部多轴力矩传感器 图4：KUKA-iiwa关节使用力矩传感器 按照测量维度，力传感器可以分为一至六维力传感器。最常见的是一维、三维和六维力传感器。在指定的直角坐标系内，传感器如果能同时测量沿三个坐标轴方向的力和绕三个坐标轴方向的力矩，则称为六维力传感器。一维、三维和六维力传感器分别适用于不同的场景。 一维力传感器：适用于力的方向和作用点是固定的场景。一维力传感器的标定坐标轴为OZ轴，被测量力F的方向能完全与0Z轴重合。 三维力传感器：适用于力的方向随机变化，但力的作用点保持不变，并且与传感器的标定参考点重合的场景。力F的作用点P始终与传感器的标定参考点O保持重合，力F的方向在三维空间中随机变化，三维力传感可以同时测量Fx、Fy、Fz三个F的分力。 六维力传感器：适用于力的方向和作用点都在三维空间内随机变化的场景。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，六维力传感器同时测量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz六个分量。 图5：一维、三维和六维力传感器分别适用于不同的场景。 根据感力原件的不同，力传感器主要分为三类：应变式力传感器、光学式传感器以及压电式力传感器。其中电阻应变式是应用最广泛、研究也比较成熟的一类。 应变式力传感器：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； 光学式传感器：通过光栅反映形变，再转化成力； 压电式传感器：将被测物理量变化转换成压电材料因受机械力产生静电电荷或电压变化的传感器，可分为电容和压电两种，电容是通过极距的变化导致电压变化，压电则是通过形变改变电荷。 图6：六维力和力矩传感器常见原理 图7：电阻应变式六维力传感器力/力矩信息检测原理 经过稳定性、刚度、动态特性、成本与信噪比五个维度的比较可知，硅应变传感器和金属箔传感器之间，硅应变片在稳定性、信噪比以及动态特性方面要更优，两者刚度上相差不多，但成本上金属箔要优于硅应变片；电容传感器和压电传感器之间，电容传感器成本最优，其他几项弱于压电传感器；光学传感器在动态特性方便明显具有优势。 图8：不同原理六维力和力矩传感器比较 表1：不同类型六维力/力矩传感器原理、特点及代表企业 多维力传感器在机器人领域应用广泛，包括力控打磨、精密装配、示教拖动、医疗康复等。例如：1）将多维力传感器应用于机械臂力控打磨卫浴中，在卫浴表面的不规则曲线进行打磨的过程中，实时感知各个角度的力度信息，确保打磨后的表面光滑。2）将机械臂应用于紧密的机械装配，减少传统机械臂上无力觉反馈时系统的复杂度，提高装配的成功率。 3）在人机交互中，多维力传感器帮助感知操作时力的方向，协助机械臂与人之间的示教拖动。4）在医疗领域，将多维力传感器配合医疗机械手臂，用于精密的远程医疗手术操作。 图9：多维力传感器在机器人上的应用 特斯拉人形机器人Optimus使用扭矩传感器、单向力传感器以及六维力传感器。2021年8月，马斯克首次发布特斯拉人形机器人（Tesla Bot）计划，代号“擎天柱”（Optimus）。 Optimus关节内部使用旋转执行器和线性执行器两种方案，其中旋转执行器使用扭矩传感器（×12），线性执行器使用单向力传感器（×14），此外，在手腕和脚腕关节使用六维力传感器（×4）。 图10：Optimus使用扭矩传感器、单向力传感器以及六维力传感器 图11：优必选Walker S1使用4个六维力传感器 预计机器人力控的最佳方案为，每个关节使用1个力传感器，其中旋转关节使用扭矩传感器，线性关节使用单向力传感器，机器人的手腕、脚踝各2个六维力传感器。由于手部需要和外界进行交互执行工作任务，脚步需要感知复杂的地面进行行走，所以需要感知的力较为复杂，而关节需要感知的力较为简单。 100万台人形机器人力传感器市场空间测算：1）扭矩传感器：单台机器扭矩传感器数量为12个，假设100万台人形机器人对应的单价为250元，对应的市场空间为30亿元。2）单向力传感器：单台机器人丝杠数量为14个，假设100万台人形机器人对应的单价为200元，对应的市场空间为28亿元。3）六维力传感器：单台机器人六维力传感器数量为4个，假设100万台人形机器人对应的单价为2000元，对应的市场空间为80亿元。 表2：特斯拉人形机器人Optimus力传感器市场空间测算 2.2六维力传感器技术壁垒高，传感器解耦为难点 六维力传感器在航天航天、汽车测试、生物力学和机器人领域都有应用。六维力测量的需求最早来自航空航天飞行器研究领域，安装在飞行器内部的六维力传感器用来测量飞行器的空气动力学特性，后来逐渐应用到汽车测试、生物力学和机器人等领域。 表3：六维力矩传感器应用广泛 六维力传感器的重要指标包括： 串扰：用来衡量多维力传感器各测量方向间的耦合影响，可以反映测量误差水平。 精度：衡量测量结果之间的重复性。精度标定方法：在相同环境条件下，在额定载荷范围内，多次多方向联合加载相同一组载荷，计算得到的传感器测量值的标准差，并除以量程。 准度：衡量测量结果与理论真值的偏离程度。准度标定方法：对传感器进行多次多方向联合加载，计算得到的传感器测量值与所加载荷理论真值之间的标准偏差，并除以量程。 图12：六维传感器的精度和准度 传感器的技术壁垒之一：结构设计，具体又包括弹性体结构设计和应变片粘贴位置。 电阻应变式传感器主要由电阻应变片、弹性体以及测量电路组成。其中最核心的元件是弹性体，利用弹性体来感知作用在装置上的力/力矩，所以对于弹性体的优化设计直接关系传感器的性能，弹性体材料和结构尺寸变化都会对传感器性能产生一定影响。应用比较广泛的弹性体结构主要有一体化结构和Stewart并联结构两种，其中一体化结构又包括竖梁式、横梁式、十字梁式、圆柱式等。 表4：不同弹性体结构的力/力矩传感器的特性比较 图13：不同结构的弹性体结构 应变片的粘贴位置也会对传感器的精度产生影响。例如目前已较成熟的十字梁型弹性体结构，这种弹性体结构包括了四个主梁、八个浮动梁、中心台、轮缘等。在每个主梁的正反面及两个侧面各贴有一个或两个应变片，共24个应变片，由于六维力传感器弹性体尺寸较小，贴片位置有限，应变片尺寸受到加工工艺的约束，并且应变片的粘贴为纯手工粘贴，不可避免会有误差，进而对传感器精度产生影响。 图14：应变片的粘贴位置也会对传感器的精度产生影响 传感器技术壁垒之二：标定系统精度。“标定”是建立传感器原始信号和受力之间的映射关系，是传感器研发过程的核心环节。首先，传感器的输入量（六维力向量的大小和方向）和输出量（各路的输出电压值）之间的关系，需要通过标定实验的数据获得；此外，多维力传感器的每一维度输出的电压信号不仅受该维度方向力的作用影响，还会受到其他维度受力的影响，这种耦合电压称为维间耦合，会影响传感器的精度，标定实验的数据既为耦合误差模型的建立提供了依据，又为解耦算法提供了实验数据。 六维力传感器非线性特性显著。六维联合加载标定是指采用三个方向的力和三个方向的力矩同时加载。例如一维拉压力传感器，在X轴方