人形机器人产业系列报告（二）：传感器行业深度研究

1中泰证券研究所专业｜领先｜深度｜诚信2023.12.31人形机器人产业系列报告（二）——传感器行业深度研究冯胜中泰中游制造负责人&先进产业研究首席执业证书编号：S0740519050004曹森元中泰先进产业研究组研究助理｜ 证 券 研 究 报 告 ｜ 2核心观点传感器是人形机器人感知层的关键，基于MEMS工艺的力控、触觉、惯性传感器有望充分受益。1）人形机器人将更重视感知层和交互层，传感器的重要性凸显。在智能机器人中，传感器用量大，成本占比高，特斯拉optimus机器人上各类传感器成本占比接近30%。2）人形机器人即将迎来快速发展阶段，传感器将在此过程中充分受益；其中力控、触觉、惯性三类传感器的成本较高，且国内外在高端产品的技术水平上仍存在较大差距。MEMS传感器由于其高集成性、小体积、规模化生产成本低等诸多优势，是应用于机器人传感器的上佳解决方案之一。六维力传感器是机器人精准力控的优选方案，技术壁垒较高，我国正快速追赶世界先进水平。1）力/力矩传感器是机器人实现力感知的重要途径。人形机器人通过主动力控实现“触觉”感知，以力传感器为主的力控是机器人精准力控的优选。而六维力传感器是维度最高的力觉传感器，能给出最为全面精准的力觉信息。2）MEMS有望加速替代金属箔片式力传感器。从技术路线看，当前六维力以金属箔片式为主，但这类产品存在在人工成本高，效率低等缺陷，相比之下，硅基MEMS式成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产，未来有望成为主流。3）海外先发优势明显，国内企业快速追赶。目前ATI等海外企业主导全球市场，我国的六维力传感器行业起步较晚；受制于维间耦合和标定检测等技术壁垒，目前仍处于产业早期，2022年市场规模仅约2.4亿元。以坤维科技、蓝点触控、南宁宇立等为代表的民族品牌正快速实现六维力传感器的国产化和高端化；其中，坤维科技已成功自主研发量产准度高于0.5%的六维力传感器，目前在国内市占率超50%。核心观点 3柔性触觉传感器有望进一步强化机器人感知能力，目前处于产业化早期，成长空间广阔。1）柔性触觉传感器有望升级机器人感知能力。柔性触觉传感器相比传统的刚性传感器，具备可弯折、延展性等特质，可广泛应用于医疗保健、消费电子、工业等领域。人形机器人所需的“电子皮肤”即使用柔性材料制备而成的阵列式触觉传感器，有望使机器人具备多物理量（温度、力、粗糙度等）感知能力，帮助机器人实现精细操作。根据其感应原理，主要可分为压电式、压阻式、电容式触觉传感器。2）预计2028年全球柔性传感器市场空间超500亿元，国内增速有望大幅高于海外。根据汉威科技微信公众号，2021-2028 年全球柔性传感器市场的年复合增长率达6.8%，预计2028 年可达84.7 亿美元； 国内市场，2022年中国柔性传感器行业市场规模为21.12亿元，2017-2022年CAGR超过23%，其中消费电子、医疗为主要需求来源。3）海外龙头占据优势，国内企业加速追赶。随着MEMS技术、电子印刷工艺、3D打印技术等加工工艺的升级，“电子皮肤”有望向高密度、高灵敏、快响应、多功能、高集成的方向发展。竞争格局方面，Novasentis、Tekscan、JDI等海外企业市占率仍然居于前位，根据QY Research数据，全球前八大柔性触觉传感器企业2022年占据57.1%的市场份额，市场集中度较高；国内企业中，能斯达（汉威科技子公司）、帕西尼传感、力感科技等诸多公司均有柔性传感器生产布局，但均处于早期；人形机器人的需求驱动有望加速国产品牌技术进阶。惯性传感器助力人形机器人实现姿态控制、导航定位，高性能传感器的国产替代空间巨大1）MEMS惯性传感器具备体积小、功耗低、集成能力强等优势，在人形机器人领域适用性较高。利用IMU（惯性测量单元） 能够实时测量机器人的角速度和加速度，从而帮助机器人维持稳定的姿态和平衡，结合GPS或卫星定位，可实现精确的导航和定位。按照精度由高到低，惯性传感器分为战略级、导航级、战术级和消费级，预计人形机器人所使用的IMU与L3级别智能驾驶精度要求接近，通常适配战术级及精度接近战术级的消费级产品。核心观点 42）2021年全球MEMS惯性传感器市场规模约35亿美元，预计将维持8-10%的年化增速。其中，高性能MEMS惯性传感器（除消费级外的MEMS惯性传感器）约占整体的20%。我们预计高性能惯性传感器受益于智能驾驶、机器人、物联网等下游高速发展，增速应高于整体行业水平。3）MEMS惯性传感器竞争格局分析。2021年全球MEMS惯性传感器CR5达到85%以上。海外头部厂商博世、霍尼韦尔等多采用IDM模式；芯动联科等国内生产商多采用Fabless模式。未来部分国内消费级MEMS惯性传感器厂商有望切入高性能领域，加速高性能MEMS惯性传感器国产化进程。人形机器人传感器市场规模敏感性测算：六维力/柔性/惯性传感器对应市场空间约为103/103/62亿元1）假设条件：机器人产业尚处于发展初期，六维力传感器和高性能MEMS惯性传感器、柔性触觉传感器的价格仍然较高。随着下游高精度力控、惯性应用场景不断扩充，特别是即将爆发的人形机器人所带来的需求，上述类型传感器或将迎来规模化应用和量产机遇，成本有望大幅降低并实现高速增长。2）结论：中性假设下，预计人形机器人带动主要三类传感器需求量2030年有望达到268亿元。根据我们测算，保守/中性/乐观情况下，2030年人形机器人产量有望达到约72万/103万/146万台，届时六维力传感器市场规模分别约为72/103/146亿元；柔性触觉传感器市场规模分别约为72/103/146亿元；IMU的市场规模分别约为43/62/87亿元。3）建议关注：力传感器标的柯力传感、中航电测; 柔性触觉传感器标的汉威科技；惯性传感器标的芯动联科、华依科技风险提示：人工智能&大模型技术发展不及预期、人形机器人商业化进程不及预期、行业规模测算偏差风险、研报使用的信息存在更新不及时风险等。核心观点 5目录CONTENTS相关标的：海外龙头优势明显，国内企业迎头追赶多维力传感器或是机器人精准力控的最优解1惯性传感器助力机器人实现姿态控制、导航定位245投资建议6力、触觉、惯性传感器是人形机器人感知层的关键部件柔性触觉传感器有望进一步升级机器人感知能力3 6CONTENTS目录CCONTENTS专业｜领先｜深度｜诚信中泰证券研究所1力、触觉、惯性传感器是人形机器人感知层的关键部件 71.1 传感器是人形机器人感知层的关键人形机器人的具身智能更重视感知层和交互层。人形机器人强调具身智能，即能够感知并理解周边环境，通过自主学习完成任务的智能体。传感器及软件是具身智能的关键，感知层和认知层是机器人向具身智能机器人迈进的门槛，机器视觉和多态语言大模型的快速迭代有望大幅提升机器人的感知能力和认知能力。传感器是“感知”的核心，其质量和技术水平将直接影响到机器人的性能和稳定性。机器人传感器可以根据检测对象的不同，分为内部传感器和外部传感器。部传感器用来感知机器人自身的状态，如速度、位置等；外部传感器用来感知机器人周边环境情况，如视觉、听觉、触觉、嗅觉、压力、温度、湿度、距离等。特斯拉人形机器人上传感器的成本占比接近30%。在一个机器人中，传感器的用量是巨大的，除摄像头（图像传感器）、雷达（激光、毫米波、超声波）、六维力矩传感器、编码器、触觉传感器外，还有位置、速度、加速度、平衡、力觉、触觉、视觉、听觉、接近觉、距离、嗅觉等等10多种传感器应用于人形机器人中。由传感器专家网数据，特斯拉optimus机器人上各类传感器成本占比接近30%。力、触觉、惯性传感器是人形机器人感知层的关键部件图表1：与人相对应的传感器系统图表2：机器人的常用传感器来源：传感器专家网，中泰证券研究所来源：传感器专家网，中泰证券研究所 81.2 力、柔性触觉、惯性传感器壁垒高，价值量大，国内厂商蓄势待发力矩传感器是机械臂感知力度的重要部件，应用前景广阔。按照测量维度，力矩传感器可分为一至六维力矩传感器，人形机器人中，灵巧手或将使用微型压力传感器或微型六维力传感器，对柔顺控制要求高的手腕和脚踝或将使用六维力矩传感器，而身体的其他关节将使用关节扭矩传感器。根据高工机器人的数据，以模拟关节及肢体末端触感的力传感器为例，其在人形机器人成本中占比约为15%。六维力传感器研发和制造工艺难度高，国内已具备量产能力，降本空间有望打开。柔性触觉传感器有望进一步提升机器人感知能力。触觉传感器可以为机器人感知提供压力、温度、等信息，进一步提升机器人的感知能力；而电子皮肤则是由点状的触觉传感器组合构成，多被排列成矩阵。由于电子皮肤具备高柔韧性、拓展性、高弹性等特点，因此又称柔性触觉传感器。目前国内公司已具备柔性传感器的生产能力，但由于加工工艺难、成本高等问题，尚无法批量化应用在机器人方案中。惯性传感器有望成为机器人标配。惯性传感器又称惯性测量单元（IMU：Inertial Measurement Unit）在机器人上可以与摄像头、力传感器等多传感器数据融合，以达到维持身体平衡，预测速度和轨迹并进行定位导航等功能，在四足机器人、人形机器人上均有望标配。惯性传感器技术壁垒高，目前单个高精度IMU售价约为几千元至万元，价值量较高，国内已有公司掌握核心技术并实现稳定量产。图表3：国内外主要机器人传感器使用的传感器类型来源：Forceinstitute，优必选，软银，中泰证券研究所整理机器人名称传感器模块ATLAS（美国）激光雷达、力、力矩、陀螺仪、加速度计等ASIMO（日本）激光、红外、超声波、压力传感器等WABIAN-2R(日本）六维力、位置、惯性、图像传感器等Pepper（日本）力/力矩、陀螺仪、加速度计、红外、激光传感器等优必选WALKER（中国）六维力\力矩、超声波、高精度惯导传感器等力、触觉、惯性传感器是人形机器人感知层的关键部件 91.3 MEMS技术有望广泛应用于各类传感器MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）微电机系统技术被广泛用于IMU及传感器的制造过程中。MEMS可利用大规模集成电路制造技术和微加工技术，把微传感器、微执行器、微结构、信号处理与控制电路、电源以及通信接口等集成在一片或者多片芯片上。 ➢MEMS传感器在人形机器人的适应性较高。通过MEMS技术制成的传感器具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和智能化等优点。随着机器人感知功能的提升，所需求的传感器数量势必增加，对于小体积、轻重量、低成本的诉求十分强烈。➢MEMS技术助力传感器实现高度集成化。通过MEMS技术，可以在同一衬底上集成多种敏感元件，使其能同时检测多种物理量并能输出多个信号，提高MEMS芯片的集成度。图表4：MEMS传感器工作原理图表5：2021年MEMS行业市场结构来源：芯动联科招股书，中泰证券研究所来源：YoleInterlligence，明皜传感招股书，中泰证券研究所力、触觉、惯性传感器是人形机器人感知层的关键部件 101.4 MEMS市场处于高速增长过程中全球MEMS市场CAGR平均在8-9%。跟据YoleIntelligence 数据，MEMS 的全球销售量从2018年的201.68 亿颗增加至2021年的303.59亿颗，预计2027年将达到487.08亿颗，2021-2027 年CAGR达8.20%。MEMS的全球市场规模从2018年的99.94亿美元增加至2021年的135.95亿美元，预计2027年将达到222.53亿美元，2021-2027 年CAGR达8.56%。国内MEMS市场增速高于全球平均增速。受益于工业物联网、智能制造、人工智能等战略的实施，加之各级政府加速推动智慧城市建设、智能制造、智慧医疗发展，MEMS 市场海内外呈现高速增长趋势。根据中商产业研究院整理；2018-2022 年中国MEMS行业市场规模CAGR为14.82%，近年增速仍在持续提升，2022年中国MEMS市场规模达到1008亿元，同比增长