人形机器人系列之传感器：人形机器人感知层核心，传感器成长可期

投资建议：传感器为人形机器人感知层核心零部件，人形机器人对传感器需求较大，成本占比较高，六维力矩传感器、电子皮肤、MEMS压力传感器、MEMS惯性传感器厂商有望受益。六维力矩传感器：推荐标的为东华测试（专注结构力学性能测试，力传感器国内领先），受益标的为柯力传感；电子皮肤：受益标的为汉威科技；MEMS压力传感器：受益标的为康斯特、敏芯股份；MEMS惯性传感器：受益标的为华依科技。 六维力矩传感器壁垒较高，性能较优。六维力矩传感器是性能最优、力觉信息最全面的力矩传感器，技术壁垒主要在结构解耦设计、解耦算法、标定与校准等方面，可用于人形机器人脚踝与手腕处。2022年中国人形机器人市场对六维力矩传感器需求量为8360套，市场规模约为1.56亿元，且随人形机器人加速发展，六维力矩传感器市场规模有望高速增长。力控传感器领域国内外龙头差距较大，国内宇立和坤维相对领先，东华测试、柯力传感积极布局六维力矩传感器领域。 电子皮肤有望感知压力、温度等多种信号，或成为触觉传感最终方案。电子皮肤一般由电极、介电材料、活性功能层、柔性基材组成，未来有望向同时检测压力、湿度和温度等多种信号的多模式复合方向发展。据弗若斯特沙利文数据，2022年全球柔性电子市场规模已达586.2亿美元，预计2025年市场规模将达到3049.4亿美元，国产厂商中汉威科技、柔宇科技等较为领先。 MEMS传感器具有高集成、微型化等特点，契合人形机器人对传感器需求。MEMS惯性传感器IMU由加速度计与陀螺仪组成，可测量角速率和加速度，助力人形机器人实现姿态控制、平衡维持等需求，全球MEMS惯性传感器的市场规模由2018年的28.31亿美元增长至2021年的35.09亿美元，保持稳步增长。MEMS压力传感器可应用于人形机器人手指感知，全球MEMS压力传感器由2018年的17.63亿元增长至2021年的20.04亿美元。国产厂商中敏芯股份、康斯特等MEMS传感器产品较为领先。 风险提示：传感器技术研发进程不及预期；人形机器人商业化应用场景不及预期；人形机器人产业政策落地不及预期。 1.传感器：控制系统核心部件，市场空间较为广阔 1.1.传感器分类众多，压力传感器占比较大 传感器是自动化检测技术和智能控制系统的重要部件。传感器是能够把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。广义上的传感器一般由信号检出器件与信号处理器件两部分组成，从而转化感知到的模拟信号并使之以电信号的形式显示。传感器一般由敏感元件、转换元件和基本电路组成。敏感元件感受被测量的状态，转换元件将相应的被测量转换成电参量，而基本电路将电参量接入电路并转换成电量。传感器的核心部分是转换元件，其决定了传感器的工作原理。 图1：传感器由信号检出与处理器件组成 图2：传感器结构较为复杂 传感器分类较多，压力传感器占比最大。传感器可按检测对象分为物理量、化学量以及生物量传感器，下含力学量传感器、热学量传感器、光学量传感器、温度传感器、生物量传感器等共11个小类。检测对象的信号形式决定了选用传感器的类型，在机械自动化与工业过程控制中，常见的信号形式包括位移、（加）速度、扭矩、力、振动、温度、湿度等。 目前我国压力传感器和图像传感器占比稳步提升，2021年分别占比17.9%和10.3%，是目前国内占比最高的两种传感器。 图3：传感器可分为物理、化学和生物量传感器 图4：2021年压力传感器占比17.9% 1.2.传感器下游应用广泛，市场空间广阔 传感器产品下游应用广泛，人形机器人对传感器依赖程度高。据CCID数据，我国传感器产品最大下游领域为汽车电子，占比达到24.2%，其次为工业制造领域，占比为21.1%，位列三到五名的下游行业为网络通信、消费电子和医疗电子，占比分别为21.0%、14.7%、7.2%。为模拟人类感知，人形机器人需要装载一套复杂的传感器系统，包含内部传感器和外部传感器。一台能完全模拟人类的机器人身体上会用到大量传感器，用于提供视觉、听觉、触觉、位置等信息。 图5：我国传感器下游分布在汽车电子等领域 图6：传感器在人形机器人上应用较为广泛 全球传感器市场空间较为广阔。随着工业4.0、工业物联网进程的推进以及智慧驾驶、智能穿戴设备等新兴产业的发展，传感器市场持续扩容。 据Precedence Research数据，2022年全球传感器市场规模达2048.0亿美元，且随着工业自动化等领域的需求不断增长，未来十年内传感器市场将延续增长态势，2032年或将达到5086.4亿美元。 图7：预计2032年全球传感器市场规模将达5086.4亿美元 我国传感器市场规模不断扩大，未来有望延续较高增速。随着工业转型升级的历程不断推进，我国传感器市场规模近年来实现显著增长。据中商产业研究院数据，传感器市场规模行业已由2019年的2188.8亿元上涨至2022年的3096.9亿元，期间CAGR为12.26%，预计2024年可达到3732.7亿元。据Mordor Intelligence数据，在汽车工业、国防工业等行业发展推动及“中国制造2025”政策目标激励下，我国传感器市场规模有望实现高速增长，2023-2028年间的CAGR预计将达9.1%。 图8：预计2024年中国传感器市场规模将达3732.7亿元 我国传感器高端市场仍被外资品牌主导，但国产化率有明显提升趋势。 2020年全球龙头企业如爱默生、西门子、博世、意法半导体、霍尼韦尔等跨国公司占据绝大部分国内市场份额，高端市场传感器芯片仍依赖海外企业，而国内头部企业产品主要集中在中低端，未形成大批量应用。 从国产化率来看，国内智能传感器国产化率由2016年的13%增长至2020年的31%，CAGR达24%，预计未来国产化率有望进一步提升。 图9：我国传感器市场仍为外资品牌主导 图10：我国智能传感器国产化率持续提升 1.3.政策东风频吹，助力市场扩容 我国传感器行业政策支持力度持续加大。传感器作为工业控制系统、汽车电子等产品的核心关键部件之一，是实现工业转型升级的重要组成部分，在物联网、人工智能等各方面都有广泛应用。近年来国家相继推出一系列产业支持政策，有力推动了传感器行业的发展。 表1：近年来传感器行业支持政策密集出台 2.力传感器：六维力矩传感器壁垒较高，性能较优 2.1.力/力矩传感器可精确测量力的大小 力传感器是将力的值转换成电信号的元件。重量、拉力、应力、扭矩均能够作为力传感器的输入量，经处理后输出为电信号，并将其传递至指示器、控制器或计算机等终端。与广义传感器类似，力传感器由力敏元件（即弹性体，常见的材料有铝合金，合金钢和不锈钢）、转换元件（最为常见的是电阻应变片）和电路部分（一般有漆包线，pcb板等）组成，其中力敏电阻器是广泛运用的力敏元件。力敏电阻器通常包含导电聚合物薄膜（由亚微米尺寸的导电及非导电颗粒基质组成），其表面受力时接触传感器电极，并以可预测的方式改变本身电阻，从而衡量受力数值。 图11：力传感器检测力的大小 图12：力敏电阻器结构复杂 力矩传感器属于力传感器，力矩传感器使用应变计测量物体所受到的力矩。力矩是表示力对物体作用时所产生的转动效应的物理量，是传感器常见的力学输入量。按照是否涉及加速度，力矩又可分为静态力矩（不涉及加速度）和动态力矩（涉及加速度），静态力矩通常为未产生旋转的力矩，而动态力矩通常为产生旋转的力矩。两种典型的力矩传感器设计是测量轴和测量法兰，均呈现轴体结构。力矩传感器通常装载有应变片，其由薄箔和连接到箔的电导体组成。当箔片以及导体形状发生变化时，电阻也会发生变化，从而揭示作用在应变片上的负载。如果外部负载作用于传感器，应变计会像弹簧元件一样产生形变，进而实现测量功能。 图13：力矩传感器具有两种常见设计 图14：应变计发生形变后可对负载进行测量 根据压力原件的不同，可以将力传感器可分为应变式力传感器、光学式传感器以及压电式力传感器等，其中压电式转换元件多应用在非六维力传感器中。 1）应变式力传感器：采用的是硅应变片或金属箔，压电式传感器可分为电容和压电两种，其原理都是转换元件应变片随力敏元件同时发生形变，导致自身电阻值、电压差、光栅变化，通过电信号反应力和力矩的改变。 硅应变片能够保持高刚度、稳定性和信噪比，具有最优的性能水平，缺点则是成本较高、制作工艺复杂； 2）光学式元件：测量范围较广、抗电磁干扰能力强，但缺点是刚性偏弱，并且对环境的要求较高； 3）压电/电容式元件：拥有高灵敏度和高分辨率，并且环境适用性较强，但缺点是电路复杂，信号漂移难以抑制。 图15：不同类型传感器性能各异 表2：不同转换元件类型力传感器测量原理存在差异 2.2.六维力矩传感器为力控最优方案，技术壁垒高筑 按测量方向分类，六维力矩传感器是其中性能最优、力觉信息最全面的力矩传感器。在指定的直角坐标系内，六维力矩传感器能够同时测量沿三个坐标轴方向的力（F、FY、FZ）和绕三个坐标轴方向的力矩（MX、MY、MZ）。六轴力传感器一般分成固定端（机器人端）和加载端（工具端）。两端相对受力时，传感器发生弹性变形，传感器内部的应变计电阻发生变化，进而转换成电压信号输出。 图16：六维力矩传感器是维度最高的力矩传感器 在精确测量的要求下，六维力矩传感器是最佳选择。若如果力的方向和作用点固定，则可选用一维力传感器；若力的方向随机变化，但作用点保持不变且与传感器的标定参考点重合，则可选用三维力传感器；若力的方向和作用点都在三维空间内随机变化，则应选用六维力传感器进行测量。高精度的六维力矩传感器能够解耦各方向力和力矩间的干扰，使力的测量更为精准，并能利用力矩信息来推算获取受力部件的姿态，监测力矩是否在安全范围内，有效避免传感器的过载损坏。 图17：六维力矩传感器是精确测量要求下最优选择 力传感器应用广泛，人形机器人配置较多。力传感器广泛应用于工业、航空航天、汽车、医疗设备等领域。在机器人领域，力传感器可用于实时测量机器人关节所受到的力，并实现主动力输出控制，在高复杂度工作、协调作业等场景扮演重要角色。机器人中的力传感器主要有关节部位的单轴力矩传感器和机器人执行器末端的六轴力传感器，测量机器人内部受力情况，以及末端执行器与外界环境交互的受力情况。六维力矩传感器具有多元的工业应用场景，主要包含打磨、精密装配、医疗、特种作业、测试等涉及接触操作、需要多维力感知的场景，其中机器人领域的应用较多，是六维力/力矩传感器的核心应用领域。 图18：六维力矩传感器应用场景多样 机器人运动的高精度控制对六维力矩传感器带来需求。协同机器人末端关节上的六维力传感器通常还需要与研磨头、夹爪等执行器相连，执行器工作过程中的力臂从数十毫米到三百毫米不等，力臂较大且随机变化，所以通常采用六维力传感器实现高精度控制。在人形机器人中，通常将力/力矩传感器安装在脚掌与踝关节之间和机械手与腕关节之间，以提供更加全面的力觉感知。 图19：六维力矩传感器可用于协作机器人末端关节 图20：机器人脚踝、灵巧手可安装六维力矩传感器 多维力传感器小型化是未来重要发展趋势。为兼顾多维力传感器的小型化和高性能，目前能够采取的主要途径是选用小尺寸（或体积）的敏感元件，从而缩小传感器结构尺寸。基于压阻效应的敏感元件（如硅应变计等）多采用半导体材料和加工工艺，在体积、性能和成本等方面具有显著优势，已成为实现多维力传感器小型化的重要技术途径之一。将半导体硅应变计应用于实现多维力传感器的小型化涉及特定技术问题：硅应变计设计与其贴片工艺需满足多维力传感器的设计使用要求。 目前主流商业化压力传感器多采用（集成式）硅应变计。国内传统硅应变计的制造工艺一般是在P型硅片衬底上采用扩散法或离子注入法掺杂N型杂质形成压敏电阻，并通过光刻、腐蚀、引线键合等工艺形成应变计，但易造成应变计批次间较大的阻值差异。多维力传感器采用的应变计较多，对一致性有的更高需求，较差的一致性则会导致不同桥路（分量力）的零点输出差异较