企业竞争图谱：2024年工业机器人力传感器 头豹词条报告系列

于利蓉·头豹分析师 版权有问题？点此投诉 2024-11-29未经平台授权，禁止转载 工业制品/工业制造 综合及概念/其他 摘要随着智能制造和工业4.0的推进，力传感器在工业机器人中的应用愈加广泛。力传感器是检测和测量力的设备，能将感受到的力转换为电信号，是工业机器人系统集成的重要部件。多维力传感器技术壁垒高，是实现机器人柔顺控制的关键部件。中国作为世界最大机器人市场，在政策加持下，中国工业机器人装机量不断提升，推动力传感器市场规模扩张。 行业定义[1] 力传感器是一种用于检测和测量力的设备，它可以将其感受到的力转换为电信号或其他形式的信号，从而实现对于力的精确控制和测量。2019年实施的推荐性国家标准GB/T36378.1-2018《传感器分类与代码》第1部分：物理量传感器中，基于测量的物理量对传感器做出细致分类，其中，力学量传感器包括：压力传感器、重力传感器、应力传感器、力矩传感器、位置传感器、速度传感器、加速度传感器等。因此，定义测量各类力/力矩，把力和力矩的量值转换为电信号的零部件统称为力传感器。工业机器人主要是指面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人，用于工业生产过程中的搬运、焊接、装配、加工、涂装、清洁生产等方面，力传感器是工业机器人系统集成的重要部件。 行业分类[2] 按照测量维度的分类方式，工业机器人力传感器行业可以分为一维至六维力传感器；按照测量原理的分类方式，工业机器人力传感器行业可以分为应变式、电容式、压电式、光电式力传感器；按照输出方式的分类方式，工业机器人力传感器行业分为模拟传感器和数字传感器；按照力的种类的分类方式，工业机器人力传感器行业可分为压力传感器，称重传感器，扭矩传感器、拉力传感器等。 工业机器人力传感器行业基于力的种类的分类 行业特征[3] 工业机器人力传感器行业特征包括：1.多维力传感器技术壁垒高；2.力传感器是机器人实现主动柔顺控制的核心部件；3.六维力传感器在机器人领域广泛应用。 1多维力传感器技术壁垒高 多维力矩传感器相比于单轴力矩传感器技术壁垒较高，多维力传感器不仅要解决对所测力分量敏感的单调性和统一性难题外，也要解决因结构加工和工艺偏差引起的维间（轴间）扰乱难题、动静态标定难题以及矢量运算中的解耦算法和电路实现等。多维力传感器技术壁垒高，是机械设计、算法、计量、电子融合的交叉学科，要实现高精度的数据采集和多轴同步校准。通常安装于机器人末端执行器和机械臂之间，用于检测机器人与环境之间的多维交互力/力矩，是机械臂实现力控制的关键部件。 2力传感器是机器人实现主动柔顺控制的核心部件 柔顺控制可解决机器人很多传统位置控制难以解决的问题，有利于扩展机器人的功能。在诸多交互任务中需要机器人与对象或环境发生接触，两者接触时，会在接触面之间产生相互作用力，只靠位置控制可能导致很大的误差。由于采用位置控制的机器人可通过结构化环境的设置，依靠快速、精准的位置控制预设编程完成“固定轨迹”的任务。而在执行接触任务时，末端执行器与规划轨迹之间的微小偏差可能导致机械臂与物体表面脱离接触或在接触面上施加过强的压力；对于机器人的高刚性结构，微小的位置误差可能会导致较大的作用力甚至灾难性的后果。所以为了实现交互任务，机器人需要表现出柔顺性。柔顺力控主要是从力传感器获得力信号，再将其转化为机器人的控制信号，使机器人响应此信号而动作。 3六维力传感器在机器人领域广泛应用 六维力传感器作为一种新型传感器，是一种能够同时测量三个方向力及力矩分量的力传感器，在笛卡尔坐标系中力和力矩可以各自分解为三个分量，因此，六维力传感器最完整的形式是六分力/力矩传感器，即能够同时测量三个力分量(Fx,Fy,Fz)和三个力矩分量(M,M,M)的传感器。在目前机器人技术中使用最广泛的传感器是六轴力矩传感器，做为力觉测试传感器可以同时反馈机器人在工作过程中的3个轴的力和3个绕轴的扭矩实时输出。六维力传感器目前用于广泛的工业行业与应用，最常见的是协作机器人。 发展历程[4] 中国力传感器起步于20世界60年代，并于1986年被列为国家重点攻关项目；20世纪90年代，中国传感器技术水平不断提升，2001年新型传感器被列为国家重点研究开发项目，2015年逐渐形成完备的产业链，自主产品达到6000种。目前中国力传感器发展已步入成熟阶段，将进一步向着智能化、集成化、微型化的方向发展。 启动期1960~1990 1960年，中国公司开始生产普通精度的应变式传感器；1972年，中国组建成立第一批压阻传感器研制生产单位；1974年，中国研制成功第一个实用压阻式压力传感器；1978年，诞生中国第一个固态压阻加速度传感器；1982年，中国最早开始硅微机械系统（MEMS）加工技术和SOI（绝缘体上硅）技术的研究；1986年中国将传感器技术列入国家重点攻关项目。中国开始生产应变式传感器，中国第一个实用压阻式压力传感器研制成功。 高速发展期1991~2015 1996～2000年，传感器技术研究国家重点科技攻关项目取得51个品种86个产品的进步；2001年中国将新型传感器列入重点研究开发项目，国产传感器技术水平不断进步，到2015年已经形成完备的产业链，自主产品达到6000种。中国传感器技术水平不断提升，形成完备产业链。 成熟期2016~ 2016年以来，中国传感器技术及产业快速发展，同时受国内物联网、5G、人工智能等技术的推动，传感器向着MEMS化、智能化、网络化、系统化的方向持续发展。中国传感器步入成熟阶段，向着智能化、集成化、微型化的方向发展。 [4]1：https://www.sumzi…2：https://www.szke…3：响拇指官网，科敏官网 产业链分析 工业机器人力传感器行业产业链上游为半导体材料、金属材料、有机材料等。产业链中游为力传感器的加工制造和封装检测；产业链下游为力传感器在工业机器人应用场景。[7] 工业机器人力传感器行业产业链主要有以下核心研究观点：[7] 上游应变片和弹性体是力传感器的主要结构组成和成本组成部分，直接材料成本在力传感器总成本中占比超过50%。 电阻应变式传感器的灵敏元件主要是应变片，是一种用来测量物体应变的测试工具。据蓝炬光科官网数据，在所有力传感器中，应变式力传感器应用最为广泛，其使用量约占力传感器总量的90%左右。应变片作为电导体牢固 地附着在基片上。当基底被拉伸时，应变片将会变长，反之被压缩时，应变片将会缩短，结果是导致应变片电阻产生变化。除了应变片外还需要一个弹性体，应变片将牢固地黏贴在弹性体上，二者一起发生形变，因此应变片将产生和弹性体一样的变形，导致电阻产生变化，是力传感器的主要结构组成和成本组成部分。根据柯力传感2023年年报，力传感器上游直接材料成本在产品营业成本中所占比重达73.62%，是力传感器最主要的生产成本。 封装技术是力传感器中游制造过程中的关键环节，将由有封装向少封装和无封装发展。 封装技术是力传感器制造过程中的关键环节，它关系到传感器的防护等级、可靠性、寿命等。最常用的力传感器封装是半导体封装技术的延伸，常见的封装形式有：塑料封装、陶瓷封装和金属壳封装等。但封装带来诸多便利的同时，也带来种种弊端，如体积变大、重量增加、制作工艺成本增加、延长了信号传输时间等，因此力传感器的封装将由有封装向少封装和无封装发展。 力传感器是工业机器人系统集成模块重要组成部分，系统集成技术壁垒相对较低导致下游市场集中度较低。相比于核心零部件与机器人本体，工业机器人系统集成业务的需求分散、技术壁垒相对较低导致市场集中度较低。由于不同行业、不同客户、不同工序对工业机器人的具体需求各异，导致实际需求较为分散，系统集成方案在不同需求间的可复用性低，难以形成全面的领先优势。同时，系统集成涉及的核心技术难点较少，加上系统集成商所面对的上游本体厂商与下游客户议价能力都较强，导致竞争格局较为分散、行业利润水平不高。[7] 产业链上游 生产制造端 原材料。包括半导体材料、金属材料、有机材料等。 上游厂商 奇精机械股份有限公司 广东华兰海电测科技股份有限公司 产业链上游说明 应变片和弹性体是力传感器的主要结构组成和成本组成部分。 电阻应变式传感器的灵敏元件主要是应变片，是一种用来测量物体应变的测试工具。大多数通用力传感器内部都有应变片，根据蓝炬光科官网数据，在所有力传感器中，应变式力传感器应用最为广泛，其使用量约占力传感器总量的90%左右。应变片作为电导体牢固地附着在基片上。当基底被拉伸时，应变片将会变长，反之被压缩时，应变片将会缩短，结果是导致应变片电阻产生变化。除了应变片外还需要一个弹性体，应变片将牢固地黏贴在弹性体上，二者一起发生形变，因此应变片将产生和弹性体一样的变形，导致电阻产生变化。应变片和弹性体是力传感器的主要结构组成和成本组成部分。根 据中航电测招股说明书披露的数据计算，中国应变片价格大约在几元左右，海外进口应变片的价格可达百元以上。 直接材料成本在力传感器总成本中占比高。 上游对原材料质量要求极高，高性能的材料成本也往往更高。从成本来看，上游原材料在生产成本中占据重大比例，根据柯力传感2023年年报，力传感器上游直接材料成本在产品营业成本中所占比重达73.62%，是力传感器最主要的生产成本，其他人工成本占比约14.11%，制造费用及其他12.28%。 产业链中游中 品牌端 力传感器的加工制造和封装检测。 中游厂商 八方电气（苏州）股份有限公司 查看全部 产业链中游说明 封装技术是力传感器制造过程中的关键环节，新型封装材料和技术不断涌现。 封装技术是力传感器制造过程中的关键环节，它关系到传感器的防护等级、可靠性、寿命等。最常用的力传感器封装是半导体封装技术的延伸，常见的封装形式有：塑料封装、陶瓷封装和金属壳封装等。但封装带来诸多便利的同时，也带来种种弊端，如体积变大、重量增加、制作工艺成本增加、延长了信号传输时间等，因此封装将由有封装向少封装和无封装发展。近年来，新型封装材料和技术不断涌现。例如，采用纳米材料制备的封装层具有更好的防护性能；3D打印技术可实现快速、灵活的封装，为力传感器的小型化和定制化提供了可能，三维(3D)封装技术将成为实现电子整机系统功能的有效路径。 以投资并购为核心的外延式扩张正日益成为包括力传感器企业在内的国内外传感器企业发展的重要路径。 传感器行业具有行业壁垒高、技术路线多、产品品类丰富、单一产品空间小、应用领域广等特点，这些特点决定一家传感器企业如果要发展壮大，投资并购是重要的路径。在国际上，全球传感器厂商超6500家，而2017-2021 年全球传感器产业有超过200家公司被行业巨头收购。在中国，传感器行业以中小企业为主，整体实力较弱，产品同质化严重，竞争格局呈现小而散状态。随着行业集中度逐步提高，众多小规模企业因技术落后、制造水平低下、资金链紧张等问题，无法适应传感器行业数字 化、智能化的发展趋势，预计在日益激烈的市场竞争中将逐步被淘汰或者通过被行业同行投资并购，从而进一步提升行业集中度。 产业链下游 渠道端及终端客户 工业机器人应用场景。 渠道端 遨博（北京）智能科技股份有限公司 广州瑞松智能科技股份有限公司 查看全部 产业链下游说明 在六维力传感器下游应用中，工业自动化(包含工业机器人)领域应用规模占比最大。 2023年六维力传感器主要应用于工业自动化领域，应用规模占比超过77%。机器自动化生产成为降低生产成本的重要途径。六维力传感器作为工业机器人实现高精度控制与智能化的关键组件，其需求随工业机器人产量与市场规模的扩大而显著增长。2023年上半年，中国工业机器人产量达22.2万套，同比增长5.4%，工业机器人装机量占全球比重超50%，稳居全球第一。工业机器人对六维力传感器高精度感知技术的强烈需求，促进其在工业领域的广泛应用与发展。 力传感器是工业机器人系统集成模块重要组成部分，系统集成技术壁垒相对较低导致市场集中度较低。