2024传感器行业力、触觉、惯性传感器发展现状及海内外龙头企业分析报告

力、触觉、惯性传感器是人形机器人感知层的关键部件 2 多维力传感器或是机器人精准力控的最优解 柔性触觉传感器有望进一步升级机器人感知能力3 目录 惯性传感器助力机器人实现姿态控制、导航定位 4 相关标的：海外龙头优势明显，国内企业迎头追赶5 CCONTENTS力、触觉、惯性传感器是人形机器人感知层的关键部件 力、触觉、惯性传感器是人形机器人感知层的关键部件 1.1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 1.2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。 1.3 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。 来源：YoleInterlligence，明皜传感招股书，中泰证券研究所 来源：芯动联科招股书，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 1.4 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20.29%，国内市场增速显著高于海外市场。 来源：中商产业研究院，中泰证券研究所 来源：明皜传感招股书，yoleintellengce，中泰证券研究所 CCONTENTS多维力传感器或是机器人精准力控的最优解 2.1机器人通过力控制系统获得“触觉” 力控制系统给予机器人以“触觉”。对应于人的触觉，机器人的触觉传感系统就是一种可以通过接触来测量物体给定属性的装置或系统。一般来说，机器人的触觉感知与在预定区域内的力的测量有关。为了改进机器人的应用效果，也应当为机器人配备先进的触觉感知系统，以使其能够感知周围环境，远离潜在的破坏性影响，并为后续任务（如手部操作）提供有效信息。 以力传感器为核心的力/位控制是机器人主要控制方式之一。力控制一般泛指机器人应用领域中，利用力传感器作为反馈装置，将力反馈信号与位置控制（或速度控制）输入信号相结合，通过相关的力/位混合算法，实现的力/位混合控制技术。也称力/位混合控制技术，简称力控制。 来源：《宇立仪器：机器人智能力控打磨方法及案例展示》，中泰证券研究所 来源：ESTUN，中泰证券研究所 2.1.1机器人力控方式不断演进-从位置控制到力/位混合控制 传统位置控制引起的瞬间过载易损害机器人。位置控制下，机器人严格按照预先设定的位置轨迹进行运动。若机器人运动过程中遭遇到了障碍物的阻拦，导致位置追踪误差变大，此时机器人会努力地“出力”去追踪预设轨迹，最终导致了机器人与障碍物之间产生巨大的内力，从而伤害零件或机器人。 柔顺控制提高机器人在复杂场景下对接触环境顺从的能力。传统的位置控制技术无法满足柔性装配或不均匀复杂曲面打磨等任务的需求。由于空间不一致性造成的位置偏差可能引发系统超载和损坏，因此必须引入力矩/力控制作为输出或反馈，实现更精细的控制，提高机器人对外界环境中的力的顺从或控制能力就是提高机器人的柔顺性。 机器人的柔顺性来自对位置和力的综合控制。柔顺控制分为被动柔顺和主动柔顺，被动柔顺是对外部作用力的顺从，而主动柔顺是对外部作用力的控制，从而解决与外界环境的交互问题。 2.1.2力传感器是精准直接力控最佳解决方案 ➢直接力控通过不同的力反馈方式实现，其中使用多维力矩/力传感器是最佳方案。 a.电流环：通过电流反馈和辨识的动力学模型估计外力，适用于直驱电机或者带小减速比的应用场景，如小型阻抗控制的人机交互的机械臂和小型四足等。对于大减速比的机器人，其关节back-drive的摩擦力巨大，电机电流不足以精确估计末端执行器上收到的外力。优势是无需额外的传感器，缺点是受摩擦力影响导致的力控精度差，适用场景有限。 b.弹性体——抗外界冲击性能强: SEA（串联弹性驱动器）用弹性的形变和高精度的位置传感器来间接地测量力距的大小，往往适用于人型机器人集成度较高和驱动器输出力矩要求较高的应用场合。 c.力传感器：通过在机械臂末端加装一个力传感器来实现。相对于一维力传感器，六维力传感器的力控维度更多，能够测量物体在三维空间内所有受力情况，可测量在任何方向、任何轴上的应用负载，并能承受额定测量范围5到20倍的过载，精度甚至可达0.01N，相应的价格也更贵。典型应用案例包括KUKA LBRiiwa机械手等机械臂及特斯拉Optimus人形机器人。 来源：鑫精诚，中泰证券研究所 来源：《Design of a Highly Dynamic Humanoid Robot》，中泰证券研究所 2.2六维力传感器结构分类-应变片为主，MEMS技术有望成为主流 六维力传感器是维度最高的力觉传感器，它能给出最为全面精准的力觉信息。六维力传感器，又叫六维力/力矩传感器、六轴力传感器、F/T传感器，是基于应变原理的高性能力学传感器，可实时测量XYZ三个方向所受到的力和力矩。 六维力传感器一般分成上台（或内圈）、下台（或外圈）、测力梁和应变计。当上台（或内圈）和下台（或外圈）有相对受力时，测力梁产生与外力大小成比例的应变，应变计将该应变转换成电信号输出。 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。根据其传感元件的不同，六维力/力矩传感器主要分为:应变片式、光学式以及压电/电容式。应变片式是市场主流，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。 来源：俊德科技，中泰证券研究所 来源：俊德科技，中泰证券研究所 2.2.1六维力传感器结构分类-应变片为主，MEMS技术有望成为主流 应变片是电阻应变式多维力传感器的核心。应变片是由排列成栅状的高阻金属丝、高阻金属箔或半导体粘贴在绝缘的基片上构成。应变片包括金属电阻应变片和半导体应变片（即硅应变片）。 金属/箔式电阻应变片目前应用更广。电阻变化是由尺寸变化(几何形状)引起的，类型包括丝式、箔式和金属薄膜应变片，其中目前使用最广泛的是箔式应变片，它具有横向效应小，容许电流大，生产效率高等特点。但此类应变片仍需人工打磨，耗时久，生产效率较低，成本较高。 硅应变片的综合性能更优异。在半导体材料中，压阻效应比金属应变片要显著约50倍，硅应变率系数高达几十至一百（金属应变片为2~3）。经过对稳定性、刚度、动态特性、成本与信噪比五个维度的比较，硅应变片的稳定性、信噪比、动态特性要好于金属应变片，刚度上两者差异不大，成本上金属略优，但近年来硅应变片的工艺有了提升和改进，综合成本也在大幅降低。 来源：《应变片的粘贴》，中泰证券研究所 2.2.2六维力传感器结构分类-应变片为主，MEMS技术有望成为主流 硅基MEMS技术主要用来替代传统的压阻式和电容式传感器，相比之下，MEMS传感器具有微型化、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。MEMS技术将微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、通信接口、电源等集成于一块或多块芯片上，微米量级的特征尺寸使得它可以完成部分传统力传感器所不能实现的功能。 MEMS技术制造半导体应变片可实现大批量和低成本。若单个MEMS传感器芯片面积为5 mm x 5 mm，则一个8英寸(直径20厘米)硅片可切割出约1000个MEMS传感器芯片，分摊到每个芯片的成本则可大幅度降低。相比之下，当前六维力传感器的加工依然以小批量、人工贴片焊接为主。 MEMS技术制造半导体应变片可实现高精度。硅应变片比箔片传感器具有更高的应变灵敏度，从而使测量结果更加精确。基于MEMS技术的应变片还具有更高的断裂强度，能够承受较高的工作温度和粘接温度，因此比箔式应变片更耐用，应用范围更广。 2.2.3六维力传感器壁垒主要在于维间数据耦合与标定检测 维间耦合：由于传感器的结构设计、机械加工的精度、