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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

机械设备 2025-01-09 - 中泰证券刘银河

人形机器人感知层关键部件：力、触觉、惯性传感器

人形机器人强调具身智能，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迈进的门槛。传感器是人形机器人感知层的关键，其质量和技术水平将直接影响到机器人的性能和稳定性。特斯拉人形机器人上传感器的成本占比接近30%。

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：力矩传感器是机械臂感知力度的重要部件，应用前景广阔。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。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%。
柔性触觉传感器：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。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：惯性传感器有望成为机器人标配。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。

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。
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。

MEMS市场处于高速增长过程中

全球MEMS市场CAGR平均在8-9%。根据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。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。

多维力传感器或是机器人精准力控的最优解

机器人通过力控制系统获得“触觉”。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。
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。
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，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。
六维力传感器行业格局：日韩欧美起步较早，占据高端市场。全球六维力/力矩传感器主要分为日韩品牌、欧美品牌和国产品牌三大阵营。日韩地区六维力/力矩传感器厂商主要配套当地机器人本体厂商；欧美地区六维力/力矩传感器厂商合作企业以协作机器人本体厂商为主。
国内六维力传感器企业快速跟进，部分产品国际领先。国内已具备批量化产品供应能力的厂商仍偏少，产品性能距离国际头部企业仍有差距。坤维科技、宇立、鑫精诚、海伯森、蓝点触控、神源生智能、瑞尔特测控等均已有相关的产品落地并进入产业化应用。
我国六维力传感器市场规模小，增速高，国产化率快速提升。2022年机器人行业销量占比超50%。预计到2027年中国市场六维力传感器销量有望突破84,000套，复合增长率超60%。预计到2027年中国六维力传感器市场规模将超过15亿元，复合增长率超45%。
六维力传感器主要应用在协作机器人上。在工业制造领域，通过安装在协作机器人的末端，用以实现高精密柔性装配、焊接、去毛刺作业、拖动示教等应用。在商业应用领域，通过在协作机器人末端安装六维力传感器，可以让机器人更加智能地感知人体部位的力度和压力，实现更加准确和舒适的按摩理疗服务。在医疗领域，六维力传感器可以帮助手术机器人感知人体各个方面的实时参数，从而实现更精细、高质量的手术操作，降低手术风险。
打磨抛光机器人对六维力传感器需求更直接。传统打磨抛光行业存在诸多痛点，使用机器人替代人工是未来发展的趋势，但目前在打磨抛光行业，尚未看到机器人和自动化实现成熟的解决方案，渗透率比较低。六维力传感器是打磨抛光机器人加速渗透的重要突破口。
人形机器人有望大量使用六维力传感器。六维力矩传感器能够全面反馈力觉信息，有效提升人形机器人的力度感知性能。目前的主流设计方案中，人形机器人需要4个六维力传感器，分布在腕部和踝部。未来有望应用于机器人灵巧手。
六维力传感器价格较高，降本空间可观。目前六维力传感器价格昂贵。国产六维力传感价格大概在10,000-60,000元/个不等，而海外老牌厂商生产的六维力传感器售价显著高于国内，ATI的六维力传感器产品价格约10万元左右。六维力传感器的制造成本主要集中在应变片，弹性体加工成本和人工成本上。应变片：国内应变片龙头中航电测单个金属应变片售价约12元，以使用24片应变片的六维力传感器为例，金属应变片成本约288元。MEMS技术成为主流后，半导体应变片大规模量产，有望进一步降低成本。弹性体：弹性体自身的价格比较低，TPE传感器弹性体材料的价格在每公斤10元到50元之间。人工成本：产品组装、调试等。我们认为，六维力传感器综合硬件成本约在千元左右，当前仍存在较大的降本和降价空间。
人形机器人有望为六维力传感器新增百亿元市场空间。我们预计六维力传感器单价随人形机器人量产进程逐年下降。高盛预测，到2035年人形机器人市场规模将达1520亿美元，CAGR可达到94%。到2030年，人形机器人出货量可能达到100万台，并有可能成为继智能手机、电动汽车之后的下一个被广泛采用的设备。保守/中性/乐观情况下，2030年人形机器人所需的六维力传感器市场规模分别约为72/103/146亿元。

柔性触觉传感器有望进一步升级机器人感知能力

柔性触觉传感器：助力机器人感知能力再上一层楼。“电子皮肤”的应用有望赋予机器人更丰富的触觉，进一步升级其感知能力。人体皮肤中分布着众多由不同类型的神经元组成的感受器，其中默克尔细胞和鲁菲尼小体主要感受持续的低频压力，二触觉传感器正是对人体这两个触感受器的模仿。
柔性传感器提供更稳定的传感性能，应用场景拓宽。与传统刚性传感器相比，柔性传感器最大的优势在于应用场景更为丰富。特点一：具备柔性、可拓展性、稳定性能稳定。特点二：易于规模生产、环保处理。
需求端：消费电子、医疗领域需求驱动柔性传感器市场规模快速增长。全球柔性传感器市场空间有望超500亿元。中国柔性传感器市场规模呈现快速增长的趋势。2017年我国柔性传感器市场规模约为7亿元，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%。消费电子、医疗领域市场需求为主要驱动。
人形机器人为柔性传感器需求新增长极。对于人形机器人，除了手指、肢端等需要高灵敏度的部位外，四肢、前胸、后背等外露的部位也期望进行全面覆盖以实现类似人类的触觉感知。机器人灵巧手：机械手注重手的驱动控制，对电子皮肤和相关柔性传感器的需求较高，是灵巧手领域催生的主要新硬件。
柔性传感器产业加速，国内企业逐步跟进。加工技术升级，柔性传感器的发展日趋成熟。基于MEMS的硅压阻式传感器具有高精度和微小体积的特点，近年柔性衬底的MEMS传感器有了较大突破。国内电子皮肤产业逐步跟进。电子皮肤在全球的发展尚处于早期阶段，但整体看传感器行业海外公司呈引领之势。
人形机器人领域柔性传感器国产替代加速推进，未来降本空间可观。柔性触觉传感器材料占传感器模组成本的40%左右。规模量产助力柔性触觉传感器实现降本，单机价值量有望随降本后逐渐增加。保守/中性/乐观情况下2030年人形机器人所需的柔性触觉传感器市场规模分别约为72/103/146亿元。

惯性传感器助力机器人实现姿态控制、导航定位

何为惯性传感器和IMU？惯性技术广泛应用于海、陆、空、天各种载体的导航、定位与控制。惯性传感器是将物体运动的加速度、位置和姿态转换为电信号的器件，主要包括加速度计、陀螺仪和惯性测量单元（IMU）。
IMU在人形机器人中扮演什么角色？IMU在人形机器人中发挥的作用主要体现在精确的姿态控制和平衡维持、导航和定位、动作执行和路径规划3个方面，具体看其应用方向在于惯性导航和测量稳控。
MEMS惯性传感器市场空间广阔。预计未来整体MEMS惯性传感器市场平均维持8%-10%年化增速。根据 YoleIntelligence 的统计，全球MEMS惯性传感器的市场规模从2018年的28.31亿美元、31.21亿颗增长至2021年的35.09 亿美元、39.39亿颗，预计该市场将于 2027年增长至49.43亿美元、60.60亿颗，2018-2027年销售额及销售量的CAGR分别为6.39% 和7.65%。
高性能MEMS惯性传感器较为稀缺。2021年高性能MEMS惯性传感器约占MEMS惯性传感器市场的20%。高性能MEMS惯性传感器主要适用于高端工业、无人系统、高可靠等应用领域。我们预计，高性能MEMS惯性传感器的增长速度应远高于整体MEMS惯性传感器市场增速。
竞争格局：国外厂商主导，国内企业追赶。MEMS行业主要采用Fabless和IDM两种经营模式。国外厂商占据主导地位。根据YoleIntellegence数据，MEMS加速度计、MEMS陀螺仪、IMU领域海外前五大公司2021年市占率分别为84%、83%、88%，处于绝对领先位置。国内厂商尚处于追赶状态。目前，国内具备MEMS惯性传感器制造能力的上市公司主要包括芯动联科、明皜传感、敏芯股份等；非上市公司包括美泰科技、深迪半导体等，以上公司多采用的是Fabless经营模式。国内具备高精度MEMS惯性传感器制造能力的企业较为稀缺。
人形机器人惯性传感器市场空间。目前惯性传感器在人形机器人中的应用尚未完全成熟，由于价格较高，尚未作为广泛认可的导航方案。预计高精度IMU单价随量产进程逐年下降。保守/中性/乐观情况下2030年人形机器人所需的IMU市场规模分别约为43/62/87亿元。