本篇为中金机械团队—人形机器人前沿系列，聚焦触觉感知。我们从全球机器人触觉发展、技术路线、明星产品（六维力传感、柔性电子皮肤）深度剖析行业发展机遇。
我们认为，1）触觉感知和视觉同属机器人核心感知层，但国内发展更处初期。2）2023年全球人形机器人势能积聚，在灵巧手、双足带来应用刚需。3）A股纯机器人力传感标的稀缺，关注国内初创企业投资机会。
摘要
触觉感知，牵引智能机器人感官革命。1）广义触觉包含力、滑、温度等接触信息，类比生物体，触觉和视觉同处核心感知地位。2）全球机器人触觉传感始于1970年代，直至2010年后迎来技术爆发期。我国触觉传感器布局较晚，以高校和初创企业为主。3）人形机器人作为被寄予厚望的高度智能化产物，灵巧手、双足带来应用刚需，各实验室力传感方案多元。
子赛道一：六维力传感器，璀璨的明珠。1）协作机器人常见感知有电流环（非弹性体受力）、力传感器（压阻/电容/压电）、柔性电子皮肤三种，其中力传感器为精准测力的产业化主流选择。2）六维力传感器为力传感皇冠明珠，在打磨等场景中用于机器人末端夹爪，我们认为人形机器人有望带来强劲市场增量。3）仅考虑全球协作 人形机器人场景，我们测算2025年新增六维力传感市场近50亿元。
子赛道二：柔性电子皮肤，产业界催化重重。1）2023年北京地方政策提出探索电子皮肤的科研导向，越疆等机器人厂商纷纷行动。2）我们认为电子皮肤在机器人应用，比较优势在于柔软可拉伸、触觉点位增多、多模态感知能力。3）国产小荷才露尖尖角，海外知名为Interlink、Tekscan等，国内仅能斯达等少数企业具备产业化预期。我们认为中短期，电子皮肤手套产品等有望落地速度更快。
风险
全球人形机器人量产不及预期等。
正文
触摸未来，解析力感知的无限可能
机器人触觉——走向更加智能的交互方式
触觉为机器人获取环境物理信息的重要知觉。回溯研究文献，学界把机器人触觉分为广义和狭义定义，广义包括“力、滑、温度等与接触有关的信息”，狭义为“机械与接触面上的力感觉”。类比生物体，触觉和视觉同处核心感知地位，体现在：1）较非接触式信息，触觉可为机器人提供环境直接信息。2）当视觉受阻时，机器人对触觉感知产生自然诉求。3）在复杂环境执行中，触觉提供更可靠的执行结果。
根据《柔性触觉传感技术及其在医疗康复机器人的应用（2022）》，以康复机器人举例，触觉感知引入机器人系统，经历三层次信息处理。
► 传感：触觉传感器（按原理可分为压电式/电容式/磁学式/光波导等）将触觉信号转换成电信号，经降噪、调制后输入感知层；压力、扭矩是触觉传感器主要监测对象。
► 感知：含信息提取、与其他类别传感器（如视觉、IMU）等信息融合。AI算法如CNN（卷积神经网络）在视触模型导入。值得注意的是，全球触觉传感器亦呈现多模态趋势，由几种不同敏感元件集成。
► 决策：机器人执行决策操作，最早全球触觉传感器应用在工业机器人自动焊（1974年），发展至今已分布在抓取、打磨、抛光等操作任务中。
图表：机器人触觉感知经历三维度信息处理
资料来源：《柔性触觉传感技术及其在医疗康复机器人的应用（2022）》，程龙等，中金公司研究部
风起于1970年代，舞动于非传统工业机器人蓝海。1974年日立在工业焊接机器人手臂安装触觉装置，感知工件状态。至2000年前，受限于触觉传感器技术有限（尤其在材料、敏感器件封装），全球触觉传感器并未如期批量进入工业机器人市场。2010年后，以精工爱普生、发那科等代表企业在精密加工（如打磨）中加大触觉传感器研发，并引领触觉传感在医疗康养机器人、协作机器人等非传统工业机器人应用，带领触觉传感进入发展提速期。
图表：以企业为例，全球机器人触觉传感技术路径变迁
资料来源：《智能机器人触觉传感专利技术综述（2020）》，崔芳婷等，中金公司研究部
我国触觉传感器布局较晚，以高校和初创企业为主。我国在20世纪80年代初开始研究机器人触觉传感器，以东南大学和中科院合肥智能机械研究所为代表。触觉传感器为敏感材料、加工工艺（半导体微机械加工与集成技术）、软件算法的综合学科，相比于视觉传感器，我国触觉传感器在机器人领域发展明显滞后，体现在海外专利申请不足、企业研发较少、量产能力有限等特点。
根据《智能机器人触觉传感专利技术综述（2020）》对2423篇全球相关专利分析（1974年-2019年06月31日）的样本统计，有别于美国、日本等参与主体以企业为主，中国以高校科研院所为主，如东南大学、浙江大学、哈工大。同样在已上市公司中，触觉传感器标的较为稀缺。
图表：1974-2019H1全球触觉传感器专利分布
资料来源：《智能机器人触觉传感专利技术综述（2020）》，崔芳婷等，中金公司研究部
图表：我国触觉传感器研究以高校科研力量为主（截至2019H1）
资料来源：《智能机器人触觉传感专利技术综述（2020）》，崔芳婷等，中金公司研究部
朝霞之始，人形机器人强化类人感知。2022年开始，人形机器人拉开全球智能机器人时代大幕，2023年产业界势能积聚。人形机器人作为被寄予厚望的高度智能化产物，在灵巧手、双足带来应用刚需。我们以市场公开论文或技术方案，举例说明：
► 足部：双足机器人运动中，脚底压力反馈信息对步态实时控制至关重要。
1）哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究中心及双钱集团博士后创新基地学者（2015年）研发一款足底压力测量传感系统，测量足底压力中心位置和足底力有无，并可推测双足人形机器人运动速度，试验结果与实际误差在0.1m/s以内。
2）2023年UCLA Taoyuanmin Zhu 在《Design of a Highly Dynamic Humanoid Robot》中，在脚后跟和脚趾，定制两维力传感器，只测量两个垂直的地面反作用力。
图表：UCLA—Artmes足部触觉传感器方案
资料来源：《Design of a Highly Dynamic Humanoid Robot（2023）》，Taoyuanmin Zhu，中金公司研究部
► 灵巧手：多指灵巧手作为人形机器人末端夹爪，核心依赖触觉传感，全球以德国、意大利、英国、日本和美国为代表，在航空、医疗领域前沿布局。
1）全球灵巧手关节执行器主要分电机驱动（内置伺服电缸）和腱驱动（腱绳柔性传动），以腱驱动为代表的NASA—Robonuat灵巧手，其触觉传感器包括“关节角位置传感器 腱张力传感器 六维力传感器”构成。
2018年，南京航空航天大学受863基金资助的《腱驱动空间多指灵巧手感知与控制关键技术研究》，全面分析了三类触觉传感器作用机理，并指出，六维力传感器灵巧手系统中最重要的传感器之一。
2）国内有多家公司推出可量产的灵巧手。根据《机器人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战（2021）》分析，因时机器人RH56BF3 仿人型多指灵巧手为例，具有 6 个驱动器和5个接触力传感器。文章指出，由于仿生手指表面的软性曲面结构，电子皮肤或将成为下一热点研究方向。
图表：基于腱驱动的多指灵巧手触觉传感器方案（以南京航空航天大学为例）
资料来源：《腱驱动空间多指灵巧手感知与控制关键技术研究（2018）》，韩如雪，中金公司研究部
综合来看，以人形机器人为代表的智能机器人，在三大方面区别于传统机器人。
► 类脑控制：工业机器人以专用运动控制器，多为PC-based。人形机器人为实现具身智能的终极目标，需建立在强算法、强算力、通用生态的基础上，云端大脑是训练多模态通用人工智能的合适路径。
► 感知能力：触觉感知成为人形机器人刚需，含力、滑、温度、刚度等与接触有关的信息，以力感知为主。在协作机器人中，电流环或力矩传感器为主流应用。在人形机器人上，电子皮肤（仿生材料）、多模态联动为研究热点。
► 应用生态：由于人形机器人应用场景远未固化，各家目标工作场景差异化较大，因而传感器方案相差较大。但整体上，我们认为延续专业分工模式，触觉传感器企业主力供应，人形机器人企业二次开发或集成。
图表：智能机器人区别于传统机器人的产业链环节
资料来源：各公司官网，中金公司研究部
力传感：电流环相对普遍，力矩传感器成本高昂产业应用前夕
力传感器是触觉传感的主流产品，从作用原理，学界常分六大类。
► 压阻式：外力作用在压阻材料（石墨烯等）时,通过测量阻值变化可以得到接触力。通过在接触面设计不同几何形状的微结构，可实现灵敏度的定制。
► 电容式：外力作用在介质时，介质间距、相对面积或介电系数发生改变，通过电容值推测力，与MEMS工艺结合紧密。微型空腔, 疏松化可提高灵敏度，但对磁场变化敏感。
► 压电式：被动压电从电流探测外力(矩)，主动压电从谐振频率测算，常见的压电材料有石英、氧化锌等。
► 其他：1）磁学式：外力导致磁极移动，通过霍尔效应监测。2）光波导：作为分布式传感，灵活性高。3）热学式：辅助补充手段。
图表：六大类力传感器划分（按作用原理）
资料来源：《柔性触觉传感技术及其在医疗康复机器人的应用（2022）》，程龙等，中金公司研究部
在产业界分类中，力感知产品分三类：
► 电流环：没有通过弹性体受力，通过调整伺服电机，获取各关节电流，再通过电机厂商提供的转矩系数计算各关节的输出力矩。根据我们产业调研，协作机器人应用场景中，60%以上场景采用电流环作为触觉感知，只感知力矩，不分解力的方向和大小，单价千元以内，安装方便。
► 力（力矩）传感器：包括末端 关节。力（力矩）传感器实现测量力的大小和方向，其中六维力传感器（感知三维空间全力信息）为皇冠上的明珠。根据我们产业调研，约20%协作机器人末端安装六维力传感器，用在打磨、精密装配环节。
图表：协作机器人力传感器示意图
资料来源：蓝点触控，中金公司研究部
► 柔性电子皮肤（E-skin）：附着于机器人表面的柔性纳米功能材料，敏感材料、结构设计、多模态感知是电子皮肤技术进步方向。电子皮肤在健康监测、可穿戴设备等领域已有应用落地，但未大规模产业应用。
图表：协作机器人实现力感知的主流产品
资料来源：MIR，中金公司研究部
在此后章节，我们重点分析力（力矩）传感器和柔性电子皮肤发展趋势。
力（力矩）传感器：精准测力的主流选择
分类：六维力传感器，璀璨的明珠
力传感器分为一维和多维（三维、六维）。1）一维力传感器：只能测量单维度力和力矩，如工业场景中常见的称重仪器，就是一维力传感器。2）多维力传感器：六维传感器可同时测量沿三个坐标轴方向的力和绕三个坐标轴方向的力矩，属于机器人关键核心部件，位列工信部十四五“机器人关键基础升级行动”之列。
► 一维力传感器：一维力矩传感器在工业应用广泛，但在机器人使用中，若控制不好易产生振动，且量程受限。市场一维力传感器单价在100-2000元不等，应用在称重仪器、铁路检测等。
► 三维力传感器：1）力F的作用点P始终与传感器的标定参考点O保持重合；2）力F方向在三维空间随机变化，选用三维力传感器。市场三维力矩传感器单价在100-10000元不等，用在实验室检测等。
► 六维力传感器：1）空间中任意方向的力F的作用点P不与传感器标定参考点重合；2）力F方向在三维空间随机变化，选用六维力传感器。六维力传感器大幅提升机器人末端感知水平，但成本相对高昂，售价在3000-30000元不等。
图表：一/三/六维力传感器分类及选择
资料来源：ATI，中金公司研究部
硅应变力矩传感器是主流感应元件。力传感器按感应元件分类可分为：1）硅应变片和金属箔类，都是将力信号形变为阻值，属于压阻式；2）光学类，将力信号转化反映为光栅信号；3）电容及压电类，将力信号转化为电荷或极距。据ATI（六维力矩传感器全球龙头）2021年发布的公开演讲表明，硅应变传感器稳定性、刚度及信噪比最优，是目前主流应用，但成本也较高昂，售价在万元以上。
图表：硅应变传感器综合性能更优
资料来源：ATI 2021年公开教学视频，中金公司研究部
壁垒：算法解耦难，生态链有待优化
我们从力传感器本身、与机器人的协同调度来理解其工作原理：
► 力传感器原理：以压阻式为例，敏感元件直接感受（或响应）被测信息（非电量），转换元件指传感器中能将敏感元件的感受（或相应）信号转换为电信号的部分。转换元件主要负责：1）把来自敏感元件的信号转移成电压、电流等信号，使其更适合进一步处理和传输；2）对信号进行滤波、调制、解调、衰减、运算及数字化处理。
图表：力矩传感器工作原理（以压阻式为例）
资料来源：《多维力传感器研究的发展历史及国内外研究现状》（张晨，2021），中金公司研究部
► 与机器人协同调度：执行机构反馈给控制器力和力矩，控制器计算目标力和力矩后，反馈给伺服控制和电机机械臂目标运动速度及加速度，反馈级别在毫米级别。
图表：力矩传感器与机器人的协同调度
资料来源：ATI，中金公司研究部
算法解耦是六维力传感设计核心难点。1）硬件：硅应变片、电路板、芯片等组成，相对标准化采购；2）算法：①动态补偿：受力实时发生变化，需要动态调整并预判力的变化，并根据重力/惯性力/震动抑制进行算法补偿。②误差补偿：多维力传感器与单轴力传感器比较，除了要解决对所测力分量敏感的单调性和一致性问题外，还要解决因结构加工和工艺误差引起的维间（轴间）干扰问题、动静态标定问题及矢量运算中的解耦算法和电路实现问题。3）商务因素：国外机器人企业与国外力控传感器品牌捆绑销售，形成控制器里专用软件包，并且不免费开放底层接口（CSP层），新厂商进入难。
市场空间：畅想人形机器人时代，新增六维力传感需求有望近50亿元
协作机器人精密力控场景有限，人形机器人带来应用空间。我们调研发现，在协作机器人中，六维力传感器常用于精密打磨、装配、搅拌摩擦焊三大场景。但由于全球协作机器人销量基数仍低，我们认为以T为代表的企业逐鹿人形机器人，将对力传感带来新增强劲催化剂。
► 精密打磨：机器人根据事先设定的轨迹和接触力进行表面抛光，要求力矩传感器具有一定精度、稳定性及刚度。
► 力控装配：机器人抓取元器件到达预装配点进行制定力操作，需要安装力反馈传感器。
► 搅拌摩擦焊：以高速电主轴摩擦运动产生的热量进行焊接，要求摩擦热均匀连续，需要用到力矩传感器。
仅考虑协作机器人&人形机器人，我们测算2025年新增六维力传感市场近50亿元。
1）协作机器人：据高工机器人，2022年全球协作机器人销量7.85万台，假设20%安装六维力传感器，单价1.5万元左右，则2022年全球协作机器人用六维力传感器需求约2.4亿元人民币，按照25%年复合增速计算，2025年市场需求约7亿元；2）人形机器人：假设2025年人形机器人全球销量5万台左右（根据特斯拉产业链相关进展），一台人形机器人至少配4个微型六维力传感器，单价2万元左右，则全球市场空间可达40亿元左右。3）工业机器人：配六维力矩传感器比例较低，可大致忽略不计。
图表：全球六维力矩传感器市场空间测算
资料来源：高工机器人，中金公司研究部
美日企业先发优势明显，国内仍处产业早期。国际上六维力矩传感器主要研究单位有美国DRAPER实验室、斯坦福研究所、JPL实验室、IBM公司和日本的日立公司、东京大学等，龙头公司以美国ATI为主，据其官网2022年销售收入达5亿美元左右，在四大家族、UR等有使用量，售价几万元到十几万人民币不等。
图表：内外资力矩传感器主要厂商介绍
资料来源：各公司官网，中金公司研究部
国内一级公司风起云涌，明星初升。我们预计国内多维力传感国产化率不足20%，以宇立仪器、蓝点触控、坤维科技等为代表。宇立仪器较早与外资机器人厂建立标准产品合作，联合ABB、KUKA开发了多个标准力控产品。近几年蓝点触控在打磨场景发展迅速，人形机器人进展积极。
柔性电子皮肤：仿生交互，应用场景涌现
简介：柔性衬底 柔性传感器，优化机器人触觉感知与交互
仿生人类柔性皮肤，压阻式为商业化首选。电子皮肤通常采用等柔性材料作为衬底，集成多模态的柔性传感器，从而仿生人类皮肤，核心两大功能为对力信号的感知和进行外物识别，目前大部分研究以力信号感知功能为主，实验室研究中的传感原理包括压阻式、电容式、压电式和摩擦电式，压阻式因其灵敏度高、制备简单、成本较低的特性成为商业化首选。除了力传感外，电子皮肤可以多模态信息输入。
图表：电子皮肤传感器原理对比
资料来源：《纤维基自供能电子皮肤的构建及其应用性能研究进展》（吕晓双等，2022）；Yu Chang, Liu Wang, et al. First Decade of Interfacial Iontronic Sensing: From Droplet Sensors to Artificial Skins [J]. 2021；Fang Zhong, Wei Hu, et al. Piezoresistive design for electronic skin: from fundamental to emerging applications [J]. 2022；Baoqing Nie, Ruya Li, et al. Microfluidic tactile sensors for three-dimensional contact force measurements [J]. 2014；汉威科技官网；中金公司研究部
机器人、人机交互，为电子皮肤两大应用方向：
► 机器人触觉：1）结构：电子皮肤包裹于机械外部，需和机械结构形成完美贴合，传感结构层级较多；2）设计关注点：考虑机器人内部布线和电源供给，以及非温和环境下电子皮肤材料的寿命；3）应用场景：用于协作机器人和人形机器人，对关键部位表面进行覆盖，使机器人实现触觉感知，理想状态下电子皮肤将有可能覆盖机器人全身大面积皮肤。
► 人机交互：1）结构：一种形态为可贴附在人体上的小片薄膜，另一种形态为类织物构造的可穿戴设备，传感结构层级较少、相对简单；2）设计关注点：需要注重传感器和人体的融合，避免材料的毒性、致敏性；3）应用场景：包括人机交互、运动识别、健康检测等，例如通过在检测部位贴电子皮肤贴片，使得机器更精准地收集人体的健康生理信号变化。
图表：贴附人体式电子皮肤功能示意
资料来源：络绎学术Online，中金公司研究部
图表：机器人电子皮肤研究发展历程
资料来源：Fengyuan Liu, Sweety Deswal, et al. Neuro-inspired Electronic Skin for Robots [J]. 2022，中金公司研究部
在机器人应用中，相较力传感器，电子皮肤的优势体现在：1）柔软可拉伸：一方面，柔性传感器可以自由弯曲和折叠，能根据测量条件进行形变，提高复杂信号测量的准确性；另一方面，柔性质地增强人与机器人互动时的舒适体验。2）触觉点位增多：力矩传感器多为单点式，电子皮肤覆盖面积增大，实现大阵列式多维传感。3）多模态感知：力传感的同时实现温度、湿度、剪切力等多模态感知，更形象地模拟触觉，优化机器人感知和应变能力。4）交互体验升级：力矩传感器以感知功能为主，电子皮肤则承担感知与交互双角色，可以识别人体交互意图、满足非结构化环境的交互需求、强化安全性。
技术难点：结构和材料设计，迁移至规模量产仍需时间
电子皮肤结构与材料设计仍停留在实验室阶段。研究人员着力攻克的难点在于感知性能提升、材料优化、高密度传感集成等方面，且过往研究大多集中在一个细分方面，技术成熟度不足。
► 从感知性能来看，电子皮肤的关键技术参数包括灵敏度、量程、响应速度、线性度、分辨率等。其中，灵敏度为研究关注度更高的参数，以电容式传感器为例，由于传感结构中柔性材料可压缩程度有限，压力达到一定程度后，柔性材料发生结构硬化，导致灵敏度下降幅度较大，针对于此，学界研究在不断探索设计微结构以提升灵敏度，并同时增大量程。
► 从材料优化来看，材料要解决器件兼容性问题，还要配合灵敏度、响应速度等要求更改配比；还需要通过厚度、自愈能力等设计综合提升寿命，其中，自愈能力为实验室的一大研究方向，基于弹性体、水凝胶、离子凝胶等材料的电子皮肤即使遭受一定破坏也可以恢复传感功能，可以延长材料的使用寿命。
► 从高密度传感器集成来看，机器人应用电子皮肤的核心诉求之一是拥有高密度触觉反馈，并需要减少多器件间的干扰。学界在不断突破，斯坦福大学鲍哲南团队在2021年实现了在0.238平方厘米上集成超1万个可拉伸晶体。此外，多模态传感器的加入进一步增加了设计和生产难度。
图表：电子皮肤提升感知性能需要解决的技术矛盾
资料来源：《从数字新基建到机器人电子皮肤》（郭士杰，2023）；Ningning Bai, Liu Wang, et al. Graded intrafillable architecture-based iontronic pressure sensor with ultra-broad-range high sensitivity [J]. 2020；中金公司研究部
从1到N，难点在于：1）组装至机器人方面：传感元件高密度化给布线和算法设计带来难度，电子皮肤贴合性需要传感器厂商和机器人本体厂商耗费大量成本进行测试与磨合。2）稳定性方面：实验室制作的成品以人体皮肤贴片为主，环境较为温和，研究成果对部分机器人作业环境迁移性较差，无法保证材料的稳定性。3）生产方面：电子皮肤的大面积和稳定生产缺乏经验，大批量生产的成本可行性不足。
商业化进展：柔性压力传感器厂商先行，机器人场景想象空间充足
2023年国内机器人电子皮肤催化剂重重。1）政策端：《北京市机器人产业创新发展行动方案（2023-2025年）》提出要探索电子皮肤等新型结构的开发与应用。2）产业端：机器人厂商对电子皮肤纷纷展开测试和应用，例如，越疆机器人在2023年6月通过验收的“高性能智能协作机器人”项目中就有电子皮肤自主导纳控制的人机交互技术。机器人将带动柔性传感器放量。
在电子皮肤领域，除了斯坦福大学、加州大学、新加坡国立大学、中国科学院等主要团队在进行实验室探索外，不少厂商也开始蓄力研发。由于大面积的电子皮肤技术仍未成熟，市场上相对较为活跃的赛道大致可分为两类：
► 电子皮肤贴片。美国企业Vital Connect研发出可穿戴式生命体征监测设备，国内企业Rotex研发出可以用于透皮给药导入、力学信号柔性传感的电子皮肤。据IDTechEx预测，2033年全球电子皮肤贴片市场将超过270亿美元。
► 柔性压力传感器。市场上主要供应商包括美国企业Interlink、Tekscan，国内仅能斯达等少数企业产业化水平较高。Tekscan的FlexiForce系列柔性传感器为压阻式传感器，厚度仅8密耳，可以感应到仅5公克的轻触，以官网售价计算的传感器单价在9.46美元至51.26美元之间。
图表：Tekscan柔性传感器产品
资料来源：Tekscan官网，中金公司研究部
电子皮肤手套或成为人形机器人落地的产品方向。囿于技术进展和人形机器人的售价要求，我们认为电子皮肤手套可能为更早落地的产品方向。Tekscan已推出主要用于人体工程学产品设计的手套型Grip系统，沿着类似思路，我们认为随着材料的进步和降本，机器人末端可以佩戴电子皮肤手套，和配套六维力传感器的灵巧手方案互补。
图表：Tekscan的Grip触觉测量系统
资料来源：Tekscan官网，中金公司研究部
文章来源
本文摘自：2023年7月11日已经发布的《人形机器人前沿系列：力触觉，牵引感官革命》
郭威秀 分析员 SAC 执证编号：S0080521120004 SFC CE Ref：BSI157
丁健 分析员 SAC 执证编号：S0080520080002 SFC CE Ref：BRQ847
王梓琳 联系人 SAC 执证编号：S0080121060117
张贤 分析员 SAC 执证编号：S0080523060013
陈显帆 分析员 SAC 执证编号：S0080521050004 SFC CE Ref：BRO897
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