机器人行业报告：智能时代感知系统核心元件

报告出品方：安信证券

以下为报告原文节选

------

1.力传感器：机器人控制感知层的核心零部件

传感器是把其他信息转换为电信号的零部件，力传感器即把力/力矩的量值转换为电信号的零部件。传感器通常由敏感元件和转换元件组成，能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。2019 年实施的推荐性的国家标准 GB/T 36378.1-2018《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了细致的分类。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。本文中的力传感器指测量各类力/力矩，把力和力矩的量值转换为电信号的零部件。
力传感器上游材料供应充足，下游应用领域广泛。从产业链上游来看，根据测量原理的不同，力传感器上游为半导体材料、金属材料、有机材料等。目前上游材料的供应商竞争充分，市场供应充足。从产业链下游来看，力传感器是众多机械和电子设备不可或缺的感知元件，其产业链下游应用广泛，包括汽车电子、通信电子、消费电子、专用设备等多种领域。

1.1.分类方式：按测量原理、测力维数、输出方式、力的种类等分

类力传感器分类方式众多，可根据以下方式分类：①测量原理：可分为应变式、压电式、电容式、光学式等；②测力维数：可分为 1-6 维力传感器，其中以一维、三维、六维力传感器最为常见；③输出方式：可分为模拟传感器和数字传感器；○4 力的种类：可分为压力传感器，称重传感器，力矩传感器等。

（1）根据测量原理：

根据测量时利用的不同物理原理，力传感器可分为应变式、压电式、电容式、光学式。
应变式：将力转化为电阻变化。应变式力传感器的核心零件是电阻应变片，一般由金属或硅制成，可将力产生的应变转换为电阻变化，即应变效应。应变式力传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当待测力作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起敏感元件的阻值变化，通过转换电路将其转变成电信号输出，据此推算力的大小。利用相似的原理，除力/力矩以外，应变式传感器还可以测量加速度、位移等物理量。应变式力传感器具有精度高、技术成熟、测量范围广、频响特性好等特点，是当前使用最为广泛的力传感器。

压电式：将力转化为电荷变化。压电式力传感器的核心零件是压电材料，如石英、压电陶瓷等。压电材料在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。通过电路将其转变为电信号输出，据此推算力的大小。压电式力传感器具有动态响应好、精确性好、分辨率高、结构紧凑、尺寸小、刚度强等特点。
电容式：将力转化为电容变化。电容式力传感器的核心零件是电容器。电容式力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号，据此推算力的大小。电容式力传感器具有高灵敏度和高分辨率、频率范围宽，结构简单、环境适用性强等特点。
光学式：将力转化为光强变化。光学式力传感器的核心零件是光纤。光学式力传感器由弹性体和光纤构成。当待测力作用在弹性体上时，弹性体形变使得光纤发生弯曲，导致经过光纤的光强发生变化。用光传感器检测这一信号，据此推算出力的大小。光学式力传感器具有可靠性高、测量范围广、动态响应好。

（2）根据测力维数：

根据测力的维数，力传感器可以分为一维到六维传感器。从主流的力传感器的测量维度来看，一维、三维、六维力传感器是较常见的产品，二、五维力传感器较少见。
一维力传感器：测定一个方向的力。如果待测力的方向能完全与标定坐标轴重合，那么用一维力传感器就能完成测量任务；如待测力与标定坐标轴成一定夹角，或作用点不在标定参考点，则会产生测量偏差。常见的压力传感器、称重传感器都属于一维力传感器。
三维力传感器：测定三个正交方向的力。如果待测力的方向变化，但力的作用点保持不变，与传感器的标定参考点重合，那么用三维力传感器就能完成测量任务。三维力传感器将给出待测力在 x, y, z 轴的三个分量 Fx, Fy, Fz。如果待测力的作用点不在标定参考点，则会产生测量偏差。
六维力传感器：测量三个正交方向的力和三个正交方向的力矩。即使待测力的方向任意变化，作用点不在标定参考点，六维力传感器也能完成测量任务。六维力传感器将给出待测力在 x, y, z 轴的三个分量 Fx, Fy, Fz，和待测力矩的三个分量 Mx, My, Mz。

(3) 根据输出方式：

根据输出方式的不同，可分为模拟传感器和数字传感器。
模拟传感器：将被测量的力信号转换为模拟信号输出。模拟信号是连续的变化信号，可以通过模拟电路进行处理和控制。模拟传感器的优点:1）传输距离远：模拟信号具有连续变化的特点，可以在传输距离较远的情况下仍保持信号稳定；2）成本低：不需要数字转换器等电路，因此成本较低；3）功耗低：模拟传感器不需要进行数字转换，因此功耗较低。模拟传感器的缺点：1）精度低：模拟传感器中存在放大、滤波等环节，容易受到环境干扰等因素的影响；2）抗干扰能力差：模拟信号容易受到环境干扰的影响；3）不易集成：输出的是模拟信号，需要通过模拟电路进行处理和控制，因此不易与其他电子元器件集成。模拟传感器广泛应用于电子测量、环境监测、机器人等领域。

数字传感器:将被测量的力信号直接转换为数字信号输出。数字信号是一系列由 0 和 1 组成的二进制数码，可以通过微处理器或单片机进行处理和控制。数字传感器的优点:1）精度高：直接将模拟信号转换为数字信号，避免了模拟电路中存在的放大、滤波等环节带来的误差；2）抗干扰能力强：输出的数字信号可以通过软件算法进行处理和控制，具有良好的抗干扰能力；3）易于集成：直接与微处理器或单片机相连，实现数字化处理，可方便地与其他电子元器件集成在一起。数字传感器的缺点：1）价格较高：需要包含数字转换器等电路，造价较高；2）功耗较大：需要通过数字转换器将模拟信号转换为数字信号，功耗较大。
数字传感器广泛应用于工业自动化、医疗设备、汽车电子等领域。

(4) 根据力的种类：

根据所测力的种类，力传感器可分为压力传感器、称重传感器、力矩传感器等。
压力传感器：用于测量压力，包括气体、液体的压力。根据不同压力类型，压力传感器可进一步细分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。压力传感器是一种极为常用的传感器，广泛应用于工业自动化、智能机器人、汽车、医疗、家用电器等行业。采用柔性材料制成的柔性压力传感器可用于机器人仿生电子皮肤，为机器人提供触觉感知解决方案。
称重传感器：用于测量物体所受重力。称重传感器可广泛应用各领域，包括：1.工业自动化:对物料进行称重和计量,确保生产过程的精确控制；2.汽车工业：帮助检测车辆的重量变化，从而调整车厢、发动机、制动系统等的性能，确保汽车的安全和稳定。3.物流领域：用于对货物的称量和统计，从而有助于掌握物流信息，提高运输效率和控制运营成本;4.建筑工程：用于测量物料的重量，为建筑设计提供支持等。
力矩传感器：用于测量力矩。根据被测物体的运动状态，可以分为动态的转矩传感器和静态的扭矩传感器。力矩传感器常用于交/直流电动机、伺服电机、步进电机；汽车发动机、柴油机、转向器、车身整体刚性扭转以及其他部件加工过程的控制和检测；电/手动执行器，各种阀门自动开闭控制；各种材料扭矩寿命试验；铁路机械设备过程控制等。
1.2.下游应用：下游应用领域广泛，根据需求选择相应准度

汽车电子、消费电子、工业制造为力传感器的主要下游应用。以 MEMS 压力传感器为例，汽车电子是第一大下游应用领域，约占我国总市场规模的 47.7%，其次，MEMS 压力传感器在消费电子、工业制造、医疗、航空航天领域也有着广泛应用，2020 年分别占总市场规模的18.2%、15.9%、13.6%、4.6%。此外，新兴市场的迅猛发展也推动了需求的持续扩张，例如：物联网带动称重传感器需求、以及人形机器人即将带来的对力觉等传感器的需求。

2.行业分析：国产替代进行时，六维力传感大有可为

2.1.我国力传感器市场规模约 671 亿元，多维力传感有望迎高成长

2022 年世界传感器市场规模预计超 2500 亿美元。传感器技术与通信技术、计算机技术并称现代信息产业的三大支柱，随着近年来人工智能、物联网、5G 等前沿科技的不断发展，传感器市场日益繁荣。根据 Statista 数据，预计 2022 年传感器全球市场规模为 2512.9 亿美元（约合 17963 亿人民币），2022-2025 年 CAGR 为 8.04%。

中国传感器市场规模约占全球的 20%，预计 2022-2025 年中国传感器市场复合增速达 19.07%。根据前瞻产业研究院数据，2022 年预计我国传感器市场规模达 3532 亿，至 2025 年有望增长至 5952 亿，CAGR 达 19.07%，高于全球 2022-2025 年市场规模 CAGR 8.04%。
力传感器市场规模约占整体市场的 19%。力传感器是传感器产品的重要组成部分。根据前瞻产业研究院数据，力传感器市场规模占整个传感器市场的 19%，对应 2022 年市场规模约 671亿元。

目前六维力传感器市场规模较小，未来成长性强。考虑到六维力传感器的高技术壁垒及高价值量，当前应用于工业领域需求较小，但伴随着协作、人形机器人等市场对多维高精度力传感器需求的不断提升，我们看好六维力传感器长期市场规模的持续放量。据高工机器人产业研究所（GGII）数据显示，2022 年中国市场六维力传感器销量为 8360 套，同比增长57.97%，机器人行业销量达 4840 套。若假设六维力传感器销售均价为 2 万元，则 2022 年中国六维力传感器市场规模约为 1.7 亿元。

2.1.1.协作机器人：多维力传感器赋能，提升协作机器人工作精度

协作机器人是一种可以在共同的工作空间与人类进行交互的机器人。协作机器人结合传感器、物联网、人工智能等技术，实现机器人对外部环境和自身运动状态的感知，并形成规划、学习和决策能力，使机器人能够根据环境和任务做出正确的动作，实现人与机器人的协调工作。协作机器人具有重量轻、人友好性、感知能力强、编程简便等优点。

2022 年中国协作机器人市场规模达 21.53 亿元，出货量为 1.95 万台。根据高工机器人数据，2016-2022 年中国协作机器人市场规模 CAGR=41.46%；2022 年出货量为 1.95 万台，2016-2022 年 CAGR=42.80%。高工机器人预计，随着下游 3C 电子行业回暖，汽车及零部件、机械加工、新能源、医疗保健等行业领域渗透率持续提升，未来六轴及以上协作机器人将进入一段平稳的高速增长期。预计至 2026 年，中国协作机器人出货量将接近 6 万台。

协作机器人工作精度要求高，多维力传感器赋能提升精细化程度。3C 电子为协作机器人第一大下游应用领域，约占总市场规模的 30.3%；其次，协作机器人在汽车及零部件、机械加工、医疗保健、半导体、锂电池等领域也有着广泛应用，分别占总市场规模的 27.2%，10.8%、14.6%、3.6，1.3%。上述领域在机器人的工作精度上都有相当高的要求。在附加多维力传感器之前，协作机器人无法完成高精度的运动，仅限于完成简单的任务，如拾取和放置操作等。配置了多维力传感器后，协作机器人能够测量其施加的力和力矩的大小，然后调整其施加的力以更好地执行任务或完成更精细的任务，例如去毛刺、精密装配、拖动示教等。此外，它们可以借助多维力传感器进行质量检测和过程监控。

预计 2026 年协作机器人领域的六维力传感器市场规模将达 6 亿元。根据高工机器人的预计，2026 年协作机器人销量将达 6 万台；假定 50%的协作机器人需要使用六维力传感器，六维力传感器单价约为 2 万元，则 2026 年协作机器人领域的六维力传感器市场规模将达 6 亿元。
2.1.2.人形机器人：全新增量市场，有望大幅拉动六维力传感器需求

人形机器人是一种模仿人类外貌和运动能力的机器人。人形机器人具有高度通用性，通过多层次、精密设计，极大提升了机器人应用场景的灵活性，其终极目标是让机器人“解放人类劳动力”。人形机器人的设计是基于人类功能，同时性能又能超越人类，从替人类搬运、搜救、排爆、驾驶，到拥有高智能后甚至可以成为人类的陪伴提供情绪价值，其发展存在无限可能。近年来随着 AI 大模型的超预期发展，以及产业资本的密集投入，人形机器人产业发展加速。一方面，随着人工智能和机器学习的发展，人形机器人在感知、决策和执行能力方面取得了巨大进步。另一方面，产业资本关注度提升，多方入场加速布局，各家企业机器人性能亦在不断完善。比如，Tesla 在 2023 年 5 月的股东大会上发布其人形机器人最新视频，我们可以看到其性能更加稳定、形态也更加自然。Tesla Optimus 机器人预计量产售价低于 2 万美金，若能实现该价格，将对人形机器人市场化放量带来标志性时刻。

此外，人口老龄化和劳动力短缺问题催生了对机器人的需求。
人口加速老龄化，劳动力出现缺口。据中国卫健委统计，2015 年中国 65 岁以上人口比例达10.5%，高于世界平均水平 8.4%。2020 年间，中国 65 岁以上人口比例快速攀升至 13.5%，增速亦高于同期世界平均水平。据联合国经社部预测，2035 年中国 65 岁以上人口比例将达高达 22.5%，进入超老龄化社会。同期，全球平均水平亦将上升至 13.2%，接近严重老龄化。
据此，全球均面临着日益严峻的人口老龄化问题，劳动力供给将面临严重短缺。

人均工资逐年上升，用工成本水涨船高。据国家统计局数据显示，中国人均工资从 2019 年的 9.05 万迅速上升至 2022 年的 11.4 万，复合增长率达 8%，用工成本压力快速上升，假定未来中国人均工资年增长率仍为 8%，2025 年预期中国人均工资将达 14.4 万元。同期，Optimus 预期将投入量产，据马斯克宣称售价约为 2 万美元，约合 14 万元，与中国人均工资基本持平。据此，人形机器人有望占据成本优势，在工业和服务业中实现快速渗透。

理想情形下，2025-2035 年人形机器人销量增速有望达 94%，两年投资回报期。根据哈默纳科官网公告显示的高盛预测：

①最乐观情形：2035 年人形机器人市场规模可达 1540 亿美元，与 2021 年电动汽车市场规模相近，2025-2035 年复合增速达 94%。为了达到最乐观情形，技术必须有革命性的突破：比如机器人的电池需支持长达 20 小时的连续工作；机器人需要兼具敏捷性和智能性；运动规划算法的效率和算力需大幅提升；机器人需自主学习并适应工作环境；机器人制造成本需年均降低 15%-20%。此外，消费者对机器人进入生活的接受度也需要大幅提升。高盛认为，上述技术突破虽然看似难以实现，但考虑到机器人的发展速度已然超乎公众想象，最乐观情形亦有可能达成。
②乐观情形：若参照全球电动汽车发展历程，预计 2025-2035 年人形机器人销量 CAGR 可达40%左右。乐观状态下，若人形机器人发展速度快于电动汽车发展进程，则预计 2025-2035年人形机器人销量 CAGR 可达 59%。
③中性情形：预计未来 10-15 年内人形机器人市场有望达到 60 亿美元；④极悲观情形：人性机器人技术发展遇到瓶颈而停滞，预计 2025-2035 年人形机器人销量CAGR 可能为 0%；此外，特斯拉 CEO 马斯克在 AI DAY 以及股东大会上表示其人形机器人量产目标售价预计能够达到 2 万美元，销量有望达百万台级别。

人形机器人需要4 个六维力传感器，分布在腕部和踝部。为实现对人手的模仿，人形机器人需要精准测量手关节的受力情况。由于手关节的执行器工作过程中的力臂较大且随机变化，一、三维力传感器不能满足需求，因此机器人腕部一般需采用六维力传感器。人形机器人在行走过程中，需要测量落脚时所受的力和力矩，以控制机器人的身体姿态并维持平衡，因此需要在两个脚踝处安装六维力传感器。

根据以下假设，我们对六维力传感器在人形机器人不同销量下的潜在市场空间进行了测算：1）每台人形机器人在手腕、脚腕处共使用 4 个六维力传感器；2）六维力传感器单价随量产进程逐年下降。当前六维力传感器单价约 2 万元，我们预测，人形机器人销量 10 万台时，单价假设为 5,000 元；销量 50 万台时，单价假设为 4000 元；销量达到 100 万台时，单价假设为 2500 元。
根据以上假设，在人形机器人销量分别为 10/50/100 万台时，六维力传感器市场规模分别为 20/80/100 亿元。人形机器人早期量产节奏存在不确定性，目前尚处于探索期。我们预计一旦量产，人形机器人发展将进入快车道，且六维力传感器单价将随之迅速下降，增长前景广阔。

2.2.竞争格局：传感器国产化率达 40%，六维力传感器国产化率近 80%

从市场竞争格局来看，传感器国产化率已达 40%，六维力传感器国产化近 80%。根据华经产业院数据，我国传感器国产化率已达 40%。在技术壁垒较高的六维力传感器力传感器领域，国产化趋势更加明显。据高工机器人统计，2022 年中国协作机器人领域六维力传感器国产化率近 80%，出货量 TOP1 为国内企业坤维科技，市场份额占比超过 50%；TOP2 为国际龙头ATI，TOP3-5 为分别为蓝点触控、宇立仪器、鑫精诚，均为国内企业。

性能对标国际龙头，价格优势推动国产替代。六维力传感器国际龙头 ATI 目前的高精度产品准度为 0.5%。借助自主研发的六维联合加载标定设备，国内坤维科技亦可生产准度高于 0.5%六维力传感器，这一精度可满足绝大多数服务业、精密工业、医疗领域用途。其余国内企业，如蓝点触控、宇立仪器、鑫精诚等，产品准度亦可达到 1%-3%，可应用于对准度要求相对较低的领域。国内企业生产的六维力传感器单价仅为约 2 万元，而 ATI 生产的可比产品价格一般在 4 万元以上，国产品牌成本优势显著，有望加速推动国产替代。
国内企业在技术、品牌方面与外企仍有差距。以常见的应变式传感器为例，阻力主要体现在以下方面：

（1）技术壁垒：应变式传感器产品属于多学科交叉、技术密集的高技术产品，其设计与制造技术是集力学、材料学、计量测试、机械、电子、计算机技术为一体的综合技术，尤其对应力应变分析技术的理论知识、当前新技术和新材料的运用有很高要求。

欧美企业占据先发优势，多轮技术迭代积累。1942 年，美国 BLH 公司开始应变式传感器的生产，至今已经有 70 余年的历史，期间经历了不断的改进与创新。从 20 世纪 40-60 年代利用拉伸、压缩、弯曲应力的正应力结构负荷传感器，经过 70 年代的切应力、平行梁结构与正应力结构称重传感器、80 年代中期以前的模拟应变式传感器，发展到如今数字式和模拟式传感器共存的格局。期间，金属箔式电阻应变计的研制成功及负荷传感器电路补偿与调整工艺的成熟都大大提高了传感器产品的准确性和稳定性。相比之下，国内应变式传感器的研制与生产起步较晚，60 年代仅有几个厂家生产普通精度等级的应变式传感器，且产品结构单一。80 年代初，我国从美、日等国引进应变式负荷传感器制造技术与工艺装备，进行学习、消化吸收，经过仿制和试生产后，才开始多品种小批量生产并推向市场。

（2）品牌壁垒：传感器元件决定了控制系统的精确程度，下游客户对产品精度和稳定性要求较高。为确保品质合格，下游客户采用新传感器前需要经过复杂的测试和认证，这一过程耗时长、费用高。在冶金、化工、核电设备、油气等领域，下游用户对传感器质量要求更为严格，对相关产品以往的安全、稳定使用业绩有着明确要求，通常不会选用没有使用记录的产品。因此，传感器安全使用历史业绩和品牌声誉的要求为新企业、新产品进入市场形成了较高的壁垒。
但国内企业亦具备人力成本、政府扶持等优势：

(1) 人力成本：力传感器生产线中尚有较多环节无法实现自动化，需要人工操作。尽管最近数十年欧美国家在力传感器的生产流程上进行了不断的自动化试验和尝试，但在产品生产的贴片、温度补偿、测试等核心环节，目前国内外技术条件下仍然必须由人工完成，距离生产过程全自动化尚存在诸多困难。这一特点客观上决定了我国在该产品的生产上有着明显的人力成本优势。

(2) 政策扶持：国际竞争环境日益激烈，国家战略支持重大技术装备国产化节奏加快。自“增强制造业核心竞争力”2022 年首次被写入政府工作报告后，推进重大技术装备国产化、推进关键零部件国产化是落实国家战略的需要，也是中国高端制造业“走出去”的重要突破点；进一步，党的二十大报告指出“着力提升产业链供应链韧性和安全水平”，即重在补链、强链、组链和造链，其中所谓“补链”即补齐短板，聚焦被 “卡脖子”的关键行业、核心技术，围绕核心基础零部件与基础制造工艺等，在关系国家安全的领域和节点确保自主可控。力传感器作为多项重要下游领域关键零部件，国产制造商正处于布局加速阶段，定位高端以及新兴应用领域，如新能源汽车、人形机器人等。

3.六维力传感器：精密力控刚需，高壁垒高成长

3.1.精密力控技术核心，应用前景广阔

力控精度需求提升，六维力传感器重要性凸显。接触过程几乎贯穿了现代加工、制造业的所有环节。因此，对以“接触载荷”为代表的力和力矩的准确、快速测量是实现加工、制造智能化的重要保障，也是智能设备和机器人实现柔顺化操作的关键技术挑战之一。传统的力和力矩测量大多依靠于一维力传感器实现，但随着设备工作条件和工作模式的日益复杂化，现代工业设备对力传感和控制要求也越来越高：需要在兼顾尺寸要求的基础上，精确快速感知三维的力和力矩，并实现反馈控制。
与使用一维力传感器相比，六维力传感器具有以下优点：

(1) 精度提升：高精度的六维力传感器耦合误差可以做到 0.5%以内，常规产品也可以做到2%-5%，但是如果使用多个一维力传感器组合解耦，一般的耦合误差高达 20%以上，严重影响测量精度。
(2) 结构紧凑：六维力传感器体积小，结构紧凑，一个六维力传感器所需的空间小于六个一维力传感器。鑫精诚生产的六维力传感器直径最小可达 9.5mm。小体积的六维力传感器可适配机器人关节等狭小空间，降低机器人结构设计难度。
(3) 协调同步：使用多个一维力传感器可能出现传感器间信号不同步的问题，而六维力传感器可同时解算出三个方向的力和力矩，同步性大大提高。
即使不需要三个方向的力矩信息，三维力传感器仍无法替代六维力传感器。部分力控算法仅需要利用三个力的数值，而不需要力矩的大小，但这并不意味着可以使用三维力传感器替代六维力传感器。在机器人等复杂机械结构中，元器件所受力的力臂变化随机且幅度大，对三维力传感器的测量结果有显著影响，导致误差过大。相比之下，六维力传感器充分解耦了三个方向的力和力矩，可应对力臂多变的情况。此外，当力臂过大时，即使三维力传感器所受力未超过量程，过大的力矩也可能导致传感器材料屈服、断裂、损坏；而六维力传感器可及时感知到力矩的异常变化，进而控制机器人调整姿态以避免元器件损坏。

六维力传感器目前广泛应用于工业打磨、汽车测试、力控装配、拖动示教、医疗健康、航空航天等场景。