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1、敬请参阅最后一页特别声明 1 传感器是机器人与外界感知的桥梁,看好视觉、力觉、触觉三个方向 机器人智能化的提升在于感知能力的提升,传感器是感知层面核心部件。人形机器人主要感知维度来自于力觉、惯性、触觉、视觉、速度/位置这五大方面,我们结合产品壁垒、行业格局、产业进展程度后,认为视觉、力觉、触觉是未来人形机器人传感器领域值得重点关注的三个细分方向。视觉-机器之“眼”,软硬皆为壁垒,国内厂商差异竞争 3D 视觉传感器具有精度高、信息量大、集成度高等多个优势,适用于复杂、精密的识别,更有望成为未来人形机器人的主流方案。1)产业进展尚早:目前主流机器人厂商在视觉方案领域各不相同,尚处于前期阶段,如波士
2、顿动力 Atlas、特斯拉 Optimus、小米 CyberOne、优必选 Walkers X 选择方案分别为 TOF 深度相机方案、多目摄像头、深度视觉模组和多目视觉传感器四类不同方案,产业方案尚未形成统一。2)壁垒:3D 视觉传感器在软件、硬件均有较高要求。3D 视觉传感器的核心指标为深度分辨率、精度等,实现高性能的 3D 视觉传感器要求对于硬件的芯片设计、软件的算法研发等均提出较高要求。3)格局:海外头部厂商苹果、微软在 3D 视觉传感器领域技术领先、算法优势强;国内部分厂商通过攻克芯片、关键元器件等环节实现差异竞争,在部分技术指标(如分辨率、精度、功耗等)已经超过海外头部厂商,未来有望
3、打入人形机器人产业链。力觉-高壁垒、高价值,机器人灵活操作的核心 我们判断人形机器人的手腕、脚踝处需六维力矩传感器、其他关节预计使用关节扭矩传感器。1)产业进展:从特斯拉 AI day 的技术路线来看,末端执行机构对于精度要求更高,预计使用六维力矩传感器;其他关节对于里的感知相对简单,预计单维力矩传感器即可满足要求;2)壁垒高:维度越多的力矩传感器生产壁垒越高,六维力矩传感器的壁垒在于核心材料应变片的质量、生产工艺、检测设备等环节;3)价值量大:由于六维力矩传感器较高的人工成本、材料成本,目前单个产品价值量较高,根据 ATI 官网,该公司六维力矩传感器的价格在 4000-8000 美元之间;4
4、)格局:海外厂商性能优异,先发优势强。六维力矩传感器海外龙头为 ATI 厂商,技术水平领先,而国内多数厂商尚未形成大规模收入,部分国产厂商在多维力矩传感器领域进展顺利,后续有望进入人形机器人产业链。触觉-机器之“肤”,实现精细交互 电子皮肤是机器人触觉实现精细交互的关键技术,视觉+触觉的方案技术指标更优、有望成为未来的主流方案。1)产业进展:23 年 12 月特斯拉 Optimus Gen2 实现抓鸡蛋动作,国内厂商帕西尼新一代灵巧手具有近 1 千个触觉传感器,大大提升操作精度;从技术路径来看,帕西尼的触觉结合视觉的方案技术指标更优、成本更低,有望成为未来触觉的主流方案。2)壁垒:电子皮肤的壁
5、垒主要在材料和算法;电子皮肤敏感材料制造难度大、生产成本高;从软件来看,算法对于传感器的处理结果精确度起到重要意义,软硬件缺一不可。3)格局:目前行业头部厂商主要以外国品牌为主,国内部分厂商技术相对领先。投资建议 我们看好人形机器人产业逐渐落地后带来传感器需求提升,相关产业链标的有望受益。风险提示人形机器人商业化落地不及预期、机器人传感器技术路线发生变化。行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 2 扫码获取更多服务 内容目录内容目录 一、传感器:机器人感知世界的桥梁.5 1.1 机器人的智能化在于感知层能力提升.5 1.2 力觉、视觉、触觉传感器为重点关注方向.5 二、视觉:机器人之“眼”
6、,捕捉信息的关键.6 2.1 机器人的主流方案为 3D 视觉,打开视觉传感器新空间.6 2.2 机器人 3D 视觉方案较多,奥比中光是国内 3D 视觉头部厂商.6 2.3 海外头部厂商地位领先,国产逐渐打开市场.8 三、力觉:高壁垒、高价值,机器人精确、灵活操作的核心.8 3.1 力控在人形机器人担任什么角色?.8 3.2 人形机器人的不同关节需要哪类力矩传感器?.9 3.3 如何看待力矩传感器的壁垒?.12 3.4 价格&成本:高端力矩传感器价格高,成本来自于人工成本+材料成本.14 3.5 国内厂商仍处前期发展阶段,人形机器人有望打开力矩传感器增量空间.15 四、触觉:机器人之“肤”,实现
7、精细交互.16 4.1 电子皮肤:实现机器人精细操作的关键技术,视觉+触觉为目前技术前沿.16 4.2 产业进展:特斯拉 Optimus、帕西尼对于触觉持续提高要求.18 4.3 电子皮肤核心壁垒在于材料和算法.19 4.4 触觉传感器厂商梳理.21 五、编码器:反馈机器人的关节位置,精准控制的关键.22 5.1 编码器是测量位移、角度的高精度传感器,人形机器人多个环节需要编码器.22 5.2 编码器行业空间稳步增长,产品壁垒高、海外厂商占据主流份额.24 六、投资建议:重点关注奥比中光、柯力传感.25 6.1 奥比中光:卡位机器人 3D 视觉标的,下游多点开花.26 6.2 柯力传感:卡位人
8、形机器人力矩传感器性感赛道.27 七、风险提示.28 图表目录图表目录 图表 1:具身智能机器人的核心在于感知层、认知层.5 图表 2:机器人用传感器分类.5 图表 3:人形机器人传感器的主要类型.5 图表 4:机器人视觉感知由芯片、算法、传感器影响.6 图表 5:机器人视觉感知向 3D 化发展.6 行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 3 扫码获取更多服务 图表 6:2025 年全球 3D 视觉感知市场规模将达 150 亿美元.6 图表 7:主流机器视觉传感方式.7 图表 8:主流传感器的感知方式.7 图表 9:主流人形机器人厂商视觉传感方案.7 图表 10:主流厂商短距离 3D 视觉
9、传感器性能对比.8 图表 11:主流厂商长距离 3D 视觉传感器性能对比.8 图表 12:主流视觉传感器厂商梳理.8 图表 13:运动控制系统包括控制器、驱动、执行器、运动反馈单元.9 图表 14:力控是实现曲面打磨等高精操作的重要技术.9 图表 15:机械化工作和仿人化控制的区别.9 图表 16:人型机器人力矩传感器应用场景.10 图表 17:常见无耦合型传感器结构框图.10 图表 18:力传感器不同检测方法优缺点对比.10 图表 19:硅/箔电阻应变式传感器具有更强的综合性能.11 图表 20:一维、三维、六维传感器作用示意图.12 图表 21:ATI 六轴力矩传感器的内部结构.12 图表
10、 22:应变片需要安装在弹性体上来感受力的变化.12 图表 23:应变片的生产工艺.13 图表 24:应变片的性能对比.13 图表 25:应变片贴合弹性体工艺要求高.13 图表 26:海外各个国家六维力矩传感器标定设备.14 图表 27:六维力矩传感器标定样本点数量超过 50 万个.14 图表 28:海外龙头厂商单个应变片的价格高达 180 元/个.14 图表 29:某六维力矩传感器上需要 32 个应变片.14 图表 30:ATI 不同系列六维力矩传感器的价格.15 图表 31:中国六维力矩传感器市场集中度高.15 图表 32:六维力矩传感器国产占比逐渐上升.15 图表 33:力矩传感器代表厂
11、商梳理.16 图表 34:电子皮肤能感知压力、剪切力、接触力等多种类型力.16 图表 35:电子皮肤主要分为基底层、导电层、传感层.17 图表 36:传统的主要触觉传感器类型优缺点介绍.17 图表 37:帕西尼的 Dex13 多维触觉灵巧手结合了视觉和触觉.18 图表 38:帕西尼 IPTUGEN2 触觉传感器在多项指标技术领先.18 图表 39:特斯拉 OptimusGen2 完成拿放鸡蛋动作.19 图表 40:帕西尼新一代灵巧手实现多角度柔顺操作.19 行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 4 扫码获取更多服务 图表 41:帕西尼新一代灵巧手具有近千个触觉传感器.19 图表 42:触
12、觉传感器主要材料.20 图表 43:可量化生产的“基于石墨纳米片/聚氨酯纳米复合材料”的电子皮肤.20 图表 44:帕西尼 ITPU 实现毫秒决策和高级感知.21 图表 45:帕西尼多维触觉可视化软件实现信号可视化.21 图表 46:2023 年全球柔性触觉传感器行业集中度高.21 图表 47:触觉传感器代表厂商梳理.22 图表 48:编码器是测量位移、角度的高精度传感器.23 图表 49:光电式编码器精度高、抗电磁干扰强,占据 70%份额.23 图表 50:编码器在人形机器人的关键关节与执行器中的应用解析.24 图表 51:编码器全球、中国市场规模稳定增长.24 图表 52:编码器下游以电梯
13、为主,占比达 25%.24 图表 53:光栅编码器技术壁垒.25 图表 54:2022 年中国编码器市场超 40%份额被多摩川、海德堡占据.25 图表 55:人形机器人传感器全景图.25 图表 56:奥比中光收入结构以生物识别、AIOT 为主.26 图表 57:奥比中光归母净利润亏损持续收窄.26 图表 58:公司研发费用长期坚持高投入.26 图表 59:掌握 3D 传感器全栈式技术能力.26 图表 60:奥比中光 iTOF 3D 相机 Femto Bolt 性能优异.27 图表 61:柯力传感近年来收入保持增长.27 图表 62:柯力传感产品结构主要以力传感器为主.27 图表 63:柯力传感
14、机器人多维力传感器.28 图表 64:柯力传感机器人关节扭矩传感器.28 行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 5 扫码获取更多服务 一、传感器:机器人感知世界的桥梁 1.11.1 机器人的智能化在于感知层能力提升机器人的智能化在于感知层能力提升 传感器是能接收到被测量对象信息,并将该信息转换为电信号或其他所需信号类型,是获取环境、设备信息的主要手段。机器人的核心在于其感知和认知层面的提升,传感器是感知层面核心部件。与传统工业机器人相比,人形机器人的传感器除了需满足传统机器人需求的电流传感器、温度传感器之外,还有一些价值量较高、对于性能提升较为关键的传感器,包括力传感器、电子皮肤、视觉传
15、感器、惯性传感器等。机器人的传感器可以根据监测目标的不同被划分为两类:内部传感器和外部传感器。内部传感器主要用于检测机器人本身的状态(如位置、手臂间角度)的传感器,具体包括位置传感器、速度传感器、惯性测量单元(IMU)以及力/力矩传感器。外部传感器主要通过视觉、听觉和触觉等感官系统和外界实现信息交互,用于检测机器人所处的环境(如距物体距离)及状况(如抓取的物体是否滑落)的传感器,具体包括视觉传感器、语音识别系统、红外传感器和压力传感器。图表图表1 1:具身智能机器人的核心在于感知层、认知层具身智能机器人的核心在于感知层、认知层 图表图表2 2:机器人用传感器分类机器人用传感器分类 来源:具身智
16、能机器人公众号,国金证券研究所 来源:关于传感器在机器人中的应用分析,国金证券研究所 1.21.2 力觉、视觉、触觉传感器为重点关注方向力觉、视觉、触觉传感器为重点关注方向 具身智能机器人是指将 AI 融入机器人物理实体,赋予它们像人一样感知、学习和与环境动态交互的能力。具身智能机器人根据其功能和应用场景,配备了多种类型的传感器,包括视觉传感器(如摄像头、激光雷达、毫米波雷达、红外传感器等)、听觉传感器(如麦克风)、嗅觉传感器(如气味传感器)、触觉传感器(包括力传感器)、编码器、IMU 等,以实现感知和分析外部环境并进行自身状态反应,实现复杂的交互和操作任务。图表图表3 3:人形机器人传感器的
17、主要类型人形机器人传感器的主要类型 传感器类型传感器类型 原理原理 获得的信息获得的信息 在工业机器人中的应用在工业机器人中的应用 触觉传感器 电容式、压电式、压阻式、光学式 接触力、面积、位置 人机协作、物体抓取、质量监控 视觉传感器 CCD 或 CMOS 成像 图像 人-机器人协作(HRC)、导航、机械手控制、装配、机器人编程 激光传感器 飞行时间(TOF)、三角测量、光学干涉 距离、位移 人-机器人协作(HRC)、导航、操纵器控制 编码器 光电、磁性、电感性、电容性 角位移 导航、操纵器控制 接近传感器 电容式、电感式、光电式 物体接近 人-机器人协作(HRC)、物体抓取 惯性的传感器
18、航位推算(DR)加速度、角速度、方位角 导航、操纵器控制 扭矩传感器 感应电阻应变 扭矩 人-机器人协作、物体抓取、机器人编程 声传感器 电容的 声音信号 人-机器人协作(HRC)、焊接 磁性传感器 霍尔效应 磁场强度 航行 行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 6 扫码获取更多服务 超声波传感器 飞行时间(TOF)距离 障碍物回避 来源:工业机器人传感器技术综述,国金证券研究所 结合行业进展、产业趋势,我们建议重点关注视觉、力觉、触觉三个方向。结合行业进展、产业趋势,我们建议重点关注视觉、力觉、触觉三个方向。二、视觉:机器人之“眼”,捕捉信息的关键 2.12.1 机器人的主流方案为机器
19、人的主流方案为 3D3D 视觉,打开视觉传感器新空间视觉,打开视觉传感器新空间 视觉方案主要分为 2D 视觉和 3D 视觉:1)2D 视觉:通过 2D 相机分析灰度或彩色图像中的像素灰度特征获取目标中的有用信息,识别纹理形状。容易受到光照影响,且无法实现三维精准测量。2)3D 视觉:精度更高、信息量更大(三维图像)、集成度更高,适用于更加复杂、精密的识别、检测需求。机器人的视觉感知属于高度集成的模组方案,对于体积、成本、精准度都有较高要求,因此 3D 视觉高度集成、体积小、精度高的优势更适合机器人的场景。图表图表4 4:机器人视觉感知由芯片、算法、传感器影响机器人视觉感知由芯片、算法、传感器影
20、响 图表图表5 5:机器人视觉感知向机器人视觉感知向 3D3D 化发展化发展 对比指标对比指标 2D2D 3D3D 产品型态 模块化视觉设备(体型大)嵌入式视觉设备(高度集成)应用场景 一般固定 复杂多变 扫描精度 工业产线范围内 毫米级甚至更高 维度 平面维度 立体维度 技术要求 较低 技术壁垒较高 下游市场 识别、检测、测量 刷脸支付、FaceID、智能机器人 来源:奥比中光官网,国金证券研究所 来源:奥比中光官网,国金证券研究所 全球全球 3D3D 视觉传感器市场空间超视觉传感器市场空间超 150150 亿美元,机器人有望进一步打开行业天花板。亿美元,机器人有望进一步打开行业天花板。根据
21、Yole 数据,2019 年全球 3D 视觉感知市场规模为 50 亿美元,且随着机器人、汽车自动驾驶等下游需求扩张,市场规模将快速发展,预计在 2025 年达到 150 亿美元,2019-2025 年复合增长率约为 20%,随着人形机器人产业进展持续落地,中长期 3D 传感器的市场需求有望被进一步打开。图表图表6 6:20252025 年全球年全球 3D3D 视觉感知市场规模将达视觉感知市场规模将达 150150 亿美元亿美元 来源:Yole,国金证券研究所 2.22.2 机器人机器人 3D3D 视觉方案较多,奥比中光是国内视觉方案较多,奥比中光是国内 3D3D 视觉头部厂商视觉头部厂商 根据
22、奥比中光官网,目前主流的 3D 视觉的方案包括这四种:单目结构光、TOF、双目结构光、激光三角测量等。02040608010012014016020182019202020212022E2023E2024E2025E行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 7 扫码获取更多服务 图表图表7 7:主流机器视觉传感方式主流机器视觉传感方式 图表图表8 8:主流传感器的感知方式主流传感器的感知方式 来源:奥比中光官网,国金证券研究所 来源:中天智能,国金证券研究所 目前主流机器人厂商的视觉方案各不相同。其中波士顿动力 Atlas 选择的是 TOF 深度相机方案,特斯拉 Optimus 选择多目摄像
23、头方案,小米 CyberOne 采用深度视觉模组,优必选WalkersX 采用多目视觉传感器。图表图表9 9:主流人形机器人厂商视觉传感方案主流人形机器人厂商视觉传感方案 来源:奥比中光官网,波士顿动力,TeslaAIDAY,优必选,小米官网,国金证券研究所 3D 视觉传感器的性能由芯片、算法、传感器模组影响。从硬件端来看,壁垒在于感光芯片、多传感器融合模组设计以及生产中标定、对齐等工艺把控。从软件端来看,3D 视觉传感器对于算法研发、光学系统等有较高要求。从性能表现来看,壁垒在于精度、视角、测量范围、分辨率:深度分辨率:代表每一帧图像深度数据点数,分辨率越高细节越优;深度帧率:帧率越高,动态
24、场景支持越好。视场角/测量范围:视场角/测量范围越大覆盖场景范围越大。精度:体现 3D 测量数据值与真实值之间的差异。功耗:同性能下,功耗越低适配性越好。从性能指标来看,国内头部厂商奥比中光在部分指标(如:分辨率、精度和功耗等)已经对标、甚至超过海外竞争对手,有望引领国产厂商实现替代。行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 8 扫码获取更多服务 图表图表1010:主流厂商短距离主流厂商短距离 3D3D 视觉传感器性能对比视觉传感器性能对比 图表图表1111:主流厂商长距离主流厂商长距离 3D3D 视觉传感器性能对比视觉传感器性能对比 来源:奥比中光招股书,国金证券研究所 来源:奥比中光招股
25、书,国金证券研究所 2.32.3 海外头部厂商地位领先,国产逐渐打开市场海外头部厂商地位领先,国产逐渐打开市场 海外头部厂商先发优势明显,国内厂商多技术布局、通过芯片自研逐渐打开市场。海外头部 3D 视觉传感器厂商通过芯片自制、自身产品依托,业务规模较大,国内代表公司奥比中光等通过自研芯片,实现 3D 视觉传感器部分技术指标逐渐接近海外龙头厂商,未来有望实现国产替代。图表图表1212:主流视觉传感器厂商梳理主流视觉传感器厂商梳理 来源:奥比中光招股书,国金证券研究所 三、力觉:高壁垒、高价值,机器人精确、灵活操作的核心 3.13.1 力控在人形机器人担任什么角色?力控在人形机器人担任什么角色?
26、力控能够感知力量并具有实时控制能力,实现高度灵活和精确的操作。力控能够感知力量并具有实时控制能力,实现高度灵活和精确的操作。传统工业机器人(如生产机械臂)通过简单的位置控制实现机器人动作,如机器人沿着事先规划好的轨迹在封闭、确认的空间中运动,或可配合简单的视觉系统反馈,使得位置控制的机器人具备基础适应外界可变环境的能力,但位置控制无法完全适应需要末端执行器力控制的场景。行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 9 扫码获取更多服务 图表图表1313:运动控制系统包括控制器、驱动、执行器、运动反馈单元运动控制系统包括控制器、驱动、执行器、运动反馈单元 来源:运动控制系统(第 2 版),固高科技
27、招股说明书,国金证券研究所 力控的引入能够让机器人实现精准的柔顺控制。力觉的引入能够让机器人作业时实现对于外界信息变化的感知。以坤维科技的六维力矩传感器应用场景为例,能够根据实际的环境调整力的大小,实现高精度操作,如恒力抛光、轨迹贴合等。图表图表1414:力控是实现曲面打磨等高精操作的重要技术力控是实现曲面打磨等高精操作的重要技术 图表图表1515:机械化工作和仿人化控制的区别机械化工作和仿人化控制的区别 对照维度对照维度 机械化方式机械化方式 仿人化控制仿人化控制 实现形式 高度视觉、精准轨迹 视觉概况,手感调整 关键技术 位置控制、位置规划、机器视觉 复杂力觉、力控规划、AI 视觉 应用特
28、点 固定环境、针对性优化 开放环境、适应性强 任务类型 非接触、简单接触 复杂接触、持续接触 典型任务 焊接、喷涂、搬运、分拣 装配、抛光、表面处理 来源:坤维科技官网,国金证券研究所 来源:非夕科技高云帆,国金证券研究所 3.23.2 人形机器人的不同关节需要哪类力矩传感器?人形机器人的不同关节需要哪类力矩传感器?从人形机器人的工作原理来看,我们判断未来人形机器人的手腕、脚踝环节需六维力矩传感器、其他关节可以适用关节扭矩传感器。1)末端执行机构(手部、脚部)-六维力矩传感器:由于人形机器人末端执行机构主要为手部和脚部,执行的过程中力臂在几十到几百毫米之间,力臂较大且属于随机变化;而对于这两类
29、环节的力也要求实现精确处理,因此这两类关节所受的力并非简单的一维、三维力,我们判断这个关节需要适用六维力矩传感器。2)其他关节-关节扭矩传感器:特斯拉人形机器人旋转执行机构类似协作机器人关节,而线性执行机构也通过滚珠丝杠完成直线运动,整体对于力的感知相对简单,我们预计其他关节需单轴力矩传感器。行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 10 扫码获取更多服务 图表图表1616:人型机器人力矩传感器应用场景人型机器人力矩传感器应用场景 来源:Force-Torque Sensing in Robotics,Tesla AI Day,国金证券研究所 从检测原理来看,电阻应变式传感器综合性能更优。电
30、阻应变式传感器原理:电阻应变式多维力/力矩传感器一般选用金属丝或应变片作为敏元件。在外力的作用下,通过改变金属丝的形状实现其阻值的变化,从而将力/力矩转换为电量输出。该类传感器是目前国内外应用最多、技术最成熟的一种多维力/力矩传感器,在人型机器人及其他领域广泛应用。图表图表1717:常见无耦合型传感器结构框图常见无耦合型传感器结构框图 来源:面向机器人的多维力力矩传感器综述,国金证券研究所 从检测方法来看,电阻应变式、电容式两类检测模式优势明显。从检测方法来看,电阻应变式、电容式两类检测模式优势明显。力传感器可分为电阻式、电容式、电感式,光电式等。电阻应变式、电容式两类检测模式优势明显,有望在
31、人形机器人中得到应用。图表图表1818:力传感器不同检测方法优缺点对比力传感器不同检测方法优缺点对比 检测方法检测方法 方法描述方法描述 优点优点 缺点缺点 电磁式 基于霍尔效应在力/力矩作用下产生与之相应的磁通量的变化 动态测量范围大 非线性误差较大 功耗小 互换性较差 系统简单可靠 分辨率不高 光电式 基于光电效应在力/力矩作用下产生与之相应的光学量的变化 可靠性高 价格昂贵 测量范围广 对测试环境要求高 动态响应好 电感式 在力/力矩作用下产生与之相应的电感量的变化 高灵敏度和高分辨率 不适用于动态测量 线性度好 可靠性不高 重复性高 电阻应变式 在力/力矩作用下,应变片形状会发生变化,
32、电阻会随着应变片的形变而增大/减小,进而检测力的大小 精度高、技术成熟 存在非线性误差 测量范围广、成本低 信号输出微弱 频响特性好 电容式 可变电容压力传感器由两个电容板组成,压力的变化会导致两个之间间隙变窄/变高灵敏度和高分辨率 调理电路复杂 频率范围宽,结构简单 寄生电容影响大 行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 11 扫码获取更多服务 宽,从而改变电容,进而识别力的变化 环境适用性强 来源:机器人多维力传感器,国金证券研究所 硅硅/金属箔金属箔电阻应变传感器性能更优秀。电阻应变传感器性能更优秀。从不同类型的力矩传感器在稳定性、刚度、动态特性、成本与信噪比五个维度的比较后,硅/金
33、属箔电阻应变式传感器在稳定性、刚度、信噪比等多个方面具有优势,有望在人形机器人中得到应用。图表图表1919:硅硅/箔电阻应变式传感器具有更强的综合性能箔电阻应变式传感器具有更强的综合性能 来源:leaderobot,国金证券研究所 从感知维度来看,力传感器主要感知一维、三维、六维力 从力传感器的感知维度来看,力矩传感器可以分为一维到六维,测量维度的数量越多,产品难度越大、档次越高;从主流的传感器的测量维度来看,一、三、六维力矩为常见产品的,二、五维力矩传感器相对较少:一维力传感器:标定坐标轴为 OZ 轴,如果被测量力 F 的方向能完全与 0Z 轴重合,那么此时用一维力传感器就能完成测量任务;比
34、如称重传感器,只能测量垂直于地面的力,就属于一维力矩传感器。三维力传感器:力 F 的作用点 P 始终与传感器的标定参考点 O 保持重合,力 F 的方向在三维空间中随机变化,这种情况下用三维力传感就能完成测量任务,它可以同时测量 Fx、Fy、Fz 这三个 F 的分力。六维力传感器:空间中任意方向的力 F,其作用点 P 不与传感器标定参考点重合且随机变化,这种情况下就需要选用六维力传感器来完成测量任务,同时测量 Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz 六个分量。六维力传感器内部的算法,可以实现解耦各个方向的力和力矩的干扰,使得测量的力矩更为准确;这类传感器更适用于参考点的距离较远,且随机变化情景,测量
35、精度要求较高。行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 12 扫码获取更多服务 图表图表2020:一维、三维、六维传感器作用示意图一维、三维、六维传感器作用示意图 来源:坤维科技公众号,国金证券研究所 3.33.3 如何看待力矩传感器的壁垒?如何看待力矩传感器的壁垒?多维力矩传感器壁垒 1:应变片质量决定六维力矩传感器性能。应变式传感器感应力的原理为电阻应变式,需要通过应变片的形变来感受外力的变化。其原理是:应变片作为电导体附着在弹性体上,应变片牢固的黏贴在弹性体上,随着弹性体的形变,应变片长度变化会导致电阻发生变化,惠斯通电桥通过四个应变片形成的电环输出信号来反馈形变的信息,进而计算力的大
36、小。从全球龙头六维力矩传感器公司 ATI 的产品内部构造来看,六维力矩传感器的内部为内轮毂,通过梁与外壳来连接,每个维度具有至少 4 个应变片,考虑到抗温漂等性能需求,单个六维力矩传感器的上可能需要 30-40 个应变片。图表图表2121:ATIATI 六轴力矩传感器的内部结构六轴力矩传感器的内部结构 图表图表2222:应变片需要安装在弹性体上来感受力的变化应变片需要安装在弹性体上来感受力的变化 来源:ATI,MDPI,国金证券研究所 来源:HBM,国金证券研究所 应变片的生产工艺复杂:需要基地成形、光刻、刻蚀等多个环节,不同环节的工艺差距会导致最终导致产品的性能受到影响。应变片性能:对于多维
37、力矩传感器而言,寿命、应变系数、蠕变影响都会影响最终的测量结果。行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 13 扫码获取更多服务 图表图表2323:应变片的生产工艺应变片的生产工艺 图表图表2424:应变片的性能对比应变片的性能对比 来源:中航电测招股说明书,国金证券研究所 来源:HBM,国金证券研究所 多维力矩传感器壁垒多维力矩传感器壁垒 2 2:应变片生产环节的“手艺”要求高:应变片生产环节的“手艺”要求高 由于目前六维力矩传感器市场规模较小,核心关节应变片并未进入自动化生产阶段;而应变片的焊接环节,对于“手艺人”的要求较高,生产过程中约有 10-20%的六维力矩传感器因为焊点误差大导致
38、最终产品精度受到影响。图表图表2525:应变片贴合弹性体工艺要求高应变片贴合弹性体工艺要求高 来源:ATI 官网,国金证券研究所 壁垒壁垒 3 3:六维力传感器高精度的实现对设备:六维力传感器高精度的实现对设备&工艺提出高要求。工艺提出高要求。标定&检测设备:标定:建立传感器原始信号和受力之间的映射关系目的是获取固件参数。检测:统计、对比理论真值和实际测量结果的差异目的是获得传感器的精度和准度。六维力矩传感器研发难度大,设计空间光学定位、载荷位移补偿、机电一体化等多项技术,标定设备设计 100 多种 know-how,目前多数六维力矩传感器厂商的设备为自研,标定设备属于目前行业的进入又一重要壁
39、垒。此外,标定设备的算法理解和历史数据积累均为核心要义。行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 14 扫码获取更多服务 图表图表2626:海外各个国家六维力矩传感器标定设备海外各个国家六维力矩传感器标定设备 图表图表2727:六维力矩传感器标定样本点数量超过六维力矩传感器标定样本点数量超过 5050 万个万个 来源:坤维科技公众号,国金证券研究所 来源:坤维科技公众号,国金证券研究所 3.43.4 价格价格&成本:高端力矩传感器价格高,成本来自于人工成本成本:高端力矩传感器价格高,成本来自于人工成本+材料成本材料成本 成本端:我们判断六维力矩传感器的成本核心在于应变片、加工成本。应变片:根
40、据前文分析,单个六维力矩传感器所需要应变片的数量至少为 24 个,考虑到抗温漂、蠕变等需求,一般单个六维力矩传感器的应变片的数量约为 30-40 个;根据淘宝价格,海外应变片头部厂商 HBM 单个应变片的价格在 100-200 元,因此单个六维力矩传感器应变片的成本在 5000-6000 元。图表图表2828:海外龙头厂商单个应变片的价格高达海外龙头厂商单个应变片的价格高达 180180 元元/个个 图表图表2929:某六维力矩传感器上需要某六维力矩传感器上需要 3232 个应变片个应变片 来源:HBM,华兰海电测,国金证券研究所 来源:MDPI,国金证券研究所注:红色、蓝色为应变片安装的位置
41、。加工成本:六维力矩传感器成品对于精度、准度要求极高,因此人工加工技术壁垒较高,短期无法实现自动化生产,我们预计六维力矩传感器人工成本超过 10%。价格端:目前海外六维力矩传感器龙头 ATI 产品价格 4000-8000 美金之间。18010020406080100120140160180200HBM国产行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 15 扫码获取更多服务 图表图表3030:ATIATI 不同系列六维力矩传感器的价格不同系列六维力矩传感器的价格 来源:ATI,国金证券研究所 3.53.5 国内厂商仍处前期发展阶段,人形机器人有望打开力矩传感器增量空间国内厂商仍处前期发展阶段,人形
42、机器人有望打开力矩传感器增量空间 中国六维力矩传感器行业集中度高,国产替代空间大。中国六维力矩传感器行业集中度高,国产替代空间大。2023 年国内六维力矩传感器行业CR10 达 70%,集中度较高,其中七成为外资品牌,国产品牌中宇立仪器居第二,市占率12.2%。2020-2023 年国产六维力矩传感器厂商市场份额不断上升,从 2020 年的 19.1%上升至 2023 年的 32.1%,预计 2024/2025 年继续提高至 34.7%/39.1%,国产替代空间广阔。图表图表3131:中国六维力矩传感器市场集中度高中国六维力矩传感器市场集中度高 图表图表3232:六维力矩传感器国产占比逐渐上升
43、六维力矩传感器国产占比逐渐上升 来源:中商情报网,国金证券研究所 来源:中商情报网,国金证券研究所 全球力矩传感器的龙头为美国 ATI,国内目前力矩传感器技术领先的企业主要为创业公司(南宁宇立仪器、常州瑞尔特),上市公司主要为柯力传感、中航电测、东华测试等。870046955150010002000300040005000600070008000900010000GAMMA IP68MINI45NANO43单位:美元ATI不同系列六维力矩传感器价格行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 16 扫码获取更多服务 图表图表3333:力矩传感器代表厂商梳理力矩传感器代表厂商梳理 公司公司 是否上
44、市是否上市 力矩传感器进展力矩传感器进展 Tier1Tier1 ATI 否 ATI 致力于机器人末端执行器的研发制造有三十余年,已生产制造了世界上高性能的六维力和力矩传感器,目前已在机器人、航空航天、生物医学、科研等领域得到了广泛应用,特别是在机器人领域,在为机器人提供触觉感知为机器人提供触觉感知方面起了关键作用。Tier2Tier2 宇立仪器 否 宇立仪器是集研发、生产为一体的技术密集型企业,公司主营多轴力传感器、力控打磨设备和汽车测试设备,围绕力测量和力控制,为全球客户提供系列化的解决方案。多轴力传感器包括六维力传感器、三维力传感器、一维力传感器和关节扭矩传感器。常州瑞尔特 否 一家提供各
45、类高端标准测力传感器以及非标定制服务于一体的综合性高新技术企业。公司所生产的三维、六维以及多维力测量传感器:精度高、抗偏载能力强、容易安装、串扰小、耐冲击力、稳定性好、体积小、响应快、过载能力强,已用于军工、航空航天、核电等级的测量,机器手臂精密控制、曲面研磨抛光、加工中心精雕加工、医疗精密设备测试。Tier3Tier3 坤维科技 否 2020 年 12 月实现了KWR46/96 系列六维力传感器的量产;2021 年成功开发出基于 MEMS 器件的低成本高可靠性六维传感器制造技术;公司六维力传感器产品矩阵完善,已经形成了从直径 36毫米到直径200 毫米的传感器,可以覆盖各类智能机器人的全部应
46、用场景。柯力传感 是 截至 24H1,公司六维力/力矩传感器已完成人形机器人手腕、脚腕,工业臂、协作臂末端的产品系列开发,掌握了结构解耦、算法解耦、高速采样通讯等技术要点,并已给多家国内协作机器人、人形机器人客户送样。中航电测 是 公司面向国产大飞机、民用直升机、公务机等,形成压力、接近、力矩传感器等传感器配套,力争实现通航领域吊挂投放系统的专业配套 东华测试 是 公司已投入六轴力传感器研发,支持 RS485、CAN 和工业以太网等通信方式,可应用于机器人、科学研究、自动化检测等领域。目前处于内部研发状态,拟达到目标参数:串扰:2%FS,非线性:0.5%FS,迟滞:0.5%FS 来源:ATI
47、工业自动化公众号,宇立仪器官网,高工机器人公众号,坤维科技官网,柯力传感公告,中航电测公告,东华测试公告,国金证券研究所 四、触觉:机器人之“肤”,实现精细交互 4.14.1 电子皮肤:实现机器人精细操作的关键技术,视觉电子皮肤:实现机器人精细操作的关键技术,视觉+触觉为目前技术前沿触觉为目前技术前沿 电子皮肤是是新型的仿生柔性触觉传感系统,通过柔性传感器进行信号感知转换。从表面的接触方向来看,电子皮肤能够感知压力、剪切力、接触力等多多个类型的力,能够助力机器人在手部实现更加精细的操作。图表图表3434:电子皮肤能感知压力、剪切力、接触力等多种类型力电子皮肤能感知压力、剪切力、接触力等多种类型
48、力 来源:Abioinspiredthree-dimensionalintegratede-skinformultiplemechanicalstimulirecognition,国金证券研究所 电子皮肤主要分为基底层、导电层、传感层。行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 17 扫码获取更多服务 基底层:基底层是电子皮肤的最内层,通常由柔性材料制成,以模拟人体皮肤的弹性和柔韧性。又称为支撑层,起到支撑作用。导电层:导电层在电子皮肤中起到传导电信号的作用,通常包含导电材料,如导电石墨或特定的导电聚合物,用于检测并传输由外界刺激引起的电信号变化。导电层的设计和材料选择对于电子皮肤的灵敏度和响
49、应速度至关重要。传感层:传感层位于电子皮肤的中间层,包含了大部分的传感元件,负责精确识别压力和摩擦力并转化为电信号。传感层可以实现对外界刺激的精细感知,是电子皮肤的核心材料。图表图表3535:电子皮肤主要分为基底层、导电层、传感层电子皮肤主要分为基底层、导电层、传感层 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,国金证券研究所 电子皮肤主要内部的柔性传感器是触觉传感器的一个子集。从检测方法来看,柔性触觉传感器传统方案主要包括压阻式、电容式、压电式、摩擦式四种类型,其中压阻式触觉传感器具有成本低、稳定性好等多个优点,是目前的主流方案。图表图表3636:传统的主要触觉传感器类型优缺点介绍
50、传统的主要触觉传感器类型优缺点介绍 压阻式压阻式 电容式电容式 压电式压电式 摩擦式摩擦式 原理 材料的压阻效应,即将机械信号转换成电信号,具体机制包括材料的电阻率变化、接触电阻的变化以及复合材料中的量子隧穿效应等。电容效应,将力学信号转化为电容信号,通过测量电容值的变化来获取物体与电子皮肤之间接触状态的信息 压电效应,压电材料由于形变而产生电极化 柔性摩擦纳米发电机,通过摩擦效应和静电感应耦合作用将外部机械能转换为电能 优点 成本较低、制造结构简单、稳定程度高、灵敏度高、响应快 灵敏度高,能够测量微小接触力 高灵敏性、响应快 结构简单,制备简便 缺点 电阻变化可能受到环境因素的影响 对噪声敏
51、感,介电常数易受到环境温度影响 压电材料常常会受到温度和湿度等环境因素的影响 受环境影响大,只能检测动态压力 来源:柔性触觉传感电子皮肤研究进展,国金证券研究所 国内头部厂商帕西尼提出了视觉国内头部厂商帕西尼提出了视觉+触觉方案,在触觉的多项技术指标实现领先,有望成为触觉方案,在触觉的多项技术指标实现领先,有望成为未来的主流方案。未来的主流方案。行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 18 扫码获取更多服务 在去年的 2024WRC 大会上,帕西尼正式发布了、第二代多维触觉灵巧手 DexH13,及基于ITPU 技术的多维度触觉传感器 PX-6AXGEN2。在帕西尼感知科技的 DexH13
52、双手上,搭载了近 2000 颗自研生产的高精度触觉传感器 PX-6AXGEN2;此外,该双手还集成了 DexH13 双手集成了有 800 万高清 AI 手眼相机,基于先进的零样本位姿估计视觉算法,能够识别和抓取物体六维位姿,适应多种复杂环境和任务。图表图表3737:帕西尼的帕西尼的 Dex13Dex13 多维触觉灵巧手结合了视觉和触觉多维触觉灵巧手结合了视觉和触觉 来源:帕西尼官网,国金证券研究所 帕西尼的 IPTUGEN2 触觉传感器在多项技术指标领先、且成本低。根据帕西尼官网,ITPUGEN2 多维触觉传感器在灵敏度、抗干扰等多项指标表现优异,且通过全集成方案,产品成本相对较低。图表图表3
53、838:帕西尼帕西尼 IPTUGEN2IPTUGEN2 触觉传感器在多项指标技术领先触觉传感器在多项指标技术领先 来源:帕西尼官网,国金证券研究所 4.24.2 产业进展:特斯拉产业进展:特斯拉 OptimusOptimus、帕西尼对于触觉持续提高要求、帕西尼对于触觉持续提高要求 23 年 11 月特斯拉 Optimus 二代:23 年 12 月底特斯拉 Optimus 二代正式发布,手部关节全新升级,活动更加自然,手指部分搭载触觉传感器,似乎能更精准地抓握细小易碎物品,如抓鸡蛋等动作;且单只手具有 11 个自由度,助力实现精细操作。并且 Optimus 宣布明年能够用这双手完成穿针引线,预计
54、对于手部触觉提出更高的要求,触觉对于手部精细化的要求持续提升。行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 19 扫码获取更多服务 图表图表3939:特斯拉特斯拉 OptimusGen2OptimusGen2 完成拿放鸡蛋动作完成拿放鸡蛋动作 来源:机器之心公众号,国金证券研究所 国内触觉领域头部厂商帕西尼的新一代灵巧手 DexH13 能够实现抓、握、旋转、拿捏等多个复杂动作,实现柔顺交互。此外,从传感器的数量和灵敏度来看,帕西尼新一代灵巧手具有 978 个触觉传感器,对于手指重复定位精度达到0.05mm;助力实现更高精度的操作。图表图表4040:帕西尼新一代灵巧手实现多角度柔顺操作帕西尼新一代
55、灵巧手实现多角度柔顺操作 图表图表4141:帕西尼新一代灵巧手具有近千个触觉传感器帕西尼新一代灵巧手具有近千个触觉传感器 来源:帕西尼官网,国金证券研究所 来源:帕西尼官网,国金证券研究所 4.34.3 电子皮肤核心壁垒在于材料和算法电子皮肤核心壁垒在于材料和算法 壁垒壁垒 1 1:敏感材料的制造难度大、生产成本高。:敏感材料的制造难度大、生产成本高。敏感材料的性能要求高,同时满足高弹性、优良电学和力学性、耐久性的材料少之又少,材料配方、制作工艺有赖于厂商在长期生产中的经验积累和规模效应,能够形成更高的技术壁垒以及生产成本优势。电子触觉皮肤传感器的的性质主要取决于以下 3 类材料:衬底材料:决
56、定柔性触觉传感器的弹性形变性能,要求具有高柔韧性。目前多使用聚合物材料如 PDMS 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)聚酰亚胺(PI)聚乙烯(PE)和 PU 等。活性层材料:决定柔性触觉传感器灵敏度,目前多使用石墨烯、碳纳米管导电高分子、离子导体、金属纳米材料等。电极材料:影响器件灵敏度和稳定性,常选用具有优异导电性能和机械性能的石墨烯碳纳米管等碳材料以及柔性复合材料。行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 20 扫码获取更多服务 图表图表4242:触觉传感器主要材料触觉传感器主要材料 来源:面向电子皮肤的智能材料构建策略,东华大学纺织科技创新中心,国金证券研究所 高灵敏度、高柔性的电子皮肤材
57、料制造工艺复杂、成本高和难以批量生产。目前,具备量产条件的“基于石墨纳米片/聚氨酯纳米复合材料的高柔性、高灵敏度、可穿戴的电子皮肤”,厚度仅为 40 微米,接近一根头发丝粗细,生产技术上需要突破石墨纳米片的制备技术、石墨纳米片与高分子均匀分散技术、成膜技术三大难题,对生产商技术要求高。图表图表4343:可量化生产的“基于石墨纳米片可量化生产的“基于石墨纳米片/聚氨酯纳米复合材料”的电子皮肤聚氨酯纳米复合材料”的电子皮肤 来源:中国聚合物网,国金证券研究所 壁垒壁垒 2 2:算法决定了输出结果:算法决定了输出结果 算法用于满足传感器输出结果的精确度,决定传感器在实际应用时的效果。传感器使用过程中
58、需要对传感器采集到的信号进行及时处理和可视化,主要有两种可视化方法:直观地显示颜色变化和通过无线通信技术在屏幕上显示,实现实时监测。以国产厂商帕西尼为例,帕西尼率先发布了全球首款搭载 HAPTA 异构多核阵列软硬件架构的 ITPU 多维触觉处理单元,能够支持在复杂通用场景中的准确感知,并为用户提供易于使用且丰富的触觉信息,以实现毫秒级决策和高级感知。同时,研发多维触觉可视化软件系统,实现实时显示 3D 多维触觉数据、支持多种触觉传感器设备、支持 10 路多维信号实时渲染。行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 21 扫码获取更多服务 图表图表4444:帕西尼帕西尼 ITPUITPU 实现毫
59、秒决策和高级感知实现毫秒决策和高级感知 图表图表4545:帕西尼多维触觉可视化软件实现信号可视化帕西尼多维触觉可视化软件实现信号可视化 来源:帕西尼官网,国金证券研究所 来源:帕西尼官网,国金证券研究所 4.44.4 触觉传感器厂商梳理触觉传感器厂商梳理 全球市场以外资品牌为主,行业集中度高。全球市场以外资品牌为主,行业集中度高。全球柔性触觉传感器市场主要以外资品牌为主,其中CR5为57.1%,头部厂商包括Novasentis、Tekscan、JapanDisplayInc.(JDI)、Baumer、Fraba。国内柔性传感器厂商以帕西尼科技、汉威科技、钛深科技、弘信电子等企业为代表,近年来迅
60、速发展。图表图表4646:20232023 年全球柔性触觉传感器行业集中度高年全球柔性触觉传感器行业集中度高 来源:华经产业研究院,国金证券研究所 国内目前触觉传感器技术领先的企业主要为创业公司(钛深科技、柔宇科技、苏州慧闻),上市公司主要为汉威科技旗下的苏州能斯达。行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 22 扫码获取更多服务 图表图表4747:触觉传感器代表厂商梳理触觉传感器代表厂商梳理 名称名称 概况概况 主要产品主要产品 国内厂商 帕西尼 为业内首家实现多维度大阵列触觉传感器及机器人产品批量商业化公司。公司技术来源来自日本早稻田大学菅野实验室,该实验室在机器人自动化和传感器领域拥有
61、数十年丰富经验,发布了数款行业前沿的人形机器人、及灵桥手等产品 具有多维触觉人形机器人、多为触觉灵巧手、ITPU 多为触觉传感器等多个产品 苏州能斯达 具有稳定的纳米敏感材料体系;柔性压阻、柔性压电、柔性温湿度、柔性电容四大核心技术;一条年产 1000 万支柔性传感器的超净印刷线和组装线 柔性压力传感器、柔性压电传感器、柔性织物、柔性应变传感器、柔性温湿度传感器、柔性热敏传感器、柔性电容传感器 钛深科技 开发并拥有全球最灵敏、最柔性的触觉传感技术-柔性离电式传感技术(FITS)、能够提供实时的、高质量的、低噪声的触觉/压力信号、并拥有全柔性、光学透明及超薄封装等物理特性 脉搏波测量、压力分布测
62、量、柔性压力传感器、触觉传感器、压力阵列传感器、压力薄膜传感器、压力分布测量系统、压电式压力传感器 柔宇科技 成立于 2012 年,拥有自主研发的核心柔性电子技术,推出全球最薄彩色柔性显示屏、建立全球首条全柔性显示屏大规模量产线 生产全柔性显示屏和全柔性传感器 苏州慧闻 成立于 2014 年,是国内少数能够提供人工嗅觉解决方案的智能传感器企业 柔性薄膜压力传感器、气体传感器 国外厂商 Tekscan 成立于 1987 年,公司拥有薄型触觉传感器技术,专注于超薄、柔性压力传感器,具有极高的分辨率和超薄性,既可用作测试和测量工具,也可用作嵌入式传感组件 压力传感器5051、压力传感器3000、压力
63、传感器 7202、压力传感器6300 JapanDisplay 成立于 2002 年,从事中小型显示设备及相关产品的开发、生产和销售,通过结合静电容量式玻璃指纹传感技术和柔性显示屏技术,成功开发静电容量式柔性指纹传感器 透明传感器、柔性OLED 面板 Canatu 成立于 2004 年,是 3D 可成型和可弯曲透明导电薄膜和触摸传感器的开发商和制造商 汽车 3D 触摸控制面板 Sensel 成立于 2013 年,开发了一种多点触控输入设备,该设备能感应施加在各个点上的压力 压敏输入设备 Forciot 成立于 2015 年,可穿戴设备、汽车和物流行业的压力传感器组件供应商,传感器可以通过集成来
64、监控力分布、负载平衡、运动等参数。适用于运动状态跟踪、物流和汽车跟踪,以优化负载平衡并防止机器组件颤动等。基于物联网的压力传感器 来源:传感器专家网,CINNO,人形机器人场景应用联盟,国金证券研究所 五、编码器:反馈机器人的关节位置,精准控制的关键 5.15.1 编码器是测量位移、角度的高精度传感器编码器是测量位移、角度的高精度传感器,人形机器人多个环节需要编码器,人形机器人多个环节需要编码器 编码器是测量位移、角度的高精度传感器。编码器是集光、机、电、算技术于一体的高精度位移传感器,可将机械运动转换为电信号输出。编码器基于莫尔条纹与光电转换原理工作,当电动机旋转时,光栅盘与电动机以相同速度
65、旋转,光栅盘与固定光栅发生相对位移,产生莫尔条纹,经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号,通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 23 扫码获取更多服务 图表图表4848:编码器是测量位移、角度的高精度传感器编码器是测量位移、角度的高精度传感器 来源:禹衡光学官网,国金证券研究所 光电式编码器精度高、抗电磁干扰强,占据 70%份额。1)按照码盘的刻孔方式划分,可分为增量式和绝对式,其中增量式/绝对式分别占比 60%/40%;2)按照工作原理分,编码器有光电式、磁、电容式三种,其中光电式是精度更高、不受电磁干扰,
66、占据 70%份额,是主流选择。图表图表4949:光电式编码器精度高、抗电磁干扰强,占据光电式编码器精度高、抗电磁干扰强,占据 70%70%份额份额 来源:旺财伺服与控制系统,尚普咨询,国金证券研究所 编码器分布在人形机器人的旋转关节、线性关节、手部关节。旋转关节:输出侧和电机侧各有一个编码器。输出侧编码器用于测量输出位置的变化,电机侧编码器用于计算得到输出轴的理论位置,与输出侧编码器的数据进行对比,得到位移、角速度的反馈,从而交付驱动器进行后续控制。线性关节:放置一个线性编码器,对线性位置进行测量。手部关节:放置一个线性编码器,对线性位置进行测量。行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 2
67、4 扫码获取更多服务 图表图表5050:编码器在人形机器人的关键关节与执行器中的应用解析编码器在人形机器人的关键关节与执行器中的应用解析 来源:本末研究公众号,国金证券研究所 5.25.2 编码器行业空间稳步增长,产品壁垒高、海外厂商占据主流份额编码器行业空间稳步增长,产品壁垒高、海外厂商占据主流份额 预计 2028 年国内编码器市场空间为 7.4 亿美元。编码器主要应用于电梯产业、机床、电动机、食品和包装等领域,预计 2028 年全球编码器市场达 67 亿美元,国内编码器市场规模达 7.4 亿美元,2022-2028CAGR 为 9.9%。图表图表5151:编码器全球、中国市场规模稳定增长编
68、码器全球、中国市场规模稳定增长 图表图表5252:编码器下游以电梯为主,占比达编码器下游以电梯为主,占比达 25%25%来源:尚普咨询,智研咨询,国金证券研究所 来源:尚普咨询,智研咨询,国金证券研究所 编码器的壁垒主要是由在于码盘精度、装配工艺、误差补偿技术。编码器的壁垒主要是由在于码盘精度、装配工艺、误差补偿技术。这些关键技术主要影响的编码器的核心性能分辨率、精度、重复性。分辨率:编码器能够检测到的最小运动度量,一般由码盘精度、信号细分技术影响。精度:实际位置与编码器报告位置之间的差异,一般由装配工艺精度、加工精度、误差补偿技术影响。重复性:在同一个实际位置取得的不同测量值之间的最大差异,
69、表现其抗温漂、信号等干扰能力,由光栅材料热敏系数、信号质量影响。0102030405060708020222028单位:亿美元全球编码器市场规模中国编码器市场规模25.9%6.3%4.1%3.3%60.4%电梯机床纺织服装包装机械其他行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 25 扫码获取更多服务 图表图表5353:光栅编码器技术壁垒光栅编码器技术壁垒 来源:禹衡光学,绝对式光栅传感器关键技术研究,国金证券研究所 编码器市场多数份额被海外巨头多摩川、海德堡占据,国产替代道阻且长。图表图表5454:20222022 年中国编码器市场超年中国编码器市场超 40%40%份额被多摩川、海德堡占据份额
70、被多摩川、海德堡占据 来源:MIR,各公司官网,国金证券研究所 六、投资建议:重点关注奥比中光、柯力传感 根据前文分析,我们对机器人传感器板块做出如下梳理,重点看好视觉、力觉、触觉三个方向,重点推荐奥比中光、柯力传感。图表图表5555:人形机器人传感器全景图人形机器人传感器全景图 感知维度感知维度 主要产品主要产品 主要应用场景主要应用场景 产品作用产品作用 主流厂商主流厂商 力觉 六维力矩传感器、力觉传感器 人形机器人末端执行器(手部、脚部)实现末端多个方向力控制 ATI、宇立仪器、坤维科技、柯力传感、东华测试 触觉 电子皮肤、触觉传感器 机器人的手部、其他部位 感知手部表面的力 汉威科技、
71、帕西尼科技 视觉 摄像头、3D 视觉传感器 机器人头部实现视觉感知 机器人进行视觉3D 定位 苹果、奥比中光 27.6%14.3%7.7%5.7%4.8%4.0%2.5%33.5%多摩川海德堡禹衡光学西克宝盟电子内密控光洋电子其他行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 26 扫码获取更多服务 速度、位置 编码器 机器人的各个执行器内部 对于机器人各个执行关节的速度、位置实现反馈 奥普光电 来源:国金证券研究所整理 6.1 6.1 奥比中光:卡位机器人奥比中光:卡位机器人 3D3D 视觉标的,下游多点开花视觉标的,下游多点开花 奥比中光是国内奥比中光是国内 3D3D 视觉传感器领域头部公司,
72、亏损持续收窄。视觉传感器领域头部公司,亏损持续收窄。公司 3D 视觉传感器下游主要以生物识别、AIOT 等领域为主。公司今年以来持续发力多个下游,从归母净利润来看,24Q3 单季度亏损为 700w 元,亏损已经环比持续收窄,看好公司明年逐渐实现利润转正。图表图表5656:奥比中光收入结构以生物识别、奥比中光收入结构以生物识别、AIOTAIOT 为主为主 图表图表5757:奥比中光归母净利润亏损持续收窄奥比中光归母净利润亏损持续收窄 来源:wind,国金证券研究所 来源:wind,国金证券研究所 具有 3D 视觉传感器全栈式解决方案能力,长期研发投入夯实技术壁垒。根据公告,18-23年奥比中光全
73、年研发费用长期保持在 3 亿元附近,保持较高水平;根据官网,奥比中光掌握 3D 感知全栈技术能力,尤其在芯片设计高壁垒关节,奥比中光具有深度引擎芯片、iTOF感光芯片、dTOF 芯片的设计技术。图表图表5858:公司研发费用长期坚持高投入公司研发费用长期坚持高投入 图表图表5959:掌握掌握 3D3D 传感器全栈式技术能力传感器全栈式技术能力 来源:wind,国金证券研究所 来源:奥比中光官网,国金证券研究所 奥比中光在奥比中光在 3D3D 视觉的主流技术路径均有布局视觉的主流技术路径均有布局,与人形机器人厂商进展顺利,与人形机器人厂商进展顺利。根据官网,奥比中光在结构光、双目、iTOF、dT
74、OF 等领域均有技术布局;且根据公司投资者关系记录,在 iTOF 领域,公司与微软联合研发的高性能 iTOF 3D 相机 Femto Bolt 具有高精度、尺寸小、同比精准等优势,可以用于人形机器人领域,且目前公司部分产品已经与部分人形机器人客户进行适配,看好人形机器人产业落地后,奥比在人形机器人领域产品进入放量期。0.001.002.003.004.005.006.007.00201820192020202120222023单位:亿元生物识别AIoT工业三维测量消费电子其他(行业)-0.61-0.63-0.82-0.84-0.68-0.72-0.52-0.84-0.29-0.25-0.07-
75、0.90-0.80-0.70-0.60-0.50-0.40-0.30-0.20-0.100.0022Q122Q222Q322Q423Q123Q223Q323Q424Q124Q224Q3奥比中光单季度归母净利润(亿元)1.153.702.863.883.813.011.530.000.501.001.502.002.503.003.504.004.502018201920202021202220232024H1奥比中光研发费用(亿元)行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 27 扫码获取更多服务 图表图表6060:奥比中光奥比中光 iTOF 3DiTOF 3D 相机相机 Femto Bolt
76、Femto Bolt 性能优异性能优异 来源:奥比中光官网,国金证券研究所 6.2 6.2 柯力传感:卡位人形机器人力矩传感器性感赛道柯力传感:卡位人形机器人力矩传感器性感赛道 应变式传感器头部厂商,收入长期稳定增长。柯力传感的收入主要由力学传感器贡献为主,过去 5 年公司营业收入保持稳定增长,24Q1-3 公司实现收入 9.19 亿元,同比+14%。图表图表6161:柯力传感近年来收入保持增长柯力传感近年来收入保持增长 图表图表6262:柯力传感产品结构主要以柯力传感产品结构主要以力力传感器为主传感器为主 来源:wind,国金证券研究所 来源:wind,国金证券研究所 机器人领域布局广泛,具
77、有多类力矩传感器。机器人领域布局广泛,具有多类力矩传感器。根据官网,公司具备多种机器人所需力传感器,如多维力传感器、关节扭矩传感器、微型力传感器。此外,公司目前在人形机器人领域进展顺利,未来有望充分受益于人形机器人产业化落地;根据 24 年中报,公司六维力/力矩传感器已完成人形机器人手腕、脚腕,工业臂、协作臂末端的产品系列开发,掌握了结构解耦、算法解耦、高速采样通讯等技术要点,并已给多家国内协作机器人、人形机器人客户送样,看好柯力传感长期在机器人领域的发展前景。8.3510.3110.6110.729.190.00%5.00%10.00%15.00%20.00%25.00%0.002.004.
78、006.008.0010.0012.0020202021202220232024Q1-3营业总收入(亿元)yoy62%29%1%柯力传感23年产品收入结构情况力学传感器及仪表系列工业物联网及系统集成平台型产品行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 28 扫码获取更多服务 图表图表6363:柯力传感机器人多维力传感器柯力传感机器人多维力传感器 图表图表6464:柯力传感机器人关节扭矩传感器柯力传感机器人关节扭矩传感器 来源:柯力传感官网,国金证券研究所 来源:柯力传感官网,国金证券研究所 七、风险提示 人形机器人商业化落地不及预期:目前不同环节传感器的潜在增量市场中有较大一部分来自人形机器人
79、行业,若人形机器人产业化进展不及预期,将对市场需求造成负面影响。机器人传感器技术路线发生变化:机器人不同环节技术路线尚未统一,若部分环节的传感器出现技术路线的大幅变化,可能对部分传感器需求造成负面影响。行业专题研究报告 敬请参阅最后一页特别声明 29 扫码获取更多服务 行业行业投资评级的说明:投资评级的说明:买入:预期未来 36 个月内该行业上涨幅度超过大盘在 15%以上;增持:预期未来 36 个月内该行业上涨幅度超过大盘在 5%15%;中性:预期未来 36 个月内该行业变动幅度相对大盘在-5%5%;减持:预期未来 36 个月内该行业下跌幅度超过大盘在 5%以上。行业专题研究报告 敬请参阅最后
80、一页特别声明 30 扫码获取更多服务 特别声明:特别声明:国金证券股份有限公司经中国证券监督管理委员会批准,已具备证券投资咨询业务资格。形式的复制、转发、转载、引用、修改、仿制、刊发,或以任何侵犯本公司版权的其他方式使用。经过书面授权的引用、刊发,需注明出处为“国金证券股份有限公司”,且不得对本报告进行任何有悖原意的删节和修改。本报告的产生基于国金证券及其研究人员认为可信的公开资料或实地调研资料,但国金证券及其研究人员对这些信息的准确性和完整性不作任何保证。本报告反映撰写研究人员的不同设想、见解及分析方法,故本报告所载观点可能与其他类似研究报告的观点及市场实际情况不一致,国金证券不对使用本报告
81、所包含的材料产生的任何直接或间接损失或与此有关的其他任何损失承担任何责任。且本报告中的资料、意见、预测均反映报告初次公开发布时的判断,在不作事先通知的情况下,可能会随时调整,亦可因使用不同假设和标准、采用不同观点和分析方法而与国金证券其它业务部门、单位或附属机构在制作类似的其他材料时所给出的意见不同或者相反。本报告仅为参考之用,在任何地区均不应被视为买卖任何证券、金融工具的要约或要约邀请。本报告提及的任何证券或金融工具均可能含有重大的风险,可能不易变卖以及不适合所有投资者。本报告所提及的证券或金融工具的价格、价值及收益可能会受汇率影响而波动。过往的业绩并不能代表未来的表现。客户应当考虑到国金证
82、券存在可能影响本报告客观性的利益冲突,而不应视本报告为作出投资决策的唯一因素。证券研究报告是用于服务具备专业知识的投资者和投资顾问的专业产品,使用时必须经专业人士进行解读。国金证券建议获取报告人员应考虑本报告的任何意见或建议是否符合其特定状况,以及(若有必要)咨询独立投资顾问。报告本身、报告中的信息或所表达意见也不构成投资、法律、会计或税务的最终操作建议,国金证券不就报告中的内容对最终操作建议做出任何担保,在任何时候均不构成对任何人的个人推荐。在法律允许的情况下,国金证券的关联机构可能会持有报告中涉及的公司所发行的证券并进行交易,并可能为这些公司正在提供或争取提供多种金融服务。本报告并非意图发
83、送、发布给在当地法律或监管规则下不允许向其发送、发布该研究报告的人员。国金证券并不因收件人收到本报告而视其为国金证券的客户。本报告对于收件人而言属高度机密,只有符合条件的收件人才能使用。根据证券期货投资者适当性管理办法,本报告仅供国金证券股份有限公司客户中风险评级高于 C3 级(含 C3 级)的投资者使用;本报告所包含的观点及建议并未考虑个别客户的特殊状况、目标或需要,不应被视为对特定客户关于特定证券或金融工具的建议或策略。对于本报告中提及的任何证券或金融工具,本报告的收件人须保持自身的独立判断。使用国金证券研究报告进行投资,遭受任何损失,国金证券不承担相关法律责任。若国金证券以外的任何机构或
84、个人发送本报告,则由该机构或个人为此发送行为承担全部责任。本报告不构成国金证券向发送本报告机构或个人的收件人提供投资建议,国金证券不为此承担任何责任。此报告仅限于中国境内使用。国金证券版权所有,保留一切权利。上海上海 北京北京 深圳深圳 电话:021-80234211 邮箱: 邮编:201204 地址:上海浦东新区芳甸路 1088 号 紫竹国际大厦 5 楼 电话:010-85950438 邮箱: 邮编:100005 地址:北京市东城区建内大街 26 号 新闻大厦 8 层南侧 电话:0755-86695353 邮箱: 邮编:518000 地址:深圳市福田区金田路 2028 号皇岗商务中心 18 楼 1806