研究背景：近年来以人形机器人为代表的新兴应用场景逐步出现，随着对力控要求的增强，机器人用力传感器、高精度压力传感器的需求日益提升。本文我们概述了力传感器的工作原理，并围绕高壁垒品类——六维力传感器，详细阐述其技术壁垒、应用场景及降本空间；同时，通过对比海外龙头制造商发展路径，深入了解六维力传感器国产替代过程中的潜在挑战和机遇，并筛选出具备投资价值的优质国产制造企业。
　　力传感器是把力/力矩的量值转换为电信号的零部件。分类方式：①测量原理：可分为应变式、压电式、电容式、光学式等，其中应变式最为常见；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、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。
　　2022年中国力传感器市场规模约671亿元，2022-2025年CAGR预计达19.07%。力传感器下游应用广泛，包括汽车电子、通信电子、消费电子、专用设备等。根据前瞻产业研究院数据，2022年我国传感器市场规模达3532亿，2025年传感器市场规模有望增长至5952亿，CAGR达19.07%。其中，力传感器市场规模约671亿元，占比19%。此外物联网用称重传感器，人形机器人用力传感器等新兴领域亦日渐兴起。
　　六维力传感器：技术壁垒高，核心难点在于结构/算法解耦、标定检测、材料配方等。
　　(1)机器人用六维：下游主要为协作机器人，人形机器人有待放量。六维力传感器可应用于汽车测试、航空航天等领域，搭载六维力传感器的协作机器人目前应用于工业打磨、力控装配、拖动示教、医疗健康等场景，未来人形机器人在手腕、脚腕处有望搭载六维力传感器以释放广泛需求。
　　(2)准度：六维力传感器的核心指标。影响六维力传感器测量精度的因素包括：串扰、滞后、线性、蠕变等，准度综合考量了所有因素，衡量了测定值与实际值的差异，是六维力传感器的核心指标。国内大多数产品准度可达到1-5%，国内外顶尖企业可达到0.5%甚至更高水平。
　　(3)高精度六维力核心技术：结构解耦、算法解耦与六维联合加载设备。①结构解耦：通过设计六维力传感器的结构降低维间耦合；②算法解耦：建立电信号与待测力、力矩间的正确映射。③六维联合加载设备：经过标定和检测以确定模型参数的非标设备。使用一维加载设备标定的六维力传感器准度约为5%，尚不能满足部分精密力控场景需求。为将准度提高至0.5%，必须通过六维联合加载设备标定和检测。该设备为非标设备，主要依靠自主研发，依赖长时间的工程经验。
　　(4)弹性体材料配方：影响零漂、温漂等重要精度指标。弹性体一般由合金构成，其中各个元素的配比对弹形体的温度敏感性和稳定性有较大影响。
　　人形机器人放量推动下，六维力传感器市场规模有望达百亿级别。特斯拉Optimus预期单价2万美元，目前六维力传感器单价约2万元，假设在手腕、脚腕处共使用4个，其价值量占比较高。随着MEMS技术的应用和下游需求放量、六维力传感成本有望快速下降。据测算，人形机器人年产10/50/100万台将为六维力传感器带来20/80/100亿的市场规模增量，增长空间广阔。
　　2022年传感器国产化率40%，六维力传感器国产替代有望加速。中国传感器研制起步较晚，技术积累与世界领先水平存在一定差距，当前国产化率约40%。国内六维力传感器企业包括坤维科技、宇立仪器、鑫精诚、蓝点触控等；海外企业包括ATI、SCHUNK、Robotiq、OnRobot等。根据高工机器人统计，2022年国内协作机器人六维力传感器国产化率近80%，销量TOP1为国内龙头坤维科技，市占率超50%。目前，六维力传感器国产化难点主要在于技术壁垒和品牌壁垒，借助国内企业成本优势，有望加速推动国产化
　　投资建议：从行业层面来看，国家政策推动叠加价格优势，力传感器国产替代势在必行。传统应用替代空间充分，人形机器人放量进一步拉动需求增长。我们认为六维力传感器技术壁垒高，新玩家进场难度大。目前有相关技术背景、掌握标定设备研制技术的玩家更有利于打造自身先发优势，加速国产替代节奏。
　　建议关注：
　　【柯力传感】：深耕应变式传感器领域，国内市场占有率达25%，进军工业称重物联网，布局起点高。
　　【汉威科技】：传感器产品谱系丰富，子公司能斯达自主研发柔性压力传感器，提供机器触觉方案，已与小米等厂商深度合作。
　　【坤维科技】：航天科研院所技术积淀，自主研发六维联合加载标定设备，六维力传感器准度国内领先，国内市场销量领先。
　　【宇立仪器】：主营多维力传感器，汽车假人碰撞领域领先品牌，与国际龙头机器人企业广泛合作。
　　风险提示：宏观经济周期性波动风险、新兴应用产业化进度不及预期、市场竞争加剧影响行业盈利水平、应变片原材料价格波动风险、国产替代进度不及预期、测算/假设不及预期。
　　

研究报告全文：2023年09月25日行业专题机械证券研究报告力传感器专题智能时代感知系统核心元件机器人系列报告八投资评级领先大市-A维持评级研究背景近年来以人形机器人为代表的新兴应用场景逐步出现随着对力控要求的增强机器人用力传感器高精度压力传感器的需求日益提升本文我们概述了力传感器的工作原理并行业表现机械沪深300围绕高壁垒品类六维力传感器详细阐述其技术壁垒应用40场景及降本空间同时通过对比海外龙头制造商发展路径深30入了解六维力传感器国产替代过程中的潜在挑战和机遇并筛选20出具备投资价值的优质国产制造企业100力传感器是把力力矩的量值转换为电信号的零部件分类方-10式测量原理可分为应变式压电式电容式光学式等2022-092023-012023-052023-09资料来源Wind资讯其中应变式最为常见测力维数可分为1-6维力传感器其升幅1M3M12M中以一维三维六维力传感器最为常见输出方式可分为相对收益-05-36-05模拟传感器数字传感器力的种类可分为压力传感器称绝对收益-10-69-39重传感器力矩传感器等郭倩倩分析师SAC执业证书编号S1450521120004guoqqessencecomcn2022年中国力传感器市场规模约671亿元2022-2025年CAGR相关报告预计达1907力传感器下游应用广泛包括汽车电子通信出口表现亮眼静待国内需2023-09-24电子消费电子专用设备等根据前瞻产业研究院数据2022求回暖看好机床自主可控年我国传感器市场规模达3532亿2025年传感器市场规模有望背景下的投资机遇机床设备2023年半年报综述增长至5952亿CAGR达1907其中力传感器市场规模约业绩稳定增长行业拓展趋2023-09-20671亿元占比19此外物联网用称重传感器人形机器人用势延续机械行业检测试力传感器等新兴领域亦日渐兴起验板块2023年中报综述硅料价格下行产业链利润2023-09-17重新分配光伏设备板块六维力传感器技术壁垒高核心难点在于结构算法解耦2023H1财报总结标定检测材料配方等8月挖机销量好于预期内2023-09-081机器人用六维下游主要为协作机器人人形机器人有待放销降幅收窄2023年8月量六维力传感器可应用于汽车测试航空航天等领域搭挖机点评行业增速触底反弹关注人2023-09-06载六维力传感器的协作机器人目前应用于工业打磨力控装形机器人进展机器人板配拖动示教医疗健康等场景未来人形机器人在手腕块2023中报总结脚腕处有望搭载六维力传感器以释放广泛需求2准度六维力传感器的核心指标影响六维力传感器测量精度的因素包括串扰滞后线性蠕变等准度综合考量了所有因素衡量了测定值与实际值的差异是六维力传感器的核心指标国内大多数产品准度可达到1-5国内外顶尖企业可达到05甚至更高水平3高精度六维力核心技术结构解耦算法解耦与六维联合加载设备结构解耦通过设计六维力传感器的结构降低维间耦合算法解耦建立电信号与待测力力矩间的正确映射六维联合加载设备经过标定和检测以确定模型参本报告版权属于安信证券股份有限公司各项声明请参见报告尾页1行业专题机械数的非标设备使用一维加载设备标定的六维力传感器准度约为5尚不能满足部分精密力控场景需求为将准度提高至05必须通过六维联合加载设备标定和检测该设备为非标设备主要依靠自主研发依赖长时间的工程经验4弹性体材料配方影响零漂温漂等重要精度指标弹性体一般由合金构成其中各个元素的配比对弹形体的温度敏感性和稳定性有较大影响人形机器人放量推动下六维力传感器市场规模有望达百亿级别特斯拉Optimus预期单价2万美元目前六维力传感器单价约2万元假设在手腕脚腕处共使用4个其价值量占比较高随着MEMS技术的应用和下游需求放量六维力传感成本有望快速下降据测算人形机器人年产1050100万台将为六维力传感器带来2080100亿的市场规模增量增长空间广阔2022年传感器国产化率40六维力传感器国产替代有望加速中国传感器研制起步较晚技术积累与世界领先水平存在一定差距当前国产化率约40国内六维力传感器企业包括坤维科技宇立仪器鑫精诚蓝点触控等海外企业包括ATISCHUNKRobotiqOnRobot等根据高工机器人统计2022年国内协作机器人六维力传感器国产化率近80销量TOP1为国内龙头坤维科技市占率超50目前六维力传感器国产化难点主要在于技术壁垒和品牌壁垒借助国内企业成本优势有望加速推动国产化投资建议从行业层面来看国家政策推动叠加价格优势力传感器国产替代势在必行传统应用替代空间充分人形机器人放量进一步拉动需求增长我们认为六维力传感器技术壁垒高新玩家进场难度大目前有相关技术背景掌握标定设备研制技术的玩家更有利于打造自身先发优势加速国产替代节奏建议关注柯力传感深耕应变式传感器领域国内市场占有率达25进军工业称重物联网布局起点高汉威科技传感器产品谱系丰富子公司能斯达自主研发柔性压力传感器提供机器触觉方案已与小米等厂商深度合作坤维科技航天科研院所技术积淀自主研发六维联合加载标定设备六维力传感器准度国内领先国内市场销量领先宇立仪器主营多维力传感器汽车假人碰撞领域领先品牌与国际龙头机器人企业广泛合作风险提示宏观经济周期性波动风险新兴应用产业化进度不及预期市场竞争加剧影响行业盈利水平应变片原材料价格波动风险国产替代进度不及预期测算假设不及预期本报告版权属于安信证券股份有限公司各项声明请参见报告尾页2行业专题机械内容目录1力传感器机器人控制感知层的核心零部件611分类方式按测量原理测力维数输出方式力的种类等分类612下游应用下游应用领域广泛根据需求选择相应准度92行业分析国产替代进行时六维力传感大有可为1021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10211协作机器人多维力传感器赋能提升协作机器人工作精度11212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1322竞争格局传感器国产化率达40六维力传感器国产化率近80163六维力传感器精密力控刚需高壁垒高成长1831精密力控技术核心应用前景广阔1832核心参数串扰准度是六维力传感器的核心指标2133技术难点降低非线性力学耦合干扰降低零漂与温漂21331解决非线性力学特性结构解耦算法解耦六维联合加载设备21332降低零漂温漂弹性体材料配方是关键2334MEMS技术助力六维力传感器量产降本244对标分析高端龙头长期技术积累下的产品和品牌优势突出2541美国ATI全球机器人零部件行业龙头技术领先产品谱系完整2542丹麦OnRobot机器夹具制造龙头产品适配性强2643对标结论加大研发力度赢得市场信任275重点关注公司2751汉威科技柔性压力传感器赋能机器触觉开拓第二增长曲线2752柯力传感国内应变式传感器龙头机器人领域产品加快布局中3253坤维科技航天院所技术积淀高端六维力传感器对标国际龙头3554宇立仪器积淀深厚的多维力传感器产品从汽车跨界至机器人366投资建议377风险提示37图表目录图1力传感器产业链概况6图2各原理力传感器性能对比7图3中国MEMS压力传感器下游应用领域分布情况10图42020-2025传感器世界市场规模10图52021-2025E中国传感器市场规模11图6传感器不同产品市场份额占比11图7中国六维力传感器销量11图8节卡协作机器人ZU312图9UR协作机器人UR2012图10我国协作机器人市场规模12图11我国协作机器人出货量12图12中国协作机器人下游领域占比13图13特斯拉人形机器人TeslaBotOptimus13图14中国和世界65岁以上人口占比增长迅速14图15中国劳动力成本快速上升机器人替代潜力巨大14本报告版权属于安信证券股份有限公司各项声明请参见报告尾页3行业专题机械图16全球人型机器人市场规模预测15图17TeslaOptimus六维力传感器分布示意图15图18传感器国产化率达4016图19协作机器人领域六维力传感器出货量占比16图20国内外应变式传感器发展对比17图21ATI六维力传感器制造工艺需要人工操作17图22鑫精诚微型六维力传感器19图23机器人末端执行器受力情况实例19图24六维力传感器具体应用场景19图25搭载六维力传感器的打磨机器人20图26汽车碰撞假人20图27节卡机器人力控装配20图28拖动示教示意图20图29搭载六维力传感器的医疗机器人21图30六维力传感器应用于风洞测试21图31六维力传感器耦合干扰示例22图32六维力传感器结构示例22图33普通一维加载设备23图34六维联合加载设备23图35应变计构成全桥电路示意图24图36不同应变片价格对比24图37传统力传感器生产流程24图38玻璃微熔固化工艺流程24图39ATI定制Fanuc-Ready力传感器25图40搭载ATI六维力传感器的ABB装配机器人25图41OnRobot发展历程26图42传感器技术平台27图43以传感器为核心提供多样化产品与方案27图442022气体传感器十大企业28图45气体传感器行业全球竞争格局28图46汉威科技传感器产品导图28图472018-2022年汉威科技业务结构变化30图482017-2022年汉威科技营收情况30图492017-2022年汉威科技归母净利润情况30图502017-2022年汉威科技毛利率与净利率情况30图51柔性压力传感器31图52柔性薄膜压力传感器31图53全球应变式传感器行业竞争格局情况33图54中国应变式传感器行业竞争格局33图55柯力传感全面推进110105主线方向33图56集团赋能建设33图572018-2022年柯力传感业务结构变化34图582018-2022年柯力传感营收情况34图592017-2022年柯力传感归母净利润情况34本报告版权属于安信证券股份有限公司各项声明请参见报告尾页4行业专题机械图602017-2022年柯力传感毛利率与净利率情况34图61NJ-J扭矩传感器34图62NJ-K扭矩传感器34图632022年度中国协作机器人领域用六维力力矩传感器出货量35表1力传感器按测量原理分类7表2力传感器按测力维数分类8表3力传感器按输出方式分类9表4人形机器人有望为六维力传感器带来广阔增长空间16表5六维力传感器主要国产制造商梳理18表6六维力传感器主要海外制造商梳理18表7六维力传感器串扰和准度指标对比22表8ATI工业自动化Axia系列产品矩阵25表9OnRobot系列产品矩阵26表10汉威科技主要产品概述28表11募集项目及金额万元31表12柯力传感应变式传感器主要产品32表13十大物联网事业部33表14六维力传感器产品35表15宇立仪器六维力传感器产品36本报告版权属于安信证券股份有限公司各项声明请参见报告尾页5行业专题机械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GBT363781-2018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图1力传感器产业链概况资料来源智研咨询安信证券研究中心整理11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测量原理可分为应变式压电式电容式光学式等测力维数可分为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31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本报告版权属于安信证券股份有限公司各项声明请参见报告尾页6行业专题机械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表1力传感器按测量原理分类分类方式种类优点缺点产品图示精度高技术成熟测量范围广应变式存在非线性误差信号输出微弱频响特性好动态响应好精确性好分辨率存在电荷泄露静态力测量困压电式高结构紧凑尺寸小刚度强难分辨率不高按测量原理分类高灵敏度和高分辨率频率范围电容式调理电路复杂寄生电容影响大宽结构简单环境适用性强可靠性高测量范围广动态响应光学式价格昂贵对测试环境要求高好资料来源仪器信息网化工仪器网传感器专家网HandbookofModernSensors霍盾官网汉矢德官网TEConnectivity官网安信证券研究中心整理图2各原理力传感器性能对比资料来源ATI安信证券研究中心本报告版权属于安信证券股份有限公司各项声明请参见报告尾页7行业专题机械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xyz轴的三个分量FxFyFz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xyz轴的三个分量FxFyFz和待测力矩的三个分量MxMyMz表2力传感器按测力维数分类分类方式种类力的方向力的作用点示意图产品图示一维力传感器与标定坐标轴重合位于标定参考点按测力维数三维力传感器无限制位于标定参考点分类六维力传感器无限制无限制资料来源坤维科技知乎号力驰传感官网安信证券研究中心整理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本报告版权属于安信证券股份有限公司各项声明请参见报告尾页8行业专题机械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表3力传感器按输出方式分类分类方式种类输出信号优点缺点应用场景传输距离远精度低电子测量模拟传感器模拟信号成本低抗干扰能力差环境监测功耗低不容集成机器人等按输出方式分类精度高工业自动化价格较高数字传感器数字信号抗干扰能力强医疗设备功耗较大易于集成汽车电子等资料来源维特沃斯地磅知乎号安信证券研究中心整理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12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477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18215913646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本报告版权属于安信证券股份有限公司各项声明请参见报告尾页9行业专题机械图3中国MEMS压力传感器下游应用领域分布情况46136汽车电子消费电子477159工业医疗航空航天182资料来源华经产业研究院安信证券研究中心2行业分析国产替代进行时六维力传感大有可为21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25129亿美元约合17963亿人民币2022-2025年CAGR为804图42020-2025传感器世界市场规模单位亿美元世界市场规模yoy3500703000602500502000401500301000205001000202020212022E2023E2024E2025E资料来源Statista安信证券研究中心整理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1907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1907高于全球2022-2025年市场规模CAGR804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671亿元本报告版权属于安信证券股份有限公司各项声明请参见报告尾页10行业专题机械图52021-2025E中国传感器市场规模图6传感器不同产品市场份额占比单位亿元中国市场规模yoy700025600020215000流量传感器15400046压力传感器30001019温度传感器2000其他5100014002021E2022E2023E2024E2025E资料来源前瞻产业研究院安信证券研究中心资料来源赛迪前瞻产业研究院安信证券研究中心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5797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17亿元图7中国六维力传感器销量单位台10000机器人行业非机器人行业80006000400020000201720182019202020212022资料来源高工机器人安信证券研究中心211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本报告版权属于安信证券股份有限公司各项声明请参见报告尾页11行业专题机械图8节卡协作机器人ZU3图9UR协作机器人UR20资料来源节卡官网安信证券研究中心资料来源UR官网安信证券研究中心2022年中国协作机器人市场规模达2153亿元出货量为195万台根据高工机器人数据2016-2022年中国协作机器人市场规模CAGR41462022年出货量为195万台2016-2022年CAGR4280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6万台图10我国协作机器人市场规模图11我国协作机器人出货量单位亿元单位万台市场规模yoy出货量yoy2590310080902520708070602156050155040104030130520200510100000201620172018201920202021202220162017201820192020202120222023E资料来源高工机器人安信证券研究中心资料来源高工机器人安信证券研究中心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303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2721081463613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本报告版权属于安信证券股份有限公司各项声明请参见报告尾页12行业专题机械图12中国协作机器人下游领域占比13361213033C电子汽车及零部件机械加工146医疗保健半导体108锂电池272其他资料来源高工机器人安信证券研究中心预计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212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TeslaOptimus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图13特斯拉人形机器人TeslaBotOptimus资料来源TeslaYoutube安信证券研究中心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105高于世界平均水平842020年间中国65岁以上人口比例快速攀升至135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225进入超老龄化社会同期全球平均水平亦将上升至132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本报告版权属于安信证券股份有限公司各项声明请参见报告尾页13行业专题机械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905万迅速上升至2022年的114万复合增长率达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82025年预期中国人均工资将达144万元同期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图14中国和世界65岁以上人口占比增长迅速图15中国劳动力成本快速上升机器人替代潜力巨大资料来源中国卫健委联合国经社部世界银行安信证券研究中心资料来源国家统计局TelsaAIday安信证券研究中心理想情形下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AIDAY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本报告版权属于安信证券股份有限公司各项声明请参见报告尾页14行业专题机械图16全球人型机器人市场规模预测资料来源高盛哈默纳克安信证券研究中心人形机器人需要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图17TeslaOptimus六维力传感器分布示意图资料来源TeslaAIDay2022坤维科技安信证券研究中心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个六维力传感器本报告版权属于安信证券股份有限公司各项声明请参见报告尾页15行业专题机械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5000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1050100万台时六维力传感器市场规模分别为2080100亿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表4人形机器人有望为六维力传感器带来广阔增长空间人形机器人产量万台1050100单台机器人六维力传感器用量444六维力传感器平均单价元500040002500市场空间预测亿元2080100资料来源安信证券研究中心测算22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50TOP2为国际龙头ATITOP3-5为分别为蓝点触控宇立仪器鑫精诚均为国内企业图18传感器国产化率达40图19协作机器人领域六维力传感器出货量占比坤维科技40ATI蓝点触控国内海外宇立仪器60鑫精诚其他资料来源华经产业园安信证券研究中心资料来源高工机器人安信证券研究中心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05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05六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本报告版权属于安信证券股份有限公司各项声明请参见报告尾页16行业专题机械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图20国内外应变式传感器发展对比资料来源柯力传感招股书安信证券研究中心整理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图21ATI六维力传感器制造工艺需要人工操作资料来源ATIYoutube安信证券研究中心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本报告版权属于安信证券股份有限公司各项声明请参见报告尾页17行业专题机械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表5六维力传感器主要国产制造商梳理公司名称股票代码产品准度公司简介产品应用领域坤维科技成立于2018年是一家致力干提供高精度力觉传感器六机器人智能装备工业过程监坤维科技未上市05轴力传感器及力控解决方案的企业公司主营智能力觉传感器的研控产品质量检测科研测试测发制造销售及技术推广量等深圳市鑫精诚科技有限公司成立于20年公司专注于微型压力称机器人3C自动化设备精密医鑫精诚未上市1-3重多轴力扭力等多样化的智能传感器及控制仪表的工业级产品疗农业新能源键电机器研发和创新为等领域提供力控系统解决方案与技术合作人半导体航空铁路高校等宇立仪器有限公司SRI是一家集生产发于一体的技术密集型企宇立仪器未上市1-5业是原美国FTSS现HumaneticsATD总工黄约博士于2007年创机器人汽车碰撞测试等立公司在多维力传感器设计领域积累了近20年经验蓝点触控北京科技有限成立于2019年是一家专业从事高精度高性能力传感器以及力控产品研发利生产的高新技术企业公司在蓝点触控未上市1-2多维力传感器关节扭矩传感器机器人力控技术等方面拥有深厚机器人工业打磨等的经验积累和技术优势现已形成了rist六地力传感器Joi比关节扭矩传感器力控应用软件包等多个产品系列海伯森技术深圳有限公司成立于2015年公司始终专注工业传感技术的创新并在光学物理测量工业2D3D检测机器人智能应机器人自动化生物力学工海伯森未上市1-2用等领域形成了成熟的产品矩阵主营产品包括3D闪测传感器3D业测试等线光谱共焦传感器点光谱共焦位移传感器超高速工业相机和六维力传感器等广州市昊志机电股份有限公司成立于2006年是一家专业从事中高端数控机床机器人新能源汽车核心功能部件等的研发设计生昊志机电3005032协作机器人产制造销售与维修服务的国家高新技术企业于2016年在创业板上市公司目前有DSA系列5款六维力传感器产品资料来源高工机器人各公司官网安信证券研究中心整理表6六维力传感器主要海外制造商梳理公司名称国家产品准度公司简介产品应用领域ATI工业自动化公司是世界领先的多维力传感器制造商自1989年以来ATI工业自动化公司一直致力于开发量先进的产品和解决方ATI美国05-2机器人家在世界各地得到了成千上万的成功应用公司主营业务包括机器人快速转换装置及力传感器德国雄克公司SCHUK创建于1945年主营产品包括精密夹具和自SCHUNK德国2机器人机械装备等动化抓取系统传感器等Robotiq公司成立于2008年总部位于加拿大魁北克主营产品包Robotiq加拿大3机器人括机器人末端央具力矩传感器机器人相机套件等OnRobot是一家全球性公司由册麦0nRobot匈牙利OptoForce和OnRobot丹麦3美国PerceptionRobotics合并而成主营产品包括机器人末端夹机器人具力矩传感器机器人相机套性等新东工业株式会社Sintokogio成立于1934年是一家总部位于日本的公司主营业务分为铸造表面处理环境设备特种设备新东工业日本1-3机器人物料搬运五个部门公司业务遍及全球亚洲北美和欧洲是其前三大市场WACOH-TECH成立于2007年总部位于日本主营业务包括力传感WACOH-TECH日本1-3机器人工业装配工业打磨等器和MEMS传感器加速度陀螺仪产品的开发生产销售资料来源高工机器人各公司官网安信证券研究中心整理3六维力传感器精密力控刚需高壁垒高成长31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本报告版权属于安信证券股份有限公司各项声明请参见报告尾页18行业专题机械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05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95mm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图22鑫精诚微型六维力传感器图23机器人末端执行器受力情况实例资料来源高工机器人安信证券研究中心资料来源坤维科技知乎号安信证券研究中心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图24六维力传感器具体应用场景资料来源高工机器人安信证券研究中心本报告版权属于安信证券股份有限公司各项声明请参见报告尾页19行业专题机械工业打磨传统打磨行业普遍存在危险系数大生产效率低废品率高人工成本高等问题为解决上述问题机器人抛光应运而生在对精度有较高要求的3C等行业中机器人需搭载六维力传感器以实现精密力控保证表面光洁无毛刺目前由于普通力传感器尚能满足部分行业对精度的要求且六维力传感器价格明显高于普通力传感器工业打磨机器人尚未普遍搭载六维力传感器考虑到未来对精度需求可能得提升以及六维力传感器的快速降本六维力传感器在打磨行业中的渗透率有望迅速提升汽车测试汽车厂家需要对汽车进行安全性能的实验将假人放置在汽车座位上并模拟发生碰撞时检测假人各个部位的受力情况从而评定出汽车的安全等级假人结构复杂为收集各个部位的受力数据假人身体上遍布六维力传感器和一维力传感器总数达60-200个图25搭载六维力传感器的打磨机器人图26汽车碰撞假人资料来源坤维科技官网安信证券研究中心资料来源CarSeatDesign汽车座椅设计公众号安信证券研究中心力控装配装配不仅需要机器人具有一定的位置精度当组装或者装配的零部件容易损坏易变形时机器人还需要具有末端位置和姿态的自适应调整能力这就要求机器人具有力觉感知功能即使零件存在制造误差外设存在定位误差机器人都根据力传感器的反馈调整位姿保证柔顺装配精准装配拖动示教传统机器人示教环节需要通过示教盒现场示教或采用离线编程示教都对操作人员的专业技术有较高要求机器人搭载六维力传感器后可由工人直接手持牵引机器人到达指定位姿或沿特定轨迹移动以简单直观方式对机器人应用任务进行示教完成后机器人即可独立工作拖动示教可大幅提高工业机器人在应用部署阶段的编程效率降低对操作人员的要求达到降本增效的目的图27节卡机器人力控装配图28拖动示教示意图资料来源节卡公众号安信证券研究中心资料来源海伯森技术官网安信证券研究中心本报告版权属于安信证券股份有限公司各项声明请参见报告尾页20