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六 维 力 和 力 矩 传 感 器 行 业 报 告：类 人 力 控 核 心 组 件，产 业 推 进 降 本 提 质评级：推荐(首次覆盖)证券研究报告2024年03月11日电力设备李航(证券分析师)邱迪(证券分析师)李铭全(证券分析师)S0350521120006 S0350522010002 S 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明2沪深300表现表现 1M 3M 12M电力设备 14.1%2.3%-27.7%沪深300 6.7%5.0%-9.5%最近一年走势相关报告2024年新能源行业策略-光伏：守成供需周期，把握技术成长（推荐）*光伏设备*邱迪，李航2024-02-202024年新能源行业策略-锂电：去库倒计时，产业拐点将至（推荐）*电力设备*李航2024-02-012024年新能源行业策略-电力设备：出海景气度持续向上，国内主配网各有看点（推荐）*电力设备*邱迪，李航2024-01-19-45%-36%-27%-17%-8%1%2023/0 2023/0 2023/0 2023/1 2024/0电力设备 沪深300 YWDWuNtOpMnMoQtQtOtMrQ8ObP9PnPnNoMnRlOpPtQiNpOnP9PpPvNxNmPmQxNpPvN请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明3重点关注公司及盈利预测重点公司代码 股票名称2024/03/11 EPS PE投资评级股价 2022 2023E 2024E 2022 2023E 2024E300007.SZ 汉威科技 16.71 0.85 1.11 1.01 19.96 15.12 16.51 买入300114.SZ 中航电测 42.80 0.33 0.18 0.23 31.43 244.29 188.71 买入300354.SZ 东华测试 48.99 0.88 1.27 1.81 43.40 38.61 27.08 增持300445.SZ 康斯特 19.85 0.36 0.47 0.63 34.34 42.04 31.74 未评级603662.SH 柯力传感 31.53 0.92 1.10 1.38 17.87 28.58 22.84 未评级688539.SH 高华科技 38.45 0.81 0.88 1.22 43.81 31.43 未评级301413.SZ 安培龙 64.00 1.57 1.29 1.86 49.63 34.38 未评级资料来源：Wind 资讯，国海证券研究所注：未评级公司的盈利预测为 wind 一致预期 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明4核心提要u 站在力觉传感器顶端，六维力产业方兴未艾，国产品牌加速追赶海外主流 六维力/力矩传感器是维度最高的力觉传感器，检测的力觉信息最为全面。六维力/力矩传感器是具备高壁垒的品类，体现在技术端、设备端等方面，通常以串扰、精度和准度三大指标开展评价。六维力/力矩传感器品类丰富，主要包括应变片式（硅应变和金属箔）、光学式和压电/电容式传感器，各有其适用范围，现阶段应变片式为主流。六维力产业方兴未艾，全球三大阵营品牌搏击应用高地。六维力/力矩传感器应用于电子行业、汽车工业、机器人、医疗、飞行器以及仿生等领域。全球六维力品牌主要包括日韩、欧美和国产三大阵营，国产品牌与海外主流仍有差距。近年来中国市场逐步推进国产替代，随国产品牌性能提升，市场份额增加，部分企业已在细分领域占据头部位置。u 人形机器人风起，六维力导入亟待提质降本增效，产业链群雄逐鹿之势渐显 面向人形机器人广阔赛道，高精度力传感器或从选配走向标配。据Markets and markets预测，全球人形机器人市场有望由2023年的18亿美元提升至2028年的138亿美元。我们认为，机器人由自动化向智能化进化，力控要求提升，高精度力传感器或从选配走向标配，六维力/力矩传感器未来市场空间或达百亿规模。面对重要成长机遇，六维力/力矩传感器仍然亟待提质降本增效，我们预计国产优质厂商将在产业突破的过程中扮演重要角色。六维力/力矩传感器性能虽然已有长足进步，但在产业推广上依然需要持续迭代，当下核心痛点包括产品价格昂贵、选型困难、使用技术相对薄弱，以及仍然需要更高效的生产工艺等。1）提质：结构设计创新、解耦优化、注重标定和检测等关键工序的设备开发；2）降本：产品成本构成中应变片和人工成本占比较大，我们认为开发MEMS等高效工艺、叠加生产自动化率提升是六维力降本的重要策略。我们认为，在庞大工业体系和下游市场助力下，国产品牌将是未来的主力军，这一细分赛道或将涌现数家面向全球、多元场景的实力型国产知名品牌。请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明5核心提要u 投资建议及风险提示 行业评级：机器人由自动化向智能化进化，力控要求提升，尤其是在高精度场景下需要采用多维力传感器，六维力/力矩传感器可为机器人运动控制提供力信息，从而完成复杂、精细作业，或将成为未来智能机器人的标配产品，首次覆盖六维力/力矩行业，给予“推荐”评级。重点关注：具备传感器技术积淀，积极入局机器人赛道，布局相关产品的企业，建议关注柯力传感、东华测试、中航电测、康斯特、高华科技、汉威科技、安培龙等上市公司。风险提示：人形机器人产业化不及预期，人形机器人力觉传感器技术路线发生变化，六维力产品技术提升不及预期，六维力产品成本控制不及预期，重点关注公司业绩不及预期。请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明6核心提要一、六维力/力矩传感器：力觉传感器天花板，国产品牌加速追赶海外主流二、人形机器人风起，六维力导入亟待提质降本增效三、高端力觉传感器厂商梳理：面向产业机遇，群雄逐鹿之势渐显四、投资建议及风险提示 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明7目录一、六维力/力矩传感器：力觉传感器天花板，国产品牌加速追赶海外主流1.1 六维力/力矩传感器站在力觉传感器的顶端，应变片式为主流1.2 产品具备高壁垒，三大指标评价六维力优劣1.3 六维力产业方兴未艾，全球三大阵营品牌搏击应用高地 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明8 资 料 来 源：坤 维 科 技 微 信 公 众 号、leaderobot 微 信 公 众 号1.1 六维力/力矩传感器站在力觉传感器的顶端，应变片式为主流图：不同测量维度的力测量示意 图：六维力/力矩传感器定义以及实物展示p 力/力矩传感器可将力或力矩的量值转换为相关电信号。根据所测力的维数不同可分为一维力和多维力传感器，一维力传感器仅可测量单一维数方向上的力或力矩，多维力传感器可以检测多个维数方向上的力或力矩。p 六维力/力矩传感器是维度最高的力觉传感器，检测的力觉信息最为全面。六维力/力矩传感器（后文均以六维力代表六维力/力矩传感器）能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，因此当力的方向和作用点在三维空间内随机变化时需选用六维力传感器。六维力传感器不仅可以精确测力，且在获得力矩信息后，可以利用力矩信息来推算获取受力部件的姿态；同时监测力矩是否在安全范围内，有效避免传感器的过载损坏。一 维 力 测 量 示 意 三 维 力 测 量 示 意 六 维 力 测 量 示 意 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明9 资 料 来 源：leaderobot 微 信 公 众 号、国 海 证 券 研 究 所1.1 六维力/力矩传感器站在力觉传感器的顶端，应变片式为主流图：不同原理的六维力/力矩传感器对比p 六维力传感器品类丰富、各有其适用范围，现阶段应变片式为主流。根据技术原理可将六维力传感器分为应变片式（硅应变和金属箔）、光学式和压电/电容式传感器，每种类型的传感器具有其独特优势和适用范围。比较传感器的稳定性、刚度、动态特性、信噪比与成本，硅应变片在稳定性、信噪比以及动态特性方面优于金属箔，但硅应变片成本较高；电容传感器与压电传感器相比，电容传感器成本最优，其他几项弱于压电传感器；光学传感器在动态特性方面具有优势。1）应变片式：硅应变传感器、金属箔传感器2）光学传感器3）压电/电容传感器稳定性刚度动态特性信噪比成本 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明10 资 料 来 源：坤 维 科 技 微 信 公 众 号1.2 产品具备高壁垒，三大指标评价六维力优劣图：分别对六维力传感器的六个测量方向精确加载至各自的额定载荷，记录六个方向的测量结果p 六维力传感器是具备高壁垒的品类。六维力传感器最核心的壁垒在于技术端，包括维间耦合影响测量精度、“全方位机械过载保护”操作复杂以及“动态性能”难以测量等关键技术问题的解决需要依赖严格的加工精度、强大的产品性能与前沿的智能算法等要素；同时在设备端需要六维联合加载设备进行标定与检测，设备研发涉及多项综合技术。因此整体而言高技术壁垒下利好具有长期积淀的头部企业。p 评判六维力传感器产品优劣的三大性能指标：串扰、精度和准度。1）串扰指标用来衡量六维力传感器各测量方向间的耦合影响，可反映测量误差水平；2）精度和准度可准确描述六维力传感器的测量误差水平，其中精度衡量的是测量结果之间的重复性，准度衡量的是测量结果与理论真值的偏离程度。3）准度涵盖滞后、线性、蠕变等误差因素，更能体现产品综合性能，是六维力传感器最为核心的技术指标之一。图：六维力传感器精度和准度的统计意义 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明11 资 料 来 源：一 种 微 型 应 变 式 六 维 力 传 感 器 及 其 标 定 装 置_ 王 鹏 等、高 工 机 器 人 微 信 公 众 号、leaderobot 微 信 公 众 号、国 海 证 券 研 究 所1.3 六维力产业方兴未艾，全球三大阵营品牌搏击应用高地图：六维力/力矩传感器产业链梳理p 完整的六维力产业链涉及上游组件、中游制造和下游多元应用场景。以当前主流的应变片式传感器为例，其材料组件包括弹性体、应变片、电路板、粘接剂和外壳等，通过几十道工序（分为选料、贴片、温漂和零漂的控制、标定等四大环节）制作而成合格产品，主要应用于汽车行业的碰撞测试、轮毂、座椅等零部件测试以及航空航天、生物力学、医疗领域、科研实验、机器人与自动化等领域，其中在机器人领域的应用占据较大的市场份额，尤其是在协作机器人领域应用广泛。上 游 组 件弹性体应变片电路板粘接剂光纤、光栅电容中 游 制 造分类：1）应变片式：通常采用的是硅应变片或金属箔，本质是材料本身发生形变而转化为阻值变化2）光学式：通过光纤、光栅反映形变，再转化成力3）压电/电容式：电容是通过极距的变化导致电压变化，压电则是通过形变改变电荷生产流程：一款合格的传感器有几十道工序，可分为选料、贴片、温漂和零漂的控制、标定等四大环节下 游 应 用外壳等应 用 于 电 子 行 业、汽 车 工 业、机 器 人、医 疗、飞 行 器 以 及 仿 生 等 领 域；作 用 包 括 检 测、预 防、测 量、控 制、示 教、保 护 等 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明12 资 料 来 源：Global Market Insights、高 工 机 器 人 微 信 公 众 号1.3 六维力产业方兴未艾，全球三大阵营品牌搏击应用高地图：全球力/力矩传感器市场规模及主要应用领域p 全球力/力矩传感器市场规模预计保持稳健增长，航空航天与国防、汽车是主要应用领域。根据GMI数据，2022年全球力/力矩传感器市场规模超70亿美元，预计2023-2032年复合增速超6%，航空航天与国防、汽车是主要的下游应用场景。p 中国六维力/力矩传感器市场增速强劲，机器人行业是主要应用领域。根据GGII数据，2022年中国市场六维力/力矩传感器销量8360套，同比增长58%，预计到2027年销量突破8.4万套，复合增速超60%；2022年市场规模2.39亿元，同比增长52%，预计到2027年市场规模超15亿元。当下产品基数仍然较小，机器人行业是主要应用领域，未来随下游需求提升有望进入高速成长期。单 位：十 亿 美 元图：中国六维力/力矩传感器市场规模图：中国六维力/力矩传感器销量 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明13 资 料 来 源：高 工 机 器 人 微 信 公 众 号、国 海 证 券 研 究 所1.3 六维力产业方兴未艾，全球三大阵营品牌搏击应用高地表：六维力/力矩传感器在航空航天、汽车等当下主要应用领域的用途及代表企业p 航空航天、汽车等领域是六维力/力矩传感器应用较早的典型场景。六维力在航空航天领域应用早，可用于测量风洞试验、飞机、卫星、火箭等飞行器各种运动状态下的六维力信息，以及飞机制造、飞行器着陆和起飞过程的监测、机械臂控制、结构健康监测等领域。在汽车领域，六维力的主要应用场景包括汽车安全设备测试、高速碰撞测试、车身刚度测试等，在确定新车和部件设计的完整性和最优化方面具有重要作用，并且有助于保证效率、安全性和正确功能。领 域 应 用 场 景 用 途 及 特 点 代 表 企 业航 空 航 天飞 行 测 试六 维 力 传 感 器 可 用 于 测 量 飞 机 包 括 起 飞、飞 行、降 落 等 各 个 阶 段 下 的 六 轴力 信 息，帮 助 测 试 人 员 更 准 确 分 析 飞 行 器 的 性 能 和 状 况ATI、坤 维 科 技、航 天 四 院 四 十 四 所空 间 站六 维 力 传 感 器 可 以 测 量 飞 行 器 受 到 的 冲 击 和 震 动 以 及 宇 航 员 在 工 作 时 产 生的 动 力 学 数 据 等火 箭 发 射六 维 力 传 感 器 可 以 实 时 监 测 火 箭 的 加 速 度、角 度、速 度 等 数 据，并 帮 助 控制 中 心 调 整 火 箭 的 姿 态 和 飞 行 路 线，确 保 执 行 任 务 的 准 确 性 和 安 全 性空 气 动 力 学 研 究六 维 力/力 矩 传 感 器 可 用 于 风 洞 试 验 中，测 量 模 型 在 气 流 中 所 受 的 力 和 力 矩。这 有 助 于 研 究 飞 行 器 的 气 动 性 能、稳 定 性 和 控 制 特 性，以 及 优 化 设 计汽 车汽 车 安 全 设 备 测 试六 维 力 传 感 器 可 以 更 加 准 确 测 量 安 全 气 囊 部 件 和 安 全 带 拉 力 及 其 各 个 方 向的 力 矩，以 提 高 测 试 数 据 的 精 确 性ATI、宇 立 仪 器、ME-Messsysteme GmbH、海 伯 森 等高 速 碰 撞 测 试六 维 力 传 感 器 可 以 准 确 测 量 汽 车 在 撞 击 后 的 变 化，同 样 也 可 以 测 量 车 内 人员 受 到 的 各 方 向 力 及 力 矩，从 而 为 汽 车 安 全 性 评 估 提 供 准 确 的 数 据性 能 测 试六 维 力 传 感 器 可 以 帮 助 精 确 测 试 一 些 汽 车 性 能 参 数，比 如 制 动 距 离、制 动时 间、轮 胎 磨 损 程 度 等，从 而 为 汽 车 制 造 商 提 供 更 为 详 尽 和 准 确 的 汽 车 性能 数 据车 身 刚 度 测 试通 过 在 车 身 上 施 加 力 和 力 矩，可 以 测 量 车 身 的 变 形 和 应 力 分 布 情 况，从 而评 估 车 身 的 刚 度 和 强 度，为 汽 车 设 计 和 制 造 提 供 参 考车 辆 动 力 学 测 试通 过 在 车 辆 上 安 装 六 维 力 和 力 矩 传 感 器，可 以 测 量 车 辆 在 行 驶 过 程 中 的 力和 力 矩 分 布 情 况，从 而 评 估 车 辆 的 动 力 学 性 能 和 稳 定 性 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明14 资 料 来 源：高 工 机 器 人 微 信 公 众 号、国 海 证 券 研 究 所1.3 六维力产业方兴未艾，全球三大阵营品牌搏击应用高地表：六维力/力矩传感器在机器人领域的用途及代表企业p 机器人是六维力/力矩传感器当下的重要应用领域，也是未来富有潜力的场景。在工业领域包括打磨/协作/装配/铣削机器人等，应用场景包括力控制、力觉反馈、质量检测、动态控制等。以协作机器人为例，通过将产品安装在机器人末端，可以实现高精密柔性装配、焊接、去毛刺作业、拖动示教等应用。在医疗手术和康复领域，包括血管介入手术机器人、康复机器人、外科手术机器人等，处于早期发展阶段，应用潜力较大。安装在手术机器人末端的六维力产品可以帮助感知人体各个方面的实时参数，包括力量、重量等，从而实现高质量的手术操作、降低手术风险。我们认为随技术升级、工业及医疗等领域的要求提升，六维力的渗透率将持续提升，并有可能成为细分场景的标配。领 域 应 用 场 景 用 途 及 特 点 代 表 企 业工 业-打 磨/协 作/装 配/铣 削 机 器人 等力 控 制测 量 机 器 人 末 端 执 行 器 施 加 的 力 和 力 矩，从 而 实 现 机 器 人 的 力 控 制。比 如 装 配、抛 光 打 模 等 应 用ATI、坤 维 科 技、鑫 精 诚、宇 立 仪 器、蓝 点 触 控、海 伯 森、Robotous、Sintokogio、WACOH-TECH 等力 觉 反 馈将 机 器 人 末 端 执 行 器 施 加 的 力 和 力 矩 转 换 成 电 信 号，通 过 控 制 系 统 反 馈 给 机 器 人，从 而 实 现 力 觉 反 馈质 量 检 测测 量 机 器 人 末 端 执 行 器 施 加 的 力 和 力 矩，从 而 实 现 对 产 品 质 量 的 检 测。比 如 在 焊接 过 程 中 测 量 焊 接 枪 施 加 的 力 度 和 方 向，判 断 焊 接 质 量 是 否 符 合 要 求动 态 控 制测 量 机 器 人 末 端 执 行 器 施 加 的 力 和 力 矩，从 而 实 现 机 器 人 的 动 态 控 制。比 如 在 搬运 过 程 中，帮 助 机 器 人 实 现 动 态 控 制，更 加 高 效 完 成 搬 运 任 务医 疗 手 术和 康 复血 管 介 入 手 术 机 器 人主 要 用 于 测 量 手 术 器 械 在 受 力 状 态 下 的 偏 移 变 化，这 可 以 帮 助 医 生 实 现 更 精 准 的手 术 定 位 和 切 割 操 作ATI、坤 维 科 技、鑫 精 诚、海 伯 森、蓝 点 触 控、埃 力 智 能 等康 复 机 器 人可 以 测 量 患 者 运 动 时 的 各 种 数 据，如 角 度、速 度、加 速 度、力 矩 和 路 径 等，使 得治 疗 师 有 可 能 从 中 发 现 数 据 与 治 疗 结 果 之 间 对 应 的 关 系。这 可 以 帮 助 医 生 全 面 评估 康 复 状 况 和 进 展，更 好 地 设 计 康 复 方 案外 科 手 术 机 器 人可 以 精 确 测 量 机 器 人 末 端 的 力 和 力 矩 信 息，以 确 保 手 术 器 械 在 精 度 和 灵 敏 度 方 面的 最 佳 表 现。这 对 于 完 成 高 难 度 手 术 和 精 密 手 术 非 常 重 要 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明15 资 料 来 源：高 工 机 器 人 微 信 公 众 号、MIR 睿 工 业 微 信 公 众 号、国 海 证 券 研 究 所1.3 六维力产业方兴未艾，全球三大阵营品牌搏击应用高地图：全球主流的六维力/力矩传感器厂商p 全球六维力品牌主要包括日韩、欧美和国产三大阵营，国产品牌与海外主流仍有差距。日韩品牌主要配套本土机器人本体厂商；欧美品牌可分为传统传感器生产商和知名的机器人末端工具生产商；国产品牌在串扰、抗过载能力及维间耦合误差等方面和海外主流品牌仍存在差距，近年来入局企业增加，且陆续有产品落地并进入产业化应用。p 中国市场逐步推进国产替代，国产品牌持续追赶海外品牌。根据MIR统计，中国市场第一梯队企业包括美国ATI及中国的宇立仪器、蓝点触控、坤维科技。历经多年追赶，国产品牌性能提升，市场份额增加，2022年中国协作机器人领域坤维科技销量位居榜首。日韩欧美中国图：中国市场六维力传感器厂商梯队分布图：2022年中国协作机器人行业六维力/力矩传感器市场格局 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明16目录二、人形机器人风起，六维力导入亟待提质降本增效2.1 面向人形机器人广阔赛道，产业推进核心硬件高效降本2.2 高精度力传感器或从选配走向标配，机器人智能化带领走向百亿规模2.3 六维力产业推广痛点显著，或随需求打开，突破曲线将较为陡峭 2.3.1 六维力提质：结构设计和解耦优化是主要的研究课题 2.3.2 六维力标定和检测是关键工序，相关设备构建产品壁垒 2.3.3 六维力降本：材料及人工成本占比高，推进MEMS等高效工艺开发 2.3.4 面向复杂多元应用场景，优化和明确六维力选型关键流程 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明17p 特斯拉引领人形机器人产业发展，未来具备广阔成长空间。2021年马斯克发布特斯拉人形机器人至今，机器人产品快速迭代，已可实现物品分类等复杂任务。据Markets and markets预测，全球人形机器人市场有望由2023年的18亿美元提升至2028年的138亿美元。p 机器人关节价值量大，核心硬件的高效降本十分迫切。解构特斯拉人形机器人，现阶段旋转关节、线性关节、灵巧手占据主要价值量，其中核心硬件包括谐波减速器、丝杠、空心杯电机等均有待进一步优化、降本，优质的国产企业或将跟随产业发展不断壮大。图：全球人形机器人市场有望由2023年的18亿美元提升至2028年的138亿美元表：现阶段特斯拉人形机器人硬件成本构成（未配置多维力情形）2023-2028 年 全 球 人 形 机器 人 市 场 复 合 增 速 有 望 达50.2%零部件 单位数量 单价（元）单机价值量（元）占硬件成本比例关 节旋 转 关 节 14电 机 1 3000 42000 12.5%谐 波 减 速 器 1 2000 28000 8.4%力 矩 传 感 器 1 700 9800 2.9%位 置 传 感 器 1 150 2100 0.6%交 叉 滚 子 轴 承 1 500 7000 2.1%向 心 止 推 滚 珠 轴 承 2 300 8400 2.5%线 性 关 节 14电 机 1 3000 42000 12.5%力 矩 传 感 器 1 700 9800 2.9%位 置 传 感 器 1 150 2100 0.6%行 星 滚 柱 丝 杠-共 计10 个1 10000 100000 29.9%T 型 丝 杠-共 计4 个1 1000 4000 1.2%灵 巧 手 2空 心 杯 电 机 6 1300 15600 4.7%编 码 器 6 200 2400 0.7%精 密 行 星 齿 轮 箱 6 500 6000 1.8%螺 纹 丝 杠 6 20 240 0.1%电 池 包 1 2500 2500 0.7%Autopilot摄 像 头8 350 2800 0.8%其 他 50000 14.9%硬 件 总 成 本（元）334740 100%资 料 来 源：Markets and markets、特 斯 拉 官 网、绿 的 谐 波 公 司 公 告、高 工 移 动 机 器 人 微 信 公 众 号、阿 里 巴 巴、百 度 爱 采 购、贤 集 网、国 海 证 券 研 究 所说 明：部 分 细 节 数 据/构 成 来 自 国 海 证 券 研 究 所 估 算/推 测2.1 面向人形机器人广阔赛道，产业推进核心硬件高效降本 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明18 资 料 来 源：智 星 崛 起 微 信 公 众 号、高 工 机 器 人 微 信 公 众 号、国 海 证 券 研 究 所图：机器人行业的机械臂柔顺控制技术分类p 机器人由自动化向智能化进化，力控要求提升，重视高精度力传感器的应用。目前在工业机器人领域，根据场景需要有不同的机械臂柔顺控制技术可以匹配，其中主动柔顺技术应用在力控精度要求高的场景，包括直接力控和间接力控。力觉传感器是机器人发展不可或缺的部分，尤其是在高精度场景下需要采用多维力传感器。此外，随机器人向智能化发展，机器人力控技术呈现出多信息融合（触觉、力觉和视觉等），主要通过配备的传感器（AI、视觉、力觉等）得以实现。机械臂柔顺控制主动柔顺被动柔顺直接力控间接力控电流环电流末端一维力传感器末端六维力传感器关节力矩传感器阻抗力控导纳力控与位置控制结合 力位混合控制将刚度项设置为0 拖动示教程序控制机器人：不具备外界信息的反馈能力，通过示教器控制机器人的行动感知型机器人：具有感知能力，带有视觉、力觉等传感器，依托传感器技术获得一定的环境感知能力，可以根据既定规则对环境变化做出响应，保证在适应环境的情况下完成工作智能型机器人：具有全感知能力，拥有更丰富的传感器，基于AI+视觉+力觉传感器，赋予机器人更强的自主感知、自主学习、自主决策与自主执行等能力，能适应外部对象、环境，协调工作2.2 高精度力传感器或从选配走向标配，机器人智能化带领走向百亿规模图：机器人由自动化向智能化进化 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明19 资 料 来 源：高 工 机 器 人 微 信 公 众 号、鑫 精 诚 传 感 器 官 网、国 海 证 券 研 究 所图：人形机器人中六维力传感器发挥重要作用p 人形机器人的发展浪潮中，六维力/力矩传感器将迎来重要成长机遇。当下六维力/力矩传感器已是机器人实现柔顺化、智能化控制的重要部分，可为机器人运动控制提供力信息，从而完成复杂、精细作业。在人形机器人中，六维力可搭载在手腕、脚踝、灵巧手等部位，可实现高精度力控、摆动稳定控制和安全控制等。我们预计特斯拉Optimus Gen2或应用六维力传感器，一方面机器人手臂通过六维力进行复杂的力控操作，实现对物品的抓取、装配或拍打等操作，另一方面脚踝搭载六维力感测机器人脚下地面反作用力，以便机器人控制系统可以调整人形机器人手臂和身体的姿态，从而在行走过程中保持平衡。应 用 场 景 用 途 及 特 点力 控机 器 人 手 臂 可 以 用 于 进 行 复 杂 的 力 控 操 作，比 如 对 物 品 的 抓 取、装 配或 拍 打 等 操 作，六 维 力 传 感 器 可 以 感 知 机 器 人 手 臂 施 加 在 物 品 上 的 力和 力 矩，以 便 机 器 人 控 制 系 统 进 行 精 密 控 制摆 动 稳 定 控 制人 形 机 器 人 的 行 走 过 程 中 需 要 保 持 平 衡，此 时 也 需 要 用 到 六 维 力 传 感器，它 可 以 感 测 机 器 人 脚 下 地 面 反 作 用 力，以 便 机 器 人 控 制 系 统 可 以调 整 人 形 机 器 人 手 臂 和 身 体 的 姿 态安 全 控 制六 维 力 传 感 器 可 以 用 于 安 全 控 制 系 统，以 实 现 机 器 人 在 进 行 危 险 操 作之 前 或 者 人 类 接 近 机 器 人 时 的 自 动 停 止，避 免 对 人 体 造 成 伤 害图：六维力传感器适用于人形机器人的手腕、脚踝、灵巧手等部位2.2 高精度力传感器或从选配走向标配，机器人智能化带领走向百亿规模 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明20资 料 来 源：坤 维 科 技 微 信 公 众 号、因 时 机 器 人 微 信 公 众 号、MIR 睿 工 业 微 信 公 众 号、国 海 证 券 研 究 所说 明：人 形 机 器 人 百 万 台 时 六 维 力 产 品 的 价 格 为 研 究 员 估 算/预 测 数 据图：六维力传感器在人形机器人上的应用位置及数量，单机应用量或达16个p 人形机器人的六维力单机应用量可达16个，百万台时规模或达216亿元。在需要实现高精度力控的场景下，我们预计人形机器人手腕及脚踝处共需4个六维力，双手共需12个六维力。市场规模方面，当前六维力价格仍十分昂贵，根据MIR预测，人形机器人起量或带动六维力产品价格快速下降，我们预计人形机器人100万台销售情形下，六维力市场规模或达216亿元（各部位加总数据）。手 腕 及 脚 踝 处 共 需 4 个 六 维 力 双 手 共 需 1 2 个 六 维 力 因 时 机 器 人 微 型 伺 服 电 缸 构 成部 位 数 量 单 台 价 格（元）销 量（万 台）市 场 规 模（亿 元）手 腕 2 3000 200 60脚 踝 2 3000 200 60灵 巧 手 12 800 1200 96表：人形机器人100万台销售情形下，六维力市场规模或达216亿元2.2 高精度力传感器或从选配走向标配，机器人智能化带领走向百亿规模 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明21 资 料 来 源：坤 维 科 技 官 网、六 维 力/力 矩 传 感 器 研 究 发 展 综 述_ 曹 会 彬、国 海 证 券 研 究 所图：典型六维力传感器的性能参数、尺寸及产业推广遇到的主要问题p 六维力/力矩传感器性能已有长足进步，面对未来人形机器人等领域拓展仍然亟待提质降本增效。六维力/力矩传感器在弹性体结构、信号处理、标定及解耦等技术方面取得显著进展，在机器人上也获得一定程度应用，但面对未来人形机器人等领域的广阔空间，仍然迫切需要提质降本增效。当下的主要产业推广痛点包括产品价格昂贵（外资产品单个产品均价在4万元左右，国产均价也在2万元以上）、选型困难、使用技术相对薄弱、在特殊领域如航空航天等国产品牌和海外差距大，以及仍然需要更高效的生产工艺等。产 业 推广 痛 点选型困难 使用问题 价格昂贵 特殊应用2.3 六维力产业推广痛点显著，或随需求打开，突破曲线将较为陡峭 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明22 资 料 来 源：多 维 力 传 感 器 研 究 现 状 及 其 小 型 化 存 在 的 问 题 与 对 策_ 汤 建 华、国 海 证 券 研 究 所图：多维力传感器的基本结构形式p 六维力的结构设计将直接影响产品的关键性能，不同结构的六维力各有特点，其中十字梁式应用较为广泛。六维力传感器一般是将敏感元件粘贴于传感器弹性元件的特定位置上制作而成。基于不同原理的六维力传感器弹性元件的结构设计相似，而结构设计直接影响到产品的灵敏度、线性度、维间解耦等关键性能，因此传感器的结构设计创新也是国内外研究的重点方面。整体而言，六维力传感器的基本结构形式包括十字梁式、柱式、梁-柱式和并联式等，近年来各类新型六维力的结构设计方案均是在基本结构上做的衍生设计。不同结构的传感器各有特点，目前十字梁式应用最为广泛。我们认为六维力的结构创新依然是重要方向，尤其是弹性体结构的优化设计，可渐进改善性能。十字梁式 柱式 梁-柱式并联式(S t e w a r t)具 有 结 构 对 称 紧 凑、维 间耦 合 小 和 易 于 实 现 温 度 补偿 等 优 点，但 也 存 在 动 态性 能 和 抗 过 载 能 力 较 差 的缺 点，是 目 前 应 用 最 广 泛的 一 种 结 构主 要 优 点 是 结 构 简 单、鲁 棒 性 好，与 十 字 梁 式 结 构 相 比，其 在 垂 直 方向 的 刚 度 更 好，但 也 存 在 垂 直 方 向灵 敏 度 相 对 其 他 方 向 较 低，侧 向 力和 侧 向 力 矩 之 间 存 在 一 定 耦 合 等 缺点，同 时 柱 式 结 构 的 传 感 器 为 了 保证 良 好 的 应 变 分 布 往 往 需 要 增 加 传感 器 高 度兼 有 十 字 梁 式 和 柱 式 结 构的 各 自 的 特 点，但 结 构 较为 复 杂，加 工 难 度 较 大，目 前 还 不 多 见有 Stewart 平 台 和 正 交 结构 两 种 形 式，其 中 以Stewart 平 台 结 构 最 为 常 见，其 具 有 刚 度 高，过 载 能 力强 等 优 点，但 是 结 构 复 杂，制 造 难 度 大，测 量 精 度 相对 较 差 等 缺 点 限 制 了 其 应用 领 域2.3.1 六维力提质：结构设计和解耦优化是主要的研究课题 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明23资 料 来 源：一 种 低 耦 合 高 精 度 六 维 力 传 感 器 设 计 及 应 用_ 宋 逸、Enhancement of Withstand Voltage in Silicon Strain Gauges Using a Thin Alkali-Free Glass、国 海 证 券 研 究 所图：研究中设计的一种应变片贴片及组桥方案示意p 解耦优化是另一重要的提质课题。串扰指标用来衡量多维力传感器各测量方向间的耦合影响，可以反映测量误差水平。通过结构设计优化可以降低弹性体的耦合变形，但结构上的连续性导致结构耦合变形不可完全避免。因此，需要进一步通过贴片位置调整和电桥组桥设计来消除耦合。理论上，通过合理的布片可以完全消除各个方向之间的耦合，从而提升产品性能。p 材料的制备和选用也将影响六维力的性能。有研究采用外延生长技术加工制造高性能硅应变计，可以改善外延层厚度的均匀性；在贴片工艺研究方面，力传感器弹性元件的小型化对粘接剂的要求提升，需要匹配新材料以降低对传感器性能的负面影响，是研究的重要课题之一。图：高性能硅应变片的制备工艺2.3.1 六维力提质：结构设计和解耦优化是主要的研究课题 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明24 资 料 来 源：坤 维 科 技 微 信 公 众 号、国 海 证 券 研 究 所图：六维标定&检测样本空间以及相应的标定及检测设备p 六维力传感器的标定和检测也是影响产品性能的重要工序。标定指通过对六维样本空间中的样本点进行精确加载，建立传感器信号与力和力矩的映射关系，获得解耦算法的数学模型和参数。实际情况下由于加工误差、贴片位置偏差等因素的存在，各方向之间仍然可能存在耦合，亦需要进一步标定确认。检测则可以评价传感器的标定效果。标定与检测需要的设备一样，采用六维联合加载设备，设备可以对力觉传感器实现正交三个方向力和三个方向力矩的同时精确加载，是高精度六维力传感器研发和生产的必要条件。但标定与检测样本点不同，检测样本点和标定样本点不重合，就可以通过在检测样本点上的测量结果来评价标定结果的优劣。六 维 标 定（黄 点）与检 测（紫 点）样 本 空 间分别来自德国、美国、以色列的六维力传感器标定及检测设备2.3.2 六维力标定和检测是关键工序，相关设备构建产品壁垒 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明25 资 料 来 源：坤 维 科 技 微 信 公 众 号、国 海 证 券 研 究 所图：六维力传感器的标定和检测相比一维力要求明显提升p 六维力传感器的标定、检测壁垒更高、难度更大。相比一维力传感器，六维力的标定&检测工作量更大、设备要求更高、理论基础更深。在设备方面，当前主要是由六维力传感器厂商自行研制，开发过程涉及空间光学定位、载荷位移补偿、机电一体化等多项综合技术、且十分依赖工程经验，目前国内设备与海外设备仍有差距。部分国产品牌已成功研发高精度六维联合加载设备，助力提升传感器产品性能。六 维 力 的 工 作 量 相 比 一 维 力 显 著 增 加 六 维 力 的 设 备 相 比 一 维 力 要 求 更 高六 维 力 的 理 论 基 础 相 比 一 维 力 更 加 深 厚2.3.2 六维力标定和检测是关键工序，相关设备构建产品壁垒 请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明26资 料 来 源：一 种 高 精 度 六 维 力 传 感 器_ 吴 美 贞 等、一 种 微 型 应 变 式 六 维 力 传 感 器 及 其 标 定 装 置_ 王 鹏 等、柯 力 传 感 招 股 说 明 书、国 海 证 券 研 究 所2.3.3 六维力降本：材料及人工成本占比高，推进MEMS等高效工艺开发图：一种高精度六维力传感器的爆炸图，材料成本中应变片占比高p 六维力传感器的研发壁垒较高，成本构成中应变片和人工成本占比较大。六维力开发的难度和壁垒高，在市场基数较小的当下价格昂贵，但一般来说成本在数千元，具有较高利润率。传感器成本构成包括材料、制造和人工成本，其中占比较高的是材料中的应变片和生产过程中的人工成本。根据齿轮传动微信公众号，每个六维力传感器通常需要使用约30-40个应变
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