20240708_中邮证券_机械设备行业力传感器：高价值量零部件人形拉动广阔需求空间_24页.pdf

证券研 究报 告：机械 设备|深度报告 2024 年 7 月8 日 市场有风险，投资需谨慎 请 务必阅读正文之后的免责条款部分 行业投资评级 强 于大 市|维持 行业基本情况 收盘点位 1212.59 52 周最高 1583.67 52 周最低 1090.08 行业相对指数表现（相对 值）资料来源：聚源，中邮证券研究所 研究所 分析师:刘卓 SAC 登记编号:S1340522110001 Email:研究助理:傅 昌鑫 SAC 登记编号:S1340123050006 Email:近期研究报告 出海系 列专题（2）：高空 作业平台-掘金欧美 市场，出海空 间广 阔-2024.07.01 力传感 器 高价值量零 部件，人形 拉动广阔 需求空间 投 资要 点 力 传 感 器 在 人 形 机 器 人 领 域 具 备 巨 大 增 量 应 用 空 间。以 特 斯 拉Optimus 为 例，力传 感器 能 助力人 形机 器人 实现 触觉 感知及 精准 操作，多维力 传感 器在 人形 机器 人领域 中主 要作 用有 三方 面：力 控制、平衡稳定控 制、安全 防护 控制。人形 机器 人上 会组 合使 用各类 力传 感器 以满足不 同的 控制 需求。其 中少部 分位 置已 经开 始使 用六维 力传 感器，它们在 不同 部位 的安 装可 以显著 提升 机器 人的 操作 性能和 稳定 性。预测 2027E/2030E 人形 机器 人产量 突破 20.27/122.36 万台时，人 形机器人领 域带 来力 传感 器的 增量市 场规 模 为 141.70/560.81 亿元。力传感器结构特点、行业 及市场格局解析。力 传 感 器是一 种检 测和 度量力/力 矩的装 置，由力 敏元件、转换 元件 和信号 处理单 元等 具体元件 组成，按 照测 量维 度的不 同，可以 分为 一维 至六维 力传 感器，最常见 的是 一维、三 维和 六维。根据 测量 原理 不同，可以分 为光 电式、应变式、电 容式、压 电式 等类型，应 变式 为主 流。力传感 器产 业链 上游主要 为材 料类、元器 件 及组件 类、生 产或 检测 设 备等细 分行 业，中游主要 为力 传感 器的 加工 制造和 封装 检测，下 游应 用领域 广泛，可 应用于工 业、消费 电子、汽 车电子、机 器人、医 疗、航空航 天等 领域。目前六 维力/力 矩传 感器 市 场基数 依 然 偏小，尚未 形 成明显 规模 效应。从价值 量较 高的 六维 力矩 传感器 市场 来看，国 外老 牌厂商 众多，但 受益于机 器人 市场 需求 催化，中国 市场 近年 来入 局者 也在逐 年增 加，国产厂商 正逐 步追 赶。六维力传感器的核心 技术 壁垒在于对精度、准度及 串扰性能的提升，未来降本空间 大。六 维 力传感 器不 光形 态多，研 发难度 也非 常大。其主要 性能 参数 包括：量 程、过 载能 力、分辨 率、重复精 度、串扰、准 度等，其中体 现六 维力/力 矩传感 器综合 性能 的关键 指标是 串扰、精度和 准度。降低 多维 力 传感器 耦合 误差 的策 略大 体上可 分为 结构 性解耦和 算法 性解 耦。为了 能够达 到更 高的 精度 和准 度，需 要在 传感 器标定和 检测 过程 中采 用六 维联合 加载 的方 式，然 而 六维联 合加 载设 备需自行 研制，技术 门槛 较 高。另外，六维 力传 感器 还存在 全方 位机 械过载保 护、温度 漂移 和稳 定性控 制、多通 道信 号及 实时数 据处 理和 传感器融 合等 技术 壁垒。六 维力传 感器 单价 较高，其 成本中 应变 片、人工成本 占比 较高，未 来有 望随着 市场 基数 扩大 从而 有效降 本。产业链相关标的：坤维科 技、宇立仪器、鑫精诚传 感器、柯力传感、昊志机电、安培 龙 风 险提 示：人形机 器人 规模 化不 及预 期风险；六维 力传 感器 技 术路径 变化 风险；产 品降 价程 度不 达预 期风险。-30%-26%-22%-18%-14%-10%-6%-2%2%2023-07 2023-09 2023-12 2024-02 2024-04 2024-07机械设备 沪深300 请务必阅读正文之后的免责条款部分 2 目录 1 人 形 机器 人 的触 觉 实现.4 1.1 力 传 感器 助 力人 形 机器人 实 现 触觉 感 知及 精 准操 作.4 1.2 力 传 感器 在 人形 机 器人中 的 具 体应 用.5 2 解 析 力传 感 器行 业.7 2.1 什 么 是力 传 感器.7 2.2 力 传 感器 的 具体 分 类.9 2.3 力 传 感器 产 业链 解 析.11 2.4 六 维 力传 感 器市 场 格局.12 2.5 六 维 力传 感 器的 核 心参数 及 技 术问 题.14 2.6 六 维 力传 感 器成 本 分析.19 3 产 业 链相 关 标的.20 4 风 险 提示.22 ZXBYzQsPmPqRtNoNqNpQmNaQcMbRnPoOpNtPiNoOqPeRsQmPbRpPvNvPtOsPvPsQnQ 请务必阅读正文之后的免责条款部分 3 图表目 录 图表1：Optimus 处理传递鸡蛋等精细物体.4 图表2：Optimus 在特斯拉工厂娴熟分装电池.4 图表3：多维力传感器 技 术应用.5 图表4：多维力传感器 适 用于人形机器人的关 节、手腕、脚踝、灵巧手 等部 位.6 图表5：人形机器人领 域 带来的力传感器增量 市场 情况测算.7 图表6：人形机器人具 身 智能架构.8 图表7：六维力矩传感 器 结构示意图.9 图表8：一维、三维、六 维力传感器作用示意 及产 品图.10 图表9：力传感器按测 量 原理分类.10 图表10：硅/金属箔电阻 应变式传感器在稳定 性、刚度、信噪比等多个 方面 具有优势.11 图表11：力传感器产业 链情况.12 图表12：2017-2027E 我 国六维力传感器销量 及同 比.12 图表13：2017-2027E 我 国六维力传感器行业 规模 及同比.12 图表14：全球六维力/力 矩传感器主流厂商.13 图表15：国内市场厂家 竞争格局情况.13 图表16：2023 年中国市 场六维力传感器厂商 营收 占比.14 图表17：2020-2023 国内市场内外资出货占比.14 图表18：对六维力矩传 感器产品的串扰指标 测定 情况.15 图表19：精度和准度的 统计意义.17 图表20：一维、六维力 传感器标定的样本空 间示 意图.17 图表21：六维力传感器 的样本空间（紫色-检测 样 本点；黄色-标定样本点）.18 图表22：美国（左）、德 国（中）、以色列（右）的 六维力传感器标定及 检测 设备.19 请务必阅读正文之后的免责条款部分 4 1 人形机 器人的 触 觉实现 1.1 力 传感 器助力 人形 机器人 实现 触觉感 知及 精准操 作 去年年 底，特斯 拉发 布 了 关于其 人形 机器 人Optimus 最新 的迭 代升 级，着重凸显 了 Gen2 在 操作 技能 上 的显著 提升。到今年 5 月，特斯 拉又 发布 了 Optimus在其工厂“打工”的演 示 视频，工 作中 Optimus 仅 依靠 FSD、2D 摄像 头、手 部的触觉和 力传 感器，就 能够 执行 较 为复 杂、精细 的操 作任务，其 先进 的力 感应 技术大大增 强了 它在 实际 应用 场景中 的灵 活性 和稳 定性。视频 中有 几处 亮点 同力 传 感器息息 相关：精准抓握：Optimus Gen2 能够轻 柔而 精确 地抓 取和 放下鸡 蛋，这展 示了 它 在精细操 作方 面的 卓越 能力。力传 感器 的应 用 使 得机 器人能 够感 知并 调整 握力，避免对易 碎物 品造 成损 害；物体传递：机 器人 能够 流 畅地将 物品 从一 只手 转移 到另一 只手，这一 过程 需要精确 的力 度控 制和 协调 能力。力传 感器 帮助 机器 人在转 移过 程中 感知 和调 整 力度，确 保物 品的 平稳 过渡；深蹲动作：Optimus Gen2 能够执 行标 准 的90 度深 蹲 动作，这要 求机 器人 的多个关 节协 同工 作，保持 身体的 平衡。力 传感 器在 此过程 中协 助机 器人 感知 身 体各部位 的受 力情 况，以维 持姿势 的稳 定；步态调整：机 器人 能够 根 据需要 调整 其行 走速 度，这表明 它具 备适 应不 同环境的能 力。力传 感器 在此 过程中 监测 足部 与地 面的 接触力 度，并帮 助机 器人 调 整步伐，以适 应不 同的 行走 条件；足部与腿部设计：Optimus Gen2 的足 部和 腿部 设计 模仿了 人类 的结 构，这使得它 能够 在多 变的 地形 上自如 行走。力 传感 器在 此帮助 机器 人感 知地 面的 质 地和凹凸 不平，从 而调 整步 伐和保 持平 衡。通过这 些展 示，Optimus Gen2 证 明了 其在 力控 制和 感 知方面 的先 进技 术，预示着未 来机 器人 在各 种工 作环境 中的 应用 潜力。图表1：Optimus 处理 传 递鸡 蛋 等精细 物 体 图表2：Optimus 在特 斯 拉工 厂 娴熟分 装 电 池 资料来源：澎湃 新闻，中邮 证券研究 所 资料来源：澎湃 新闻，中邮 证券研究 所 aeUJJRcs6zVzCkYB6U5kWEnPyPSCGvG90wyKf2tEx5sAWxFHOGnSzV/6i+3dBSxY 请务必阅读正文之后的免责条款部分 5 1.2 力 传感 器在人 形机 器人中 的具 体应用 多维力 测量 技术 属于 一种 多功能 平台 技术，它 能够 根据不 同的 应用 环境、负载需求、安装 条件、通信 方式、计 算能 力以 及动 力 学属性 等因 素进 行调 整，以适应各种 不同 的应 用场 景。在各个 领域 中，力传 感器 的形态 和特 性都 表现 出明 显 的差异。当前 六维 力传 感器 被广泛 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 疗康 复、科 研实验、机器 人和 自动 化 技术等领域。图表3：多 维 力 传感 器 技术 应 用 资料来源：宇立 仪器，赢富 仪器，测 恒电子，GGII，中邮证券研 究所 力传感 器可 以 按 照测 量维 度 分为 一至 六维 力传 感器，能测 几个 维度 就是 几 维力传感器。一维、三维和六维力传感器最常见，二维和五维的力传感器较少见。六维力 传感 器也 是维 度最 高的力 觉传 感器，它 能给 出最为 全面 的力 觉信 息，因 此六维力 传感 器的 技术 难度 和使用 难度 都相 对较 大。人形机 器人 领域，六 维力 传 感器已成 为高 性能 人形 机器 人的标 配，通 常安 装在 手 腕、脚腕、足底 或手 部，在运控规划、姿 态调 整、力 度 感知等 中起 到重 要作 用，以提升 手部 操作 的灵 活性 以及脚部行 走的 稳定 性，提升 人形机 器人 在复 杂环 境中 的自主 性和 适应 性，可以 实 现在碎石、地砖、厚地、草 坪等不 平整 地面 上稳 定快 速行走，通过 全新 的脚 掌 姿态控制算 法以 及柔 性自 适应 多种地 面。目前 特斯 拉Optimus、优必 选Walker X、达闼科技 的小 紫 XR-4、美 国 宇航局 的 Valkyrie 等，都 已采用 六维 力传 感器 来提 升机器人 的性 能。六维力 传感 器在 人形 机器 人领域 中主 要 作 用有 三方 面：请务必阅读正文之后的免责条款部分 6 力 控制要求 机 器人 的 手臂能 够精 准地 完成 如抓 取、组装 和轻 触等 细致 繁琐的力 控制 任务。六 维力 传感器 能够 检测 并反 馈手 臂对物 体施 加的 力和 扭力 并传输给机 器人 控制 系统，确 保“大 脑”能够 进行 准确 的调整。平衡 稳定控制在 人 形 机器人 行走 时，为了 维持 稳定性，六 维力 传感 器同样发挥 着关 键作 用。它能 够测量 机器 人脚 部受 到的 地面反 作用 力，使控 制系 统 能够相应 地调 整机 器人 的手 臂和身 体姿 态，以保 持平 衡。安全防护控制六 维 力 传感器 在安 全防 护系 统中 也扮演 着重 要角 色，能 够在机器 人执 行潜 在危 险操 作或人 类靠 近时 自动 触发 停止机 制，以防 止对 人员 造 成伤害。此外，人形 机器 人还 可能 使用三 维力 传感 器、关节 扭矩传 感器 或一 维拉 力 传感器，同时 有些 也会 用到 触觉传 感器、电 子皮 肤等。多维 力传 感器 的组 合使 用 是指，人 形机 器人 应用 上 同 时使用 三维 力传 感器、关 节扭矩 传感 器或 一维 拉力 传 感器，以 满足 不同 的控 制需 求。如 特斯 拉Optimus 目 前在各 类执 行器 中均 有应 用 一维或关 节扭 矩传 感器，未 来 可能 还会 在脚 趾部 位增 加一维 力传 感器，获 取更多点信息，以便 适应 更加 复杂 的地面 场景。除 了力 传感 器，人 形机 器人 还可 能集 成触觉传感 器和 电子 皮肤，以 提供更 全面 的环 境感 知能 力。图表4：多维 力 传感 器 适用 于 人形 机器 人 的 关节、手腕、脚踝、灵 巧 手 等部 位 资料来源：Tesla，中邮证券研究所 请务必阅读正文之后的免责条款部分 7 上图是 各类 力传 感器 在人 形机器 人各 部位 上的 应用 情况，其中 少部 分位 置 已经开始 使用 六维 力传 感器，目前 的比 例是 一台 人形 机器人 对 应4 个 六维 力传 感 器的需求 量。六维 力传 感器 在人形 机器 人中 扮演 着至 关重要 的角 色，它们 在不 同 部位的安 装可 以显 著提 升机 器人的 操作 性能 和稳 定性。例如，安 装在 手腕 部位 的 传感器能 够辅 助机 器人 进行 精细的 手部 操作，如 抓握、搬运 和装 配等 任务，极 大地增强了手部的灵活性和精确度。增强了机器人在需要柔顺控制场景中的适应性，使得机 器人 能够 更加 灵活 地与环 境互 动。同时，在 脚腕或 足底 安装 的六 维力 传 感器，让 机器 人在 行走 和平 衡控制 时能 感知 地面 的反 作用力，进 而调 整手 臂和 身 体姿态，从而 提高 行走 的稳 定性。六维力 传感 器所 提供 的数 据，对 于机 器人 的运 动控 制规划 同样 至关 重要，它们帮助机器人更有效地规划动作，避免碰撞和损伤。在机器人进行姿态调整时，这些传 感器 能够 提供 关键 的反馈 信息，确 保机 器人 能够保 持平 衡和 稳定。不 仅 如此，六 维力 传感 器赋 予了 机器人 对力 度的 感知 能力，在需 要精 确控 制力 度的 应 用中发挥着重要作用，使得人形机器人在与外界物体交互时能够更加精准和安全。通过这 些传 感器 的集 成应 用，人 形机 器人 的整 体性 能得到 了显 著提 升，无论 是 在工业自 动化 还是 服务 领域，都能 展现 出更 高的 效率 和可靠 性。图表5：人 形 机 器人 领 域带 来 的力 传感 器 增 量市 场 情况 测 算 资料来源：中邮 证券研 究所 预测 我们大 致估 计单 台人 形机 器人可 能应用 4 支六 维力 矩传感 器以 及 30 支（关节）一维力/力 矩传感器，后续随着人形机器人规模上量，单价较贵的六维力矩传感器有望实现快速降本。结合系列报告中对于人形机器人总需求的预测数据，可得人 形机 器人 量产 后有 望带给 多维 力传 感器 以 巨 大增量 空间，2027E/2030E 人形机器 人产 量突 破 20.27/122.36 万 台时，人 形机 器 人领域 带来 力传 感器 的增 量市场规 模 为141.70/560.81 亿元。2 解析 力 传感器 行业 2.1 什 么是 力传感 器 请务必阅读正文之后的免责条款部分 8 力/力矩/力觉传感器是一种检测和度量 力/力矩的装置，它能够将 作用在其上的力 转换 为电 信号 或其 他形式 的信 号，以 便于 信 息的收 集、传 输、处 理、分析和显示。这里 我们 将力、力矩、力 觉传 感器 统称 为 力传感 器，力 传感 器在 工 业自动化、机器 人技 术、医疗 设备、交通 运输 等多 个领 域都有 广泛 应用。图表6：人 形 机 器人 具 身智 能 架构 资料来源：中邮 证券研 究所 力传感器主 要包括本体单元和应变/形变检测系统两大部分，由 力敏元件、转换元 件和 信号 处理 单元 等具体 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。当 有力 作用 时，力 施加 于传感 器本 体单 元上，并 引 起本体 单元 的应 变或 形变，检测系 统（应变 片或 光学 系统）可感 知本 体的 应变 或形变，通 过电 路将 其转 化为相应电 压，继而 通过 测量 电压值 来表 征力 的大 小，并转换 成可 用输 出信 号，最终实现力 的测 量。在组成 元件 中，力 敏元 件 指力传 感器 中直 接感 受或 相应被 测量 的部 分，转 换元 件 指 力 传 感 器 中 能 将 力 敏 元 件 感 受 或 相 应 的 被 测 量 转 换 成 适 于 传 输 或 测 量 的电信号部分。例如应变式力传感器的力敏元件是弹性敏感元件（弹性体），常见的 弹 性 体 材 料 有 铝 合 金、合 金 钢 和 不 锈 钢，转 换 元 件 为 贴 在 弹 性 体 上 的 应 变 片（计），如电 阻应 变片，信 号处理 单元 一般 为电 路，包括漆 包线、PCB 板等，应 变片在电 路中 充当 电阻。请务必阅读正文之后的免责条款部分 9 图表7：六 维 力 矩传 感 器结 构 示意 图 资料来源：俊德 科技，中邮 证券研究 所 2.2 力 传感 器的具 体分 类 按照测 量维 度的 不同，可 以分为 一维 至六 维力 传感 器，每种 类型 的传 感器 根据其测 量的 力的 方向 和作 用点的 不同，适 用于 不同 的应用 场景：一维力传感器：这 种 传感 器只能 测量 沿一 个特 定方 向的力。适用 于力 的方 向和作用 点固 定不 变的 情况，例如简 单的 称重 或压 力测 量。代 表产 品有 称重 传感 器、压力传 感器 等。三维力传感器：能 够 测量 三个正 交方 向上 的力，通 常是 X、Y 和 Z 轴 方向。适用于 需要 测量 空间 中任 意方向 力的 场景，例 如机 器人的 力控 制。六维力传感器：是 一 种特 殊的力 传感 器，能 够同 时 测量三 个正 交力 和三 个正扭矩。这种传感器是维度最高的力觉传感器，能够提供最全面精准的力觉信息。六维力 传感 器适 用于 需要 精确控 制和 感知 复杂 交互 力的应 用，如机 器人 手术、精密装配、拖 动示 教等。最常见的是 一维、三维和六维力传感 器，二维（测量两个正交 方向上的力，通常是水平和垂直方向）、四维（在三维力传感器的基础上增加了对某一方向力矩的测 量）和五 维（测量 三个正 交力 和两 个正 交力 矩）的 力传 感器 较少。请务必阅读正文之后的免责条款部分 10 图表8：一 维、三维、六维 力 传感 器作 用 示 意及 产 品图 资料来源：坤维 科技，瑞思 特，中邮 证券研 究所 根据其 测量 原理 不同，力 传感器 可以 分为 光电 式、应变式、电容 式、压电 式等类型。每 种类 型的 力传 感器都 有其 特定 的优 势和 局限性，选 择哪 种类 型的 传 感器通常 取决 于应 用的 具体 需求，包 括测 量范 围、精 度、响应 时间、成本 和环 境 条件等。目前，市场应用的六维力/力矩传 感器大部分是基于应变式的测量。基于压电、电容 和光 学等 原理 测量的 传感 器有 一定 的理 论研究 和实 验，下游 尚未 得 到广泛应 用。随着 相关 研究 的不断 深入，不 同测 量机 理的传 感器 将会 发挥 自身 优 势被应用 到各 种场 合，进而 推动六 维力 传感 器向 多元 化方向 发展。图表9：力 传 感 器按 测 量原 理 分类 资料来源：GGII，中邮证券 研究所 请务必阅读正文之后的免责条款部分 11 应变式 力检 测器 是依 靠材 料在受 压时 产生 的形 变来 测量力 量的 装置。一 般 而言，应变 片（一 种敏 感元 件）被固 定在 基底 材料 表 面，当基 底因 受力 而发 生 形变时，应 变片 的电 阻值 会相 应改变，通 过监 测这 一电 阻变化，可 以确 定施 加的 力量大小。这 种传 感器 因其 出 色的稳 定性、高刚 性、高 信噪比、精确 度、经济 性 和操作便利 性，在工 业自 动化、机器 人技 术以 及多 种测 试设备 中被 广泛 采用。应变式 力传 感器 根据 应变 片的类 型，可 以划 分为 金 属电阻 型应 变片（如工 具钢、不锈 钢、铝 合金 或铍 铜等材 料）或 硅（半 导体）应 变片 力传 感器，后者 在性能上往 往更 优越。半 导体 应变片 因其 高灵 敏度 和迅 速的响 应速 度，在需 要精 细 测量微小 力量 的场 合中 极为 有用，如精 密仪 器、微电 子 设备和 生物 医学 工程 等领 域。而金属 应变 片则 因其 稳定 性和耐 用性，在 工业 环境 中的力 量测 量中 更为 合适。在挑选力 传感 器时，应 根据 具体的 应用 需求 和环 境条 件来决 定选 用哪 种类 型的 应 变片。例 如，如 果应 用场 景 需要在 高温 或恶 劣条 件下 工作，金属 应变 片可 能是 更佳的选择；若 需要 测量 微小 力 量或实 现高 精度 控制，则 硅 基应变 片可 能更 符合 需求。图表10：硅/金 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 资料来源：GGII，中邮证券 研究所 2.3 力 传感 器产业 链解 析 力传感 器的 设计 和制 造涉 及力学、材料 科学、电子 工程等 多个 技术 领域。以应变式 传感 器为 例，力传 感器产 业链 上游 主要 为材 料类、元器 件及 组件 类、生产或检测 设备 等细 分行 业，中游主 要为 力传 感器 的加 工制造 和封 装检 测，下游 应 用领域广 泛，可 应用 于工 业、消 费电 子、汽 车电 子、机器人、医疗、航空 航天 等领域。请务必阅读正文之后的免责条款部分 12 图表11：力 传 感 器产 业 链情 况 资料来源：柯力 传感招 股书，中邮证 券研究 所 2.4 六 维力 传感器 市场 格局 六维力/力矩传感器市场 基 数依然偏小，尚未形成 明 显规模效应。根据 GGII数据显 示，2022 年中 国市 场六维 力/力矩 传感 器销 量 8360 套，同比 增 长57.97%，其中机 器人 行业 销 量 4840 套，同 比增 长 62.58%。GGII 预 计，到 2027 年 中国 市场 六 维 力/力 矩 传 感 器 销 量 有 望 突 破 84000 套，其 中 机 器 人 行 业 销 量 有 望 突 破42000 套，复 合增 长率 超 过 54%；2022 年 中国 六维 力/力 矩传 感器 市场 规模 2.39亿元，同比 增长 52.04%，其中机 器人 行业 六维 力/力 矩传感 器市 场规 模 1.56 亿元，同 比增 长54.35%。GGII 预计，2027 年 中国 六维 力/力 矩传 感器 市场 规模 将 超过15 亿元，复 合 增 长率 超 过 45%。随 着入 局者 的持 续 增加，叠加 下游 细分 市场 认知的逐年提升以及应用领域的拓展，六维力/力矩传感器有望进入高速成长期，期间将伴随多技术路线产品矩阵的完善、产品价格的下降以及国产化率的提升。图表12：2017-2027E 我国 六 维力 传感 器 销 量及 同 比 图表13：2017-2027E 我国 六 维力 传感 器 行 业规 模 及同 比 资料来源：GGII，中邮证券 研究所 资料来源：GGII，中邮证券 研究所 请务必阅读正文之后的免责条款部分 13 从价值量较高的六维 力矩 传感器市场来看，国外老 牌厂商众多，但受益于机器人市场需求催化，中国 市场近年来入局者也在 逐 年增加。从 代表 企业 的分 布来看，全 球六 维力 传感 器主 要分为 日韩 地区、欧 美地区 和国 产地区 三 大阵 营，各阵营企业 呈现 不同 的配 套特 点：日韩地区：六 维力 传感 器 的制造 商 主 要配 套当 地机 器人本 体厂 商，如韩 国企业Robotous、Aidin Robotics 的 主要 合作 厂商 包括Doosan Robotics、Neuromeka和RainbowRobotics；日 本企 业 SINTOKOGIO 和 WACOH-TECH 的 主要 合作 厂商 包括发那科、电 装、三菱、那 智不二 越、安川 等，EPSON 的六 维力 传感 器则 主要 配套其自己 的 工 业机 器人 使用。欧美地区：六 维力 传感 器 的制造 商主 要分 为两 大类：一类 是传 统的 传感 器制造商，另一 类是 专注 于机 器人末 端执 行器 的厂 商。在传统 传感 器领 域，知名 的品牌包 括ATI、BotaSystems AG、ME-Mesysteme GmbH、AMTI 和Kistler 等。而 在机器人 末端 工具 领域，全 球领先 的制 造商 有SCHUNK、OnRobot 和Robotiq 等。欧美的六 维力 传感 器 制 造商 通常与 协作 机器 人的 生产 商进行 合作，其 中一 些知 名 的合作客户 包 括优 傲机 器人（Universal Robots）、达明 机器人（Daewoo Robotics）和欧姆 龙（Omron）等。中国地区：宇 立仪 器、坤 维科技、鑫 精诚 等位 于第 一梯队，各 家 厂 商下 游应用的侧重有所差异。宇立在工业机器人磨抛行业和汽车碰撞测试行业应用更多；坤维科技在协作、医疗手术/检测和康复 机器人领域具备明显优势，同时其产品在航空 航天 领域 具备 行业 核心竞 争力；鑫 精诚 凭借 苹果供 应商 的身 份已 将其 产 品推入 到 3C 行业，同 时在 机器人 行业 和医 疗行 业也 有布局。其他 国 产六 维力 传 感器厂商 也在 逐渐 成长，如 海伯森、蓝点 触控、神 源 生智能、瑞尔 特等，均 已 有相关产品 落地 并进 入产 业化 应用。其他 厂商 如重 庆鲁 班机器 人技 术研 究院、埃 力 智能等，通过自主研发力传感器技术，已经具备六维力/力矩传感器 的生产能力，部分产 品型 号开 始进 入下 游用户 的验 证测 试阶 段。图表14：全 球 六 维力/力 矩传 感 器主流 厂 商 图表15：国内市场 厂 家 竞争 格 局情 况 资料来源：GGII，中邮证券 研究所 资料来源：GGII，中邮证券 研究所 ATI 请务必阅读正文之后的免责条款部分 14 外资六维力矩传感器 厂商 在国内市场占据主导，国 产厂商逐步追赶。根据共研产业 咨询 数据 来看，国 内 市场六 维力 传感 器市 场集 中度较 高，CR5 占比 超过 50%。其中 ATI（美国）占 据绝 对龙头 地位，份 额占 比 为 22.4%，其 次是 宇立 仪器（中国）占 比12.2%、Epson（日本）占 比 6.4%、蓝点 触 控（中国）占 比 4.8%、坤 维科技（中国）占 比4.7%。目前，国 产六 维力 传感 器 与外资 主流 产品 在精 准度 方面已 基本 对齐，但在 灵敏度、串扰、抗过 载能 力 及维间 耦合 误差 等方 面仍 存在差 距，且真 正具 备批 量化产品供 应能 力的 厂商 依然 偏少。近几 年国 内品 牌凭 借供应 链优 势进 一步 降低 成 本，在保证 性能 的同 时提 供价 格更低 的产 品以 及优 质的 服务，国产 化率 逐步 提升。但目前国 产厂 商市 场份 额仅 仅略高 于30%，国内 六维 力传感 器市 场仍 以外 资品 牌 为主，外 资品 牌在 产品 和应 用上占 有较 大先 发优 势。图表16：2023 年中 国 市场 六 维力 传感 器 厂 商 营 收 占比 图表17：2020-2023 国内 市 场内 外 资出 货 占 比 资料来源：共研 产业咨 询，中邮证券 研究所 资料来源：共研 产业咨 询，中邮证券 研究所 2.5 六 维力 传感器 的 核 心参数 及技 术问题 六维力传感器不光形 态多，研发难度也非常大。它 并非 三个 一维 力传 感器 和三个扭 矩传 感器 结构 的简 单叠加，其 非线 性力 学特 征明显，需要 考 虑多 通道 信 号的温漂、蠕变、交叉 干扰、数 据处 理的 实时 性，再 叠加 六 维联 合加 载标 定的 复 杂性，六 维力 传感 器的 技术 难度可 谓是 一维 力传 感器 难度的 六次 方，其 能 给出 的 全面力觉 信息 以及 传感 精度 的提升，并 非是 多个 低维 的力传 感器 可替 代的。六维力传感器的主 要性能参数包括：量程、过载能力、分辨率、重复 精度、串扰、准度等。测量范围（量程）是指 传感 器能 够测 量 的最大 力量 和力 矩的 范围。选择传 感器 时，需要 确保 其量程 能够 覆盖 预期 的最 大力量 和力 矩；过载能力 用来表明传 感器 在不 会导 致传 感器损 坏或 性能 下降 的前 提下，能够 承受 的最 大力 量 和力矩超 过其 额定 量程 的程 度。过 载能 力对 于确 保传 感器在 意外 或极 端条 件下 的 耐 请务必阅读正文之后的免责条款部分 15 用性非 常重 要；分辨率是 传感器 能够 检测 的最 小力 量或力 矩变 化。对 于需 要 精细力控制的应用，高分辨率 的传感器是必要的。体现六维 力/力 矩传感器 综合性能的关键指标是串扰、精度 和准度。一）串扰：衡量多维力传 感器各测量方向的力 间的 耦合干扰，是反 映六维力传感器制造、标定水 平的 核心指标之一。六 维 力传 感器能 够同 时测 量三 个空 间方向上的 力（Fx、Fy、Fz）和 绕这三 个方 向的 力矩（Mx、My、Mz），提 供了 一个 完 整的力和 力矩 的矢 量描 述。由于力 是矢 量量，具 有大 小和方 向，六维 力传 感器 能够准确测 量力 的方 向，而不 受力作 用点 变化 的影 响。对于各 个测 量维 度上 传感 器 之间存在 的耦 合误 差，由作 为 六维 力传 感器 核心 指标 之一的 串扰 来计 量，低串 扰 意味着传 感器 在测 量时 各方 向之间 的干 扰较 小，这对 于精确 测量 至关 重要。比较优 秀的 串扰 指标 在 1%FS 左 右，2 到5%FS 比较 常 见。以 六维 力传 感器 为例。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，能 够形 成一个 表格。图表18：对 六 维 力矩 传 感器 产 品的 串扰 指 标 测定 情 况 资料来源：坤维 科技公 众号，中邮证 券研究 所 载荷组 1 中，仅 仅对 Fx 方向加 载到 额定 载荷，并 且假设 加载 方向 和载 荷 值是非常 准确 的，所 以 Fx 是 100%FS，其 它方 向是 0%FS。表 格右 侧 Fy、Fz、Mx、My、Mz 的 测量 结果 就是 在Fx 作 用下 的串 扰。因为此 时 Fy、Fz、Mx、My、Mz 的理论真值 都是 0。Fy、Fz、Mx、My、Mz 测 量结 果就 体 现了 Fx 对 其它 五个 测量 方 向的耦合 干扰 情况。同 理，载 荷组 2-6 中 的测 量结 果，分别体 现了 在单 独加 载 Fy、Fz、Mx、My、Mz 时，各 自 对其它 测量 方向 造成 的耦 合干扰 情况。多维 力传 感 器的厂商往 往选 择表 格中 的最 大串扰 值作 为 其datasheet 中的 串扰 指标。降低多维力传感器耦 合误 差的策略大体上可分 为两 种，结构性解耦和算法 性解耦。结构 性解 耦涉 及对 传感器 的构 造和 材料 进行 调整，以及 提升 制造 工艺，从 请务必阅读正文之后的免责条款部分 16 根本上 着手 解决 耦合 问题，如采 用并 联型 传感 器设 计。理 论上 结构 性解 耦能 够 实现完全 的解 耦效 果，但在 实践操 作中，无 论传 感器 的物理 结构 如何 经过 优化，都难以达 到对 所有 负载 的完 美解耦。因 此，为了 彻底 分离力 和力 矩在 三个 方向 上 的耦合，必须 借助 数学 模型 的辅助，也 就是 算法 性解 耦。算 法性 解耦 亦称 为软 件解耦，通 过应 用恰 当的 算法 来确定 六维 力传 感器 的输 入与输 出之 间的 关联。实 现 软件解耦 的途 径主 要有 两种：首先 是线 性解 耦，其中 最小二 乘法 是最 普遍 采用 的 方法；其 次是 非线 性解 耦，适用于 那些 线性 解耦 方法 无法应 对的 复杂 情况，常 用的技术包 括机 器学 习算 法，如 BP 神经 网络、随 机森 林和极 限学 习机 等。通过 将 传感器的 八通 道输 出信 号输 入到这 些机 器学 习模 型中，可以 准确 计算 出各 个方 向 的力和力 矩。由于 传感 器结 构和电 桥电 路的 非线 性特 性，最 小二 乘法 得到 的解 可 能存在较 大误 差，因此 在工 业应用 中，更倾 向于 使用 非线性 解耦 算法 来提 高解 耦 的准确性。多维力传感器的串扰 指标，只能大概表明产品的 耦 合干扰情况。为了准确 描述六维力传感器的测 量误 差水平，一般建议使 用精 度和准度两个指标。二）精度：这个 参数反映 了传感器在多次测量 同一 值时的一致性。高 重 复精度意味 着传 感器 在连 续测 量中提 供的 结果 更加 稳定 和可靠；准度：准度是传感器测量值与实际值之间的差异的综合体现，包括了滞后、线 性度和蠕 变等误差 因素。高准度的传感器能 够提 供更接近真实值的测量结 果，是评价 传感 器性 能的 关键 指标。精度的 测定 过程 需要 在一 致的环 境条 件下，对 传感 器在额 定负 载范 围内 反 复施加同 样一 组负 载，然后 计 算这些 测量 值的 标准 偏差，并将其 除以 传感 器的 量程。而准度 的测定 则 是通 过施 加多组 不同 方向 的联 合负 载给传 感器，随 后计 算传 感 器的测量 值与 理论 真实 值之 间的标 准偏 差，并同 样除 以量程。精度和 准度 的检 定过 程中，都需 要对 多维 力传 感器 以其最 高测 量维 度进 行 联合加载。例 如，对于 六维 力传感 器，每组 检验 载荷 都必须 是 Fx、Fy、Fz、Mx、My及 Mz 的随 机组 合。这样 获得的 精度 和准 度，可以 很清晰 的评 价传 感器 各测 量 方向在量 程范 围内 的测 量误 差 水平，比 串扰 指标 更为 实用。举个 例子，如果 说 六维力传感 器产 品的 准度 优于 0.5%FS，对 于 Fx 的 测量 结 果，在 测量 过程 中不 论 Fy、Fz、Mx、My 及 Mz 以 什么 样比例 和绝 对值 对 Fx 进 行 干扰，Fx 的测 量结 果与 理 论真值的 偏差 在 0.5%FS 以 内。对 于其 它五 分方 向来 说也是 如此。准 度其 实涵 盖了滞后、线 性、蠕 变等 误差 因素，更 能体 现产 品的 综 合性能，是多 维力 传感 器 最为核心的 技术 指标 之一。请务必阅读正文之后的免责条款部分 17 图表19：精 度 和 准度 的 统计 意 义 资料来源：坤维 科技公 众号，中邮证 券研究 所 六维力传感器生产制 造过 程中需要经过标定和 检测 两个环节，以实现高 性能的精度和准度。标 定 是指 通过加