2024人形机器人传感器行业报告：感知技术新篇章
1、传感器：核心的感知部件
1.1、人形机器人中，感知器件至关重要
传感器是人形机器人中核心的感知部件，可以类比做人的感觉器官。传感器是能够感应各种非电量（如物理量、化学量、生物量），且按照一定的规律转换成便于传输和处理的另一种物理量（一般为电量）的测量装置或器件。传感器通常由敏感元件和转换元件组成，其中敏感元件是指传感器中直接感应被测量的部分，转换元件是指传感器能将敏感元件的输出转换为适于传输和处理的电信号部分。
1.2、敏感元件和转换元件是传感器的重要组成部分
传感器由敏感元件、转换元件及转换电路构成。
敏感元件是指传感器中能直接感受（或响应）被测量的部分。在完成非电量到电量的转换过程中，并非所有的非电量都能利用现有手段直接转换成电量，往往需要先将其变换为另一种易于变成电量的非电量，然后转换成电量。例如，传感器中各种类型的弹性元件，常被称为弹性敏感元件。转换元件是指能将感受到的非电量直接转换成电量的器件或元件。例如，光电池将光的变换量转换为电动势，应变片将应变转换为电阻等。转换电路是指将无源型传感器输出的电参数量转换成电量。常用的转换电路有电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器、脉冲调宽电路等，它们将电阻、电容、电感等电参数转换成电压、电流或频率等电量。
1.3、传感器的类型多种多样
传感器可以按照输入量、转换原理、输出信号、输入和输出的特征、能量转化方式、应用范围等多种方式分类。例如，按照输入量，可分为物理量、化学量、生物量传感器；按照转换原理，可分为结构型、物性型、复合型传感器；按照应用范围，可分为位置、力、液面、能耗、速度、温度等传感器。
电阻应变片主要分为电阻丝式应变片、箔式应变片、半导体式应变片三类。
电阻丝式应变片的敏感元件是丝栅状的金属丝。电阻丝是应变片受力后引起电阻值变化的关键部件，它是一根具有很高电阻率的金属细丝，直径约为0.01～0.05mm。由于电阻丝很细，故要求电阻丝材料具有电阻温度系数小、温度稳定性良好、电阻率大等特性。箔式应变片的工作原理和结构与丝式应变片基本相同，但制造方法不同。它采用光刻法代替丝式应变片的绕线工艺。相较于丝式应变片，箔式应变片允许电流大、柔性好、疲劳寿命长、在大批生产时电阻值离散度小、生产效率更高。半导体式应变片以半导体单晶硅条作敏感元件。半导体式应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。半导体应变片具有灵敏度高、频率响应范围宽、体积小、横向效应小等特点，这使其拥有很宽的应用范围。但同时它也具有温度系数大、灵敏度离散大以及在较大变形下非线性比较严重等缺点。
1.4.2、电容式传感器电容式传感器
是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。它具有结构简单、动态响应快、易于实现非接触测量等突出优点，能够在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。电容式传感器广泛应用于压力、压差、液位、振动、位移、加速度、成分含量等物理量的测量中。
1.4、常见的传感器类型
1.4.1、电阻应变式传感器
电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻的变化，实现电测非电量的传感器。传感器由在不同的弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成，当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的形变引起应变敏感元件的电阻值变化，通过转换电路将电阻值的变化转换成电量输出，从而反映被测物理量的大小。电阻应变式传感器是目前在测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数中应用最广泛的传感器之一。
电阻应变片简称应变片，是一种能将试件上的应变变化转换成电阻变化的传感元件，其转换原理是基于金属电阻丝的电阻应变效应。所谓电阻应变效应是指金属导体（电阻丝）的电阻值随变形（伸长或缩短）而发生改变的一种物理现象。
电容式压力传感器实质上是位移传感器，当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时，所形成的两个电容器中一个电容量增大、另一个减小。该电容量的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化，从而实现了对压力或压力差的测量。电容式加速度传感器同样是对位移的感知，当传感器壳体随被测对象沿垂直方向做加速运动时，质量块由于惯性作用，相对于壳体做相反方向的运动，从而产生正比于加速度的位移变化。此位移使两个固定极板与两个动极板间的间隙发生变化：一个增加，另一个减小，从而使上下两个电容产生大小相等、符号相反的变化。通过一定的测量电路，便可以测量出该加速度的大小
1.4.3、电感式传感器电感式传感器
是利用电磁感应原理，将被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，实现由非电量到电量转换的装置。电感式传感器具有结构简单，工作可靠，测量力小，分辨率高，输出功率大以及测试精度好等优点。但同时它也具有频率响应较低，不宜用于快速动态测量等缺点。电感式传感器主要由衔铁、铁芯、线圈三部分构成。传感器测量物理量时衔铁的运动部分产生位移，导致线圈的电感值发生变化。
1.4.4、压电式传感器压
电式传感器是利用某些物质的压电效应制作的传感器。某些介质材料在受力作用下，其表面会有电荷产生。根据这种现象制成的压电式传感器，是一种有源的双向机电传感器，具有体积小、质量小、工作频带宽等特点。压电元件是一种典型的力敏元件，能测量最终可变换为力的各种物理量，如压力、加速度、机械冲击和振动等。因此，在声学、力学、医学和宇航等许多部门都可见到压电式传感器的应用。压电材料可以分为三大类：压电晶体（包括石英晶体和其他单晶体材料等）、压电陶瓷、新型压电材料（如压电半导体、有机高分子材料等）。
1.4.5、压阻式传感器
压阻式传感器是利用固体的压阻效应制成的传感器。固体受到力的作用后，其电阻率（或电阻）就要发生变化，这种现象称为压阻效应。所有的固体材料都有这个特点，其中以半导体材料最为显著。当半导体材料在某一方向上承受应力时，它的电阻率发生显著变化，这种现象称为半导体压阻效应。压阻式传感器主要用于压力、加速度和载荷等参数的测量，因此分别有压阻式压力传感器、压阻式加速度传感器和压阻式载荷传感器等。压阻式传感器又分为两种类型：一类为粘贴型压阻式传感器，它的传感元件是用半导体材料电阻制成的粘贴式应变片；另一类为扩散型压阻式传感器，它的传感元件是利用集成电路工艺，在半导体材料的基片上制成的扩散电阻。
1.4.6、MEMS传感器
MEMS（Micro-Electro-Mechanical System），即微型机电系统，由尺度上是微米量级的结构件、可动件、电子元器件及其组合组成。该系统把电子功能、机械功能、光学功能、智能功能和其他功能融合形成一体。MEMS传感器中的核心元件一般包含两类：一个传感器和一个信号传输单元。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。
2、力传感器：精细感知的重要依靠
2.1、应变式力传感器应用最广
力/力矩传感器是一种能感知力、力矩并转换成可用输出信号的传感器。主要包括本体单元和应变/形变检测系统两部分。力/力矩传感器的核心原理是将力作用下的形变转换成电信号。当有力/力矩作用时，力/力矩施加于传感器本体单元上，并引起本体单元的应变或形变，检测系统可感知本体的应变或形变，通过电路将其转化为相应电压，通过测量电压值来表征力/力矩大小，并转换成可用输出信号，实现力/力矩的测量。
按照测量原理，力/力矩传感器可以分为光电式、应变式、电容式、压电式等多种类型。这其中，应变式力/力矩传感器是当前技术最为成熟、应用最广泛的传感器类型，具有结构简单、制作容易、价格低廉等优点。
2.2、六维力传感器壁垒最高
按照测量维度，力/力矩传感器可以分为一至六维力/力矩传感器。一般传感器能测几个维度，就是几维传感器。一维、三维和六维力/力矩传感器最常见。对于六维力/力矩传感器而言，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/力矩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/力矩传感器的内部算法，会解耦各方向力和力矩间的干扰，使力的测量更为精准。这类传感器更适用于参考点的距离较远，且随机变化情景，测量精度要求较高。
六维力传感器在机器人中有广阔应用空间。在机器人应用领域，六维力/力矩传感器是机器人实现柔顺化、智能化控制的重要组成部件，为机器人的力控制和运动控制提供了力信息，从而对完成一些复杂、精细的作业，实现机器人智能化起着重要作用。
2.3、市场空间广阔，六维力传感器加速增长
力矩传感器当前的全球市场规模超过500亿元。根据Research andMarkets的数据，2022年，全球市场力矩传感器销售规模为75亿美元，预计2023年全球市场力矩传感器销售规模为80.6亿美元，2030年将达到134亿美元，2023-2030年的CAGR为7.5%。
六维力/力矩传感器步入加速增长期。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%，其中机器人行业销量4840套，同比增长63%。GGII预计，到2027年中国市场六维力/力矩传感器销量有望突破8.4万套，2022-2027年的CAGR超过60%，其中机器人行业销量有望突破4.2万套。根据GGII数据，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%，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%。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，2022-2027年的CAGR超过45%。
2.4、设计、标定与算法筑起壁垒
结构设计、标定与检测、算法设计是六维力/力矩传感器领域的三大壁垒。结构设计：兼顾高灵敏度、高动态性能和低维间耦合的原理和结构创新是当前电阻应变式多维力传感器研制中面临的一大挑战。高灵敏度要求应变测量区域的刚度尽可能小而易于产生应变，而高动态性能则通常要求整个结构的刚度尽可能大。此外，结构上的连续性导致弹性体各区域之间在受外载荷时不可避免地会产生耦合变形（应变），进而可能导致耦合输出。因此，对于六维力/力矩传感器而言，结构设计至关重要。
标定与检测：标定指通过对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。六维力/力矩传感器需要对六维样本空间进行标定，难度远高于一维传感器。主要体现在样本空间更大、标定设备更复杂、数学模型理论基础更深三个方面。
算法设计：六维力传感器的内部算法，会解耦各方向力和力矩间的干扰，使力的测量更为精准。高精准度的军用六维力传感器，可以确保在六维度联合承载的情况下，测量值偏差在量程的0.3%FS以内。
2.5、国外企业具有先发优势，中国公司加速追赶
在竞争格局上，受益于机器人市场需求催化，中国六维力/力矩传感器市场近年来入局者逐年增加，坤维科技、鑫精诚、宇立仪器、蓝点触控等国内企业先后进入该领域，并在机器人、汽车、3C等应用领域上占据了一席之地。ATI、SCHUNK等海外企业作为全球龙头，积累多年，仍旧有明显的领先优势。
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