灵巧手智能化基石传感器 乘人形机器人大风丨黄金眼

  作为人形机器人感知系统核心部件灵巧手智能化的基础，传感器逐渐站上了风口。

  2023年12月，特斯拉公开GEN2视频，超预期展示了机器人搭配全新的双手配置，动作更为灵敏，能够灵活抓握鸡蛋。机器人抓取3cm左右的圆形物体需要手部搭配压力传感器，更高执行精度甚至需配置微型的轴距齿轮或谐波减速器，以识别物体的硬度，并做出合理力度的抓握动作。

  2023年1月16日，马斯克在社会化媒体平台上发布特斯拉人形机器人二代GEN2的最新视频，仅过去一个月，视频中机器人已经在进行叠衣服的活动，灵巧手折衣服（衬衫材料柔软，要求更高的识别能力和控制能力）展示出优秀的力控能力和传感器精度。

  机器人灵巧手作为一种新型的末端执行器，在机器人与环境的交互中起着关键作用。自20世纪70年代起，国内外对灵巧手展开了大量研究，从三指到五指，从工业到生活，从简单的抓取到灵巧操作，以期解决复杂的实际作业问题。

  早期灵巧手多采用腱驱动系统与电机驱动，以日本“电子技术实验室”的Okada灵巧手、美国斯坦福大学的Stanford/JPL灵巧手、美国麻省理工学院和犹他大学联合研制的Utah/MIT灵巧手作为该领域研究初始阶段的典型代表，为后续仿人型多指灵巧手研究建立了理论基础。

  20世纪末，随着嵌入式硬件的发展，多指灵巧手的研究向着高系统集成度和丰富的感知能力提升的方向发展，进入了加快速度进行发展阶段。如德国宇航中心先后研制的DLR-Ⅰ和DLR-Ⅱ灵巧手，共集成了25个传感器，包括类似人工皮肤的触觉传感器、关节扭矩传感器、位置传感器和温度传感器等，使灵巧手在灵活性和感知能力方面都有显著提升。

  多指灵巧高系统集成的灵巧手具有灵活性和功能性的优势，但是复杂的系统导致了高额的制造成本并且降低了系统的可靠性和易维护性。因此近10年，多指灵巧手设计的一个重要方向是简化系统与提高稳定性。手的研究向着高系统集成度和丰富的感知能力提升的方向发展，进入了快速发展阶段。

  灵巧手发展历史资料来源：吕博瀚《空间机器人多自由度灵巧手关键技术探讨研究》、蔡世波《机器人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战》

  近年来，海外有代表性的灵巧手厂商包括SCHUNK、Shadow Robot、qb Robotics、Clone Robotics等；国内包括蓝胖子机器智能（dorabot）、因时机器人、腾讯RoboticsX实验室等也陆续公布灵巧手领域的相关这类的产品和研究成果。

  要知道的是，灵巧手作为人形机器人与外界交互的重要媒介，是机器人功能性的直接体现。这一方面决定了其在人形机器人体系中的主体地位，另一方面预示着五指灵巧手与人形机器人功能对应，在硬件层面可选的方案数量将大于其他部位；

  同时，五指灵巧手可以不依附于人形机器人而单独存在，如机械臂、远程操作手套、假肢等，这决定了五指灵巧手的远期市场容量的逐步扩大；再加上五指灵巧手作为一个功能单元，相较人形机器人别的部位，其自身零部件数量更多，硬件结构更复杂，需要集合整手的运动控制、末端传感、人机交互等，最终会造成五指灵巧手环节的竞争更加多层次，也容易演化成为单独环节，因此极具投资价值。

  根据因时机器人网上报价，单只灵巧手价格约为5万元，如果未来人形机器人销量到达百万台，对应灵巧手市场规模将达到1000亿元。此外，未来人形机器人可能会应用到各种场景，对应的灵巧手配置各不相同，机构预计单价也会有较大的差别，市场潜力很大。

  传感器是人形机器人感知系统的核心部件，是灵巧手智能化的基础。人形机器人传感器检验测试对象不同分为内部传感器和外部传感器。内部传感器：用来感知机器人的自身状态的传感器，比如位置、速度、加速度。外部传感器：用以感受机器人周围环境、目标物的状态信息的传感器，比如视觉、触觉、听觉、嗅觉、温度、力觉等。

  人形机器人要使用到多种传感器，包括力矩传感器，拉压力传感器、编码器、温度传感器、六维力传感器和惯导传感器等。其中，惯导传感器（IMU）是实现人形机器人姿态控制的核心，六维力传感器是力控、摆动稳定控制的核心，可精准测量随机变化的力。

  特斯拉OptimusGEN2人形机器人采用11自由度灵巧手和手指触觉传感器，响应更快，要实现捏鸡蛋的操作要使用到多种传感器的技术支撑，包括压力感知、触力感知和柔性微压力感知等。

  其中六维力/力矩传感器应用于人形机器人的手腕处和脚腕处，又以六维联合加载设备是高精度六维力传感器研发和生产的必要条件。柔性触觉传感器/电子皮肤可以在一定程度上完成与环境接触力、温度、湿度、震动、材质、软硬等特性的检测，是机器人直接感知环境作用的重要传感器。

  MEMS压力传感器具有易于批量生产、小型化、成本效益以及易于制造复杂结构的能力等优势，例如Superior Sensor Technology的MEMS压力传感器集成了包括先进的数字滤波、闭环控制和基于软件的压力开关等先进的功能，可提供精确的运动控制和灵活的物体操纵能力所需的基本内部扭矩和力的反馈。

  首先是六维力/力矩传感器，GGII多个方面数据显示，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，2023-2027年复合增长率超过60%，其中机器人行业销量有望突破42000套；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/力传感器市场规模1.56亿元，同比增长54.35%。2027年中国六维力/力矩传感器市场规模将超过15亿元，按照2022年机器人行业占比推算，预计2027年中国机器人行业六维力/力传感器市场规模将达到9.79亿元。

  目前，六维力和力矩传感器市场基数依然偏小，尚未形成明显规模效应。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/力矩传感器的增长空间仍在拓宽，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。

  触觉传感器是实现机器人智能感知和人机交互的核心器件。触觉传感器将触觉刺激转换为电信号送入机器人控制器，为机器人感知外界环境提供丰富的信息，如物体尺寸、形状、纹理、刚度、温度等特性，还能提供与他人的力触觉交互。

  柔性触觉传感器又称为“电子皮肤”，可以在一定程度上完成与环境接触力、温度、湿度、震动、材质、软硬等特性的检测，是机器人直接感知环境作用的重要传感器。柔性触觉传感器的特点有：像人皮肤一样具有柔韧性；在保证测量准确度和灵敏度的同时，可以在一定程度上完成任意弯曲变形、有弹性；能够覆盖在非规则、非平面的机器人本体表面，可扩展，分辨率高。

  根据智研咨询的数据，中国柔性传感器行业市场规模上涨的速度较快，2022年中国柔性传感器行业市场规模为21.12亿元，2017-2022年的CAGR为20.2%。在2022年中国柔性传感器产业链下游占比中，医药领域占比为40.05%，消费电子领域占比为36.22%，其他应用领域占比为23.73%。

  随着科技的慢慢的提升和应用领域的拓展，柔性传感器在消费电子、医疗保健、汽车、工业自动化等领域的广泛应用使全球柔性传感器行业市场规模也呈现逐年上涨态势，2022年全球柔性传感器市场规模为19.31亿美元，需求量为2.43万个，均价为7.95美元/个。

  MEMS传感器已慢慢的变成为时代新的风口。随机器人产业智能化的发展，MEMS传感器适应更加多元的应用场景，具备更复杂的动作信号采集与控制，极致状况下还可以使机器手臂配上有触觉感知的夹爪达到媲美人手的灵活程度。

  随着机器人的智能化程度逐步的提升，其中加载的MEMS传感器将慢慢的变多，据中国电子报数据，由于机器人的智能化程度不同，传感器等感知部分约占机器人总成本的10%到20%，机器人领域有望继消费电子、汽车之后，成为MEMS传感器的新兴的主要应用市场。

  汉威科技是国内气体传感器龙头，产品有传感器、智能仪表、智慧安全系统解决方案、智慧环保系统解决方案、智慧城市系统解决方案、公用事业。其子公司苏州能斯达在拓展柔性微纳传感器的应用场景，目前已建立了稳定的纳米敏感材料体系，掌握了柔性压阻、柔性压电、柔性温湿度、柔性电容四大核心技术。

  根据2023年中报，苏州能斯达订单金额持续不断的增加，应用领域不断拓展，柔性微纳传感器目前已在智能机器人领域有明确的应用，并与小米科技、九号科技、深圳科易机器人等积极开展业务合作，后续发展空间广阔。2022年3月，小米长江产业基金以1000万元对公司控股子公司苏州能斯达进行增资，增资后将持有苏州能斯达5.21%的股权。

  弘信电子子公司瑞浒科技深耕压力传感器领域，在标准电键传感器、多键标准传感器、压力按键定制模块以及家电、手机、电子烟、无线耳机和电动牙刷等多领域取得了不错成绩。瑞浒科技目前在柔性压力传感器、压力感应按键、应变薄膜等领域，已形成一定积累，产品开始产业化落地，未来也会开展其它品类的传感器和传感器相关芯片的研发。

  柯力传感是国内应变式传感器龙头，公司主要营业业务为研制、生产和销售应变式传感器（其中主要为应变式称重传感器）、仪表等元器件，目前是全球大型钢制传感器制造企业和工业物联网应用拓展引领者之一。

  公司开发了三维力、六维力等多维力传感器可用于机器手臂运动与工作载荷监测、曲面研磨抛光、加工中心精雕加工、医疗设施精密测控等，目前多维力系列新产品处于小批量试制阶段。公司市占率多年高踞国内力学传感器行业榜首，随着人形机器人产业逐渐成熟，六维传感器在机器人场景的应用有望成为公司新的增长点。

  苏试试验产品基于石墨烯的柔性应力振动传感器与人形机器人所需的触觉传感器技术同源，可直接将产品技术迁移至触觉传感器领域，且公司在传感器、检测等领域有深厚的积累和产业化经验，有望受益于人形机器人的发展。

  敏芯股份是我国MEMS传感器全产业链发展的企业，公司以芯片设计起家，目前主要产品线包括MEMS声学传感器、MEMS压力传感器和MEMS惯性传感器，是中国少有的拥有全产业链研发与全供应链体系国产化的MEMS企业，并掌握各环节的核心技术工艺，其中以MEMS声学传感器为主要营业产品。公司客户包括华为、传音、小米、三星、OPPO、联想、索尼、九安医疗、乐心医疗等。

  东华测试是国内结构力学测试仪器有突出贡献的公司，公司在持续推进传感器的研发，产品布局包括加速度传感器、速度传感器、位移传感器、应变传感器、转速传感器、压力传感器、各类缓变量传感器等，公司全资子公司江苏东华校准覆盖了东华测试全部仪器及传感器产品，并为客户提供第三方计量校准及检测服务。

  奥迪威是国内超声波传感器有突出贡献的公司，基本的产品包括传感器和执行器，且具备传感器芯片等核心部件的研发能力。公司积极布局汽车无人驾驶、机器人、智能触控等领域，压触传感器正与华硕、VIVO、小米等消费电子头部厂商合作。

  福莱新材是国内功能性涂布复合材料领军者，全资子公司欧仁新材料积极布局电子皮肤领域。浙江欧仁新材料技术总监杨晓明此前在电子皮肤（柔性传感器）有众多专利布局，如基于柔性压敏元件的拉伸传感器、一种柔性温度传感器及其制备方法、一种基于改性纸基的高灵敏度柔性压力传感器及其制备方法。不仅目前公司电子皮肤有技术积累和专人团队，后续重心也在针对应用端进行开发定制化产品。

  芯动联科是MEMS惯性传感器龙头，公司基本的产品为高性能MEMS惯性传感器，包括MEMS陀螺仪和MEMS加速度计，主要使用在于高端工业、高可靠领域和无人系统等领域，包括无人驾驶与无人机，涵盖5G通信、工业4.0、商业航天、无人驾驶、石油勘探、船舶等。

  公司是我国较早涉足高性能MEMS惯性传感器研发的半导体公司，拥有多年在MEMS领域的设计与工艺开发经验，目前已经掌握高性能MEMS惯性传感器的核心技术，高性能MEMS陀螺仪的核心性能指标已达到国际领先水平，是目前我国为数不多可稳定量产高性能MEMS惯性传感器的企业。

  高华科技是高可靠传感器标杆龙头，主要是做主营业务为高可靠性传感器及传感器网络系统的生产及销售业务，基本的产品为各类压力、加速度、温湿度、位移等传感器。公司MEMS技术逐步渗透压力传感器产业链全流程，并已经具备芯片自主设计能力。

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