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机器人外部感知能力需求提升，传感器为发展重点。人形机器人产业发展速度快，特斯拉Optimus、Figure、优必选等国内外机器人性能持续提升，有望步入量产阶段。对于人形机器人商业化而言，机器人内部与性能相关的力感知能力和与外部交互相关的触觉、视觉、听觉能力都极为关键，直接影响机器人可使用的范围。机器人各精密加工零部件国内产业链逐步走向成熟，传感器有望成为下一国产替代重点。
本文主要内容：
中国人形机器人产业发展概况
力/力矩传感器
触觉传感器
IMU惯性传感器
视觉传感器
1 人形机器人传感器概况
1.1 中国机器人市场空间广阔
人形机器人技术高速迭代，产业落地指日可待。近年来人形机器人行业发展迅速，以特斯拉人形机器人为例，自特斯拉于2021年宣布进入人形机器人领域以来，特斯拉机器人Optimus已经具备独立行走、视觉定位、精准施力等能力，目前已经在工厂进行工作测试，进化速度快，并有望快速实现量产。除此之外，国外Figure机器人、波士顿动力机器人，国内优必选机器人、宇树机器人等也在持续提升性能中。随着各类人形机器人性能的不断精进，人形机器人商业化速度正在加快。
中国机器人产业日益蓬勃发展，市场空间广阔。据IFR（国际机器人联合会）统计，中国拥有全球机器人最大的市场，2022年工业机器人销量约占全球市场总额的52.5%。中国机器人销售总额从2017年的64亿美元增长到2021年的142亿美元，CAGR达22.05%，预计2024年全国机器人产业市场规模可达251亿美元，是未来产业的新赛道。
1.2 传感器是机器人迈向智能化的基础
人形机器人的运行离不开传感器。机器人在工作过程中，通过特殊的设备感知关键状态、经过微处理器、计算机或神经网络处理分析后，交由机械臂、轮子或推进器等移动装置或加热设备、制冷设备等非移动装置执行相关工作。用于感知外部状态或机器人自身状态的设备被称为传感器。它能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件感知并测量外界物理变化，并产生信号，转换元件通过将敏感元件传输的信号转换为电信号，实现信号的获取与输出。
传感器是人形机器人迈向智能化的基础。在人形机器人在智能化发展过程中，不断对感知、交互、运动和控制等多个模块提出更高要求，而传感器在这些模块中发挥着重要作用。如特斯拉Optimus广泛使用高精度传感器，收集大量数据的同时，实现复杂的动作控制和环境感知。要提高人形机器人智能化水平，必然要求提升传感器应用程度与控制精度。
1.3 政策助力人形机器人
国家发布众多政策鼓励人形机器人行业发展。2023年工业和信息化部等十七部门印发《“机器人+”应用行动实施方案》，加快推进机器人应用拓展，目标是2025年制造业机器人密度较2020年实现翻番，服务机器人、特种机器人行业应用深度和广度显著提升。2023年8月发布《关于组织开展2023年未来产业创新任务揭榜挂帅工作的通知》，特别推出人形机器人揭榜挂帅任务榜单，核心基础包括力传感器、MEMS传感器和触觉传感器等。
同年10月，工信部印发《人形机器人创新发展指导意见》，要求夯实基础部组件，聚焦人形机器人专用传感器，突破视、听、力、嗅等高精度传感关键技术，提升环境综合感知能力。加速人形机器人低成本、灵活部署应用。
1.4人形机器人多类传感器具备突破潜力
国内外多款人形机器人推出并更新迭代，其中传感器变化明显，为人形机器人实现更多功能提供可能性。 根据下表中我们对人形机器人各类传感器的价值量以及用量进行的测算，预计一整台人形机器人的传感器成本约为23.8万元，如以目前样机阶段一台人形机器人价值量55万元进行测算，则各类传感器合计在人形机器人中成本占比在43%左右。
2 力/力矩传感器
2.1 力/力矩传感器测量力感信息，奠定机器人控制基础 力/力矩传感器是测量机器人末端操作器和外部环境相互接触或抓取工件时所承受力和力矩的传感器，为机器人的力控和运动控制提供了力感信息，从而对完成一些复杂、精细的作业，实现机器人智能化其着重要作用。
根据所测力的维数不同，力传感器可被分为单轴力传感器和多轴力传感器。常见的有一维、三维和六维传感器，其中后两者属于多轴力传感器，且测量维数越多，收集数据越多，测量结果越精确，研发难度越大。
六维力传感器，是测量方向和作用点都在三维空间中随机变化的力的传感器。空间中的力对一个点的作用可分解为三个方向的力（Fx，Fy，Fz）和这三个方向的力矩(Mx，My，Mz)，六维力/力矩传感器能同时检测三维空间的全部力信息，即三个力分量和三个力矩分量，是多维力传感器中最完备的形式。但存在维间耦合的问题，对传感器测量精度产生严重影响，需要采用非常复杂的解耦技术减小耦合误差得到准确测量结果。 
力传感器根据其特点和功能，被使用在人形机器人的不同部位。人形机器人直线关节部分需要感知的受力情况相对简单，可以使用一维力传感器，我们预计在直线关节部分使用14个。手部关节可能使用一维力传感器或力矩传感器12个。旋转关节部位由于产生转动，需要使用力矩传感器，预计使用14个。机器人手腕与脚踝部位由于对力控要求高，力臂变化大，一维、三维力传感器难以满足需求，故使用六维力传感器，预计一共需要使用4个。
2.2六维力传感器技术路线
根据敏感元件的种类，六维力传感器可分为电阻应变式、压电式、电容式、光学式四类。
2.3 力传感器国产替代率 六维力传感器出货规模目前较小。根据MIR睿工业，2023年中国六维力传感器出货量不足万台，出货规模刚刚突破2亿元，主要应用于机器人、工业自动化和汽车等行业。《2024中国六维力传感器市场报告》显示，2023年中国六维力传感器市场集中度较高，TOP10厂商占接近70%份额，国产宇立仪器、蓝点触控分居第二、四位。 
日韩地区六维力/力矩传感器厂商主要配套当地机器人本体厂商。其中，韩国企业Robotous、Aidin Robotics主要合作厂商包括Doosan Robotics、Neuromeka和Rainbow Robotics；日本企业Sintokogio和WACOH-TECH主要合作厂商包括发那科、电装、三菱、那智不二越、安川等。
国内涌现六维力传感器产品，机器人行业国产率高。目前，我国已有少数公司研制出工业机器人用力传感器并形成系列化产品，如坤维科技、宇立仪器等，并逐步开展特殊应用领域多维力传感器的研究。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%。
2.4六维力矩传感器生产壁垒
目前，基于各种测力原理的单维力传感器技术相对较为成熟，但多维力传感器的维间耦合问题亟待解决。维间耦合是指一个维度的输入不仅影响着该维度的输出，还会影响其他维度的输出。耦合误差的产生有多种原因，如机械结构、加工精度的限制、应变片的横向效应等。
维间耦合问题严重影响着传感器的精度，相应的解耦方法也是六维力/力矩传感器目前最大的技术核心。针对维间耦合问题，可用硬件解耦方法和软件解耦方法来减少各维度之间的耦合程度。
硬件解耦：硬件解耦即从传感器的设计上来消除或者抑制耦合，涉及传感器的制造工艺问题，包括传感器结构设计和加工工艺两方面。 
在目前六维力传感器的弹性体研制中，十字梁结构应用最为广泛。其结构对横向、竖向都较为敏感，维间耦合可控，但存在动态性能和抗过载能力较差的缺点。应变片贴于弹性梁上，根据梁的形变发生应变，并转换为能被识别的信号。
软件解耦：软件解耦是指通过采用合适算法计算传感器标定数据伪逆矩阵，以推导出六维力传感器输入值与输出值的关系，涉及算法解耦和标定两部分。
2.5 MEMS工艺
MEMS工艺适用于六维力传感器，可代替金属应变片测量力的变化。MEMS传感器即微机电系统，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。MEMS传感器集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体，内部结构在微米甚至纳米级。
MEMS加工技术工艺制作的微型结构主要是作为各类传感器和执行器，它将环境中的各种特征参数（温度、压力、气体、流量等）变化通过微型结构转化为各种电信号（电压、电阻、电流等）的差异，以实现小型化高灵敏的传感器和执行器。
2.6 六维力传感器市场空间
人形机器人脚踝及手腕部分有望使用六维力传感器。 根据以下假设，对六维力传感器在人形机器人不同销量下市场空间进行预测：
1） 每台人形机器人目前在手腕、脚踝部分共使用4个六维力/力矩传感器，未来随着六维力传感器的技术成熟，在价格下降的同时用量有望提升；
2） 六维力/力矩传感器单价随规模效应递减，2024年单价约为2.5万，随产能增加，技术提升，未来逐渐实现降本；
3）假设人形机器人2024年可实现出货1000台，2030实现出货100万台。
根据以上假设，我们预测到2030年，人形机器人销量可达100万台，对应六维力传感器市场空间可达约307亿元，2024-2030年间CAGR为159.78%。国内六维力传感器市场尚处于探索阶段，一旦实现量产，产量与应用将快速增长，单价也随之下降，市场前景广阔。
除人形机器人行业外，工业机器人行业六维力传感器需求增速同样较快。据高工机器人产业研究所（GGII）数据，2022年中国机器人行业六维力传感器销量为4840套，同比增长62.58%，预计2023年销量突破6700套，增速约40%。
3 触觉传感器
3.1 触觉传感器多种结构
力和触觉是机器人重要信息来源。广义上，触觉是指压觉、滑动、冷热、接触等机械刺激的总称；狭义上，指四肢与物体接触面上的力感。触觉传感器的功能是模仿生物的触觉感受，当它与物体接触时，可以检测被检测物体的一些物理性质，如温度、形状、纹理、材质等，并将检测到的物理性质进行反馈，以便机器人进行下一步操作。 机器人触觉传感器有基于电阻式、电容式、压电式、热释电式、电磁式、磁电式、力敏式、光电式、超声波、光纤等的触觉测量方法。
3.2 MEMS压阻式传感器的优势
压阻式触觉传感器由于灵敏度高、分辨率高、技术相对成熟且成本较低等优点，为目前的主流选择。在这其中，MEMS压阻式传感器为应用趋势。与传统的传感器相比，MEMS传感器具有体积小、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，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。
3.3 指尖触觉传感器技术路线
目前，诸多人形机器人和灵巧手都已经开始使用指尖触觉传感器。如特斯拉第二代人形机器人Optimus的十指均搭载了手指触觉传感器，已经可以实现两指捏起鸡蛋的精巧操作，且可以实现对指尖力的准确感知。Figure机器人搭载神经网络系统，可以用快速灵巧的手递苹果给测试员，并实现捏盘子等操作。 国内也已经有厂商研发出触觉传感器并将其使用在灵巧手中，使得灵巧手具有高力控精度与多动作实现功能，包括：
帕西尼触觉灵巧手DexH5：表面搭载180个多维多阵列触觉传感器，可实现捏、抓、按、提、推等基础动作，及其复合动作（如转、扭等），力控精度高达0.01N。
上海硅步Shadow灵巧手：搭载100多个传感器，运行频率高达1KHz，重复定位精度0.2mm，压力触觉传感器作为标准件安装在指尖上，拥有20个自由度，24个动作。
瑞森可freehandy灵巧手：使用多阵列压力传感器（15*15mm的面积上共25个感应点），利用CMOS工艺，组成复合传感结构，可实现触觉、滑觉的精准感知；共有6自由度，可独立控制每根手指。
我们假设人形机器人在每个指尖分别使用一个触觉传感器，共计使用10个触觉传感器。根据爱采购数据，我们假设目前每个触觉传感器单价为4000元，至2030年人形机器人销量1000万台，考虑到人形机器人降本等因素对触觉传感器市场空间进行测算，预计在2030年触觉传感器的市场空间可超过104亿元。
3.4 柔性电子皮肤
随着新材料、新工艺的发展，人们不再满足于利用触觉传感器采集力信息，也对模拟生物皮肤复杂属性与功能(如皮肤自身的高柔性、自愈合、自清洁等属性以及皮肤对温度、湿度、硬度、粘度的感知能力)产生了极大兴趣，于是进一步对触觉传感器展开了仿生研究，即开展对电子皮肤的研究。 
电子皮肤模拟人类皮肤，感知测量外界信息。电子皮肤触觉传感器被定义为能够通过接触，表征出被测物体的性质(表面形貌、重量等)或数值化接触参量(力、温度等)的设备或系统。是受人类皮肤启发的柔性电子设备和系统，具有各种传感功能的柔性电子网络，模拟人体皮肤的功能，但不限于人体皮肤的功能。电子皮肤触觉传感器，又名新型可穿戴仿生触觉传感器，是贴在“皮肤”上的电子设备，因而习惯性地被称为电子皮肤，或敏感皮肤(SensitiveSkin)、智能皮肤(Smart Skin)、仿生皮肤(Bionic Skin)等。电子皮肤触觉传感器大多被排列成矩阵组成阵列触觉传感器，空间分辨率可达到毫米级，接近人类的皮肤。 电子皮肤触觉传感器种类繁多，柔性化电子皮肤触觉传感器适用于大面积皮肤覆盖。大部分早期研制的触觉传感器多为采用硅作为主要材料的微传感器，制造技术主要采用MEMS微机电系统技术，但硅微型压力传感器难以满足大面积覆盖需要的柔性化和可扩展性等要求。电子皮肤柔性压阻式阵列触觉传感器除电极之外的所有部件都由软性材料制作而成，实现了柔性化。 
电子皮肤触觉传感技术经过近年来的快速发展，已经取得了一系列的成果，但其研究和开发依然存在诸多难题：
目前人形机器人电子皮肤暂未形成批量出货，根据此前电子皮肤价格作为参照，我们假设一台人形机器人目前需要使用的电子皮肤价值量为0.9万元。考虑电子皮肤降本因素，假设2030年人形机器人销量达到100万台，则对应市场空间约为36亿元。从实际角度出发，考虑到对于人形机器人性能要求的提升，电子皮肤覆盖面积有望同步提升，市场空间有望超过我们的测算。
3.5 柔性触觉传感器目前主要由国外企业主导
目前柔性触觉传感器技术由国外企业领先，全球范围内生产商主要包括Novasentis、Tekscan, Inc.、JapanDisplayInc.、Baumer Group、Fraba Group、Syntouch、Canatu、Sensel、FORCIOT、钛深科技等。根据研精毕智市场调研网，2022年全球CR5约为57.1%。
4 IMU惯性传感器
4.1 惯性传感器含多类组件
惯性传感器是一种用于测量物体运动状态的传感器，通常用于检测加速度和角速度。根据测量的物理量，惯性传感器可以分为加速度传感器和陀螺仪。另外，也有一些传感器将加速度计和陀螺仪结合在一起，称为惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，简称IMU）。目前惯性传感器在汽车电子、消费电子等下游均有应用。
加速度计：检测载体坐标系统独立三轴的加速度信号。根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、压阻式、压电式等。
陀螺仪：检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，即物体绕其轴旋转的速率。主流惯导系统分为挠性陀螺惯导系统、静电陀螺管道系统、光纤陀螺惯导系统、激光陀螺惯导系统和微机械陀螺惯导系统几大类。
MEMS陀螺仪的核心是一颗微机械（MEMS）芯片，一颗专用控制电路（ASIC）芯片及应力隔离封装。
磁力计：利用地磁场来定北极的一种器件。按照磁场测量方式分为磁铁式磁力计、霍尔效应磁力计、磁电阻磁力计、磁感应磁力计、SQUID磁力计和磁力计网络等，在导航、地质勘探、医学影像和材料研究等领域有广泛应用。在人形机器人领域一般使用磁阻力磁力计和磁感应计等。
IMU（惯性测量单元）：是一种测量物体三轴角速度和加速度的设备，通常包括三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪，有时还包括磁力计。
惯性传感器应用场景广泛。面向大众方面，运动手环等可穿戴设备中，可使用惯性传感器进行步数计算。科研与训练方面，国外一些运动项目如滑冰、滑雪等，已经出现惯性传感器产品并进行推广，将收集到的数据进行时域、频域分析和其他目的性算法，发现动作中存在的问题、规律等。工业运输中，惯性传感器为自动驾驶设备提供准确的姿态和位置信息来进行自主导航和操作。
4.2 惯性传感器国产替代空间大
IMU市场份额分布相对集中，国际厂商占据垄断地位。前三名国际厂商共占据近80%市场份额，前五名国际厂商共占据超90%市场份额。BOSCH以33%的市场份额排名第一，ST和TDK分别以25%和21%的市场份额紧随其后。 
4.3 IMU市场空间
IMU在人形机器人领域应用广泛，特别是在姿势跟踪、运动控制和导航方面。通过测量机器人加速度与角速度，帮助跟踪机器人姿势和运动状态；提供实时运动数据并分析，实现机器人运动轨迹、速度精确控制；检测机器人偏移与倾斜，进行实时姿态稳定和调整。在结合算法后，IMU提供的机器人运动信息，可用于估计机器人的位置，并根据机器人的运动轨迹构建环境地图。帮助机器人进行环境感知并避开障碍物，规划安全路径。同时实现路径规划、自主探索等智能导航功能。
据观研报告网统计，2021年全球IMU市场空间约为18.3亿美元，较上一年增长21.43%，是前一年增长率的七倍。据芯谋研究，2022年中国惯性传感器市场规模总量为77.4亿元，IMU是市场份额最大的品类，占43.34亿元，加速度计的市场规模约占26亿元，陀螺仪的市场规模占比约为10%。未来几年的主要增长驱动将来自下游自动驾驶汽车、机器人和工业设备市场的起量。
5 视觉传感器
视觉传感器是一种使用光电传感器件来获取物体图像的设备。它能够将物体图像转化为数字信号，并且对图像进行处理和分析。视觉传感器可以用于各种应用，例如机器人、自动驾驶车辆、安防系统、医疗图像、生产线质量控制等。
5.1 3D视觉
智能视觉传感器可以分为量子视觉传感、3D视觉传感器和仿生视觉图像传感器。而根据图像信息获取维度、处理数据类型的不同，机器视觉可划分为2D视觉与3D视觉。
3D视觉能够采集视野内空间每个点位的三维坐标信息，通过算法获取三维立体成像，并根据这些数据信息分析得出有关目标对象在空间中的位置、形状、体积、平面度等信息，以达到检测、引导、测量、定位等功能。
3D图像的生成有多种技术，主流技术有：
GGII数据显示，2022年中国机器视觉市场规模170.65亿元，同比增长23.51%。其中，2D视觉市场规模约为152.24亿元，同比增长20.21%，3D视觉市场约为18.40亿元，同比增长59.90%。 
从发展趋势看，AI算法的持续改进，将提高物体检测、分割和跟踪的准确性，从而增强3D机器视觉系统的性能。通过人工智能加持，机器视觉领域正在进行底层技术突破，有望降低图像处理门槛，提升识别精度，助力机器人识别环境，提升交互性。
机器视觉产品按照下游需求，可以分为消费级和工业级。其中工业级3D视觉传感器价格高昂，国内价格在5-7万人民币，进口价格在10万元以上，消费级相对较便宜。 5.2 人形机器人3D视觉传感器潜在市场空间 假设人形机器人使用3D视觉传感器产品，参考奥比中光的3D视觉产品，售价在1000到3000元不等，我们以当前约1900元/台的价格对其市场进行预测。假设每台人形机器人使用2台视觉传感器，考虑到机器人视觉传感器降价，预计当人形机器人销量达100万台时，机器人视觉传感器市场空间可达约19亿元。
假设人形机器人使用2D视觉传感器产品，以目前180元/台的市场价格进行预测，同样考虑到降价等因素，预计100万台人形机器人对应的视觉传感器市场空间约1.61亿元。
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