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1、行 业 研 究 2024.01.17 1 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 机 械 设 备 行 业 深 度 报 告 传感器系列报告 1:力传感器在机器人中的应用 分析师 李鲁靖 登记编号:S02 赵璐 登记编号:S01 行 业 评 级:推 荐 行 业 信 息 上市公司总家数 596 总股本(亿股)4,153.78 销售收入(亿元)26,616.52 利润总额(亿元)1,935.14 行业平均 PE 87.85 平均股价(元)19.50 行 业 相 对 指 数 表 现 数据来源:wind 方正证券研究所 相 关 研 究 制造业
2、复苏+需求结构升级+自主可控,机床行业或迎新一轮上行周期2023.11.07 数控机床核心装置百亿市场空间,国产替代进行时2023.11.07 基于区域分析看工程机械出海的现状与未来2023.10.13 当地时间 2023 年 12 月 12 日晚,特斯拉 CEO 马斯克发布了特斯拉人形机器人 Optimus(擎天柱)二代机的最新视频。机器人的手部灵活性、抓取鸡蛋、深蹲、行走速度的变化,均需要对触觉传感器、力/力矩传感器等做出较大改进,后续传感器有望成为行业关注重点。什么情况下要使用多维力传感器什么情况下要使用多维力传感器?力传感器是一种用于测量物体所受的力量的装置。它们广泛应用于各个领域,包
3、括工业、医疗、体育等。按照感力元件,可以将力传感器大体分为应变式/压阻式、压电式/压容式、光电式等三类。目前,市场应用的六维力/力矩传感器多基于应变式测量。常规的一维力传感器用于力的方向和作用点都固定的情况下,三维力传感器则用于方向随机变化、力作用点不变的情况下。若力的方向、作用点都在变化,则需要使用六维力传感器。此外,如果力的作用点离传感器标定参考点的距离较远,且随机变化,测量精度要求较高,一般需要采用六维力传感器。力矩传感器市场规力矩传感器市场规模超模超 400400 亿元,六维力矩传感器尚处于发展初期亿元,六维力矩传感器尚处于发展初期。据Markets and Markets Resea
4、rch 数据,2021 年全球力矩传感器市场规模约为 68 亿美元(约合人民币 439 亿元),预计到 2026 年达到 90 亿美元,CAGR约为 5.7%。力矩传感器目前主要用于汽车测试、测量检测、工业、航空航汽车测试、测量检测、工业、航空航天与国防等天与国防等领域。六维力矩传感器方面,据高工机器人数据,2022 年中国六维力/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%。市场规模方面,2022 年国内六维力/力矩传感器市场规模 2.39 亿元,其中机器人六维力/力矩传感器市场规模 1.56 亿元。当前,六维力/力矩传感器
5、市场规模较小,尚未形成规模效应。根据我们的计算,机器人用六维力/力矩传感器均价从从 20172017 年的年的 4.64.6 万元万元/套下降套下降至至 20222022 年的年的 3.23.2 万元万元/套。当前仍处于较高水平套。当前仍处于较高水平。六维力矩传感器:目前,六维力/力矩传感器主要应用于汽车行业碰撞测试、轮毂测试、零部件测试等,以及航空航天、生物力学、医疗康复、科研实验、机器人与自动化领域。在机器人领域,六维力矩传感器对手腕、脚踝等关节是优选,但并非是必选六维力矩传感器对手腕、脚踝等关节是优选,但并非是必选项项。根据袁俊杰等在 关节力矩反馈型协作机器人的阻抗控制研究 实验结论,六
6、维力矩传感器安装简单,在不考虑成本的情况下,是阻抗实验的首要选择;关节力矩传感器的使用需要改变机器人结构,安装比较复杂,但通过关节力矩传感器也可以计算出末端接触力,并进行较精确的控制。人形机器人:手腕及脚踝可能使用六维力矩传感器手腕及脚踝可能使用六维力矩传感器。特斯拉机器人脚掌后方可能使用六维力传感器,因为机器人的行走过程中需要保持平衡,若此时用到六维力传感器可以感测机器人脚下地面反作用力。此外,前部可能增加脚趾部位传感器,从而获得更多点信息,适应更加复杂的地面场景,可能为一维力传感器。从优必选官网展示人形机器人 WalkerX、Walker、熊猫机器人悠优配置可以看出,也主要是在脚踝、手腕等
7、 4 处末端执行器采用了六维力矩传感器,可以实现在碎石、地砖、草坪、厚地、草坪等不平整地面上稳定快速行走。关节处可能使用使用电流环控制关节处可能使用使用电流环控制或一维力或一维力/力矩传感器力矩传感器。根据我们的测算,在手腕、脚踝处使用六维力矩传感器、关节处使用一维力/力矩传感器的假设下,我们测算人形机器人销量达到人形机器人销量达到 1010 万台、万台、100100 万台时,万台时,对应六维力、力矩传感器市场空间有望分别达到对应六维力、力矩传感器市场空间有望分别达到 4848 亿元、亿元、260260 亿元亿元。方 正 证 券 研 究 所 证 券 研 究 报 告-21%-15%-9%-3%3
8、%9%23/1/17 23/3/31 23/6/12 23/8/24 23/11/5 24/1/17机械设备沪深300机械设备 行业深度报告 2 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s 力传感器企业布局:全球六维力/力矩传感器主要品牌可以分为日韩品牌、欧美品牌、国产品牌三类。据 GGII,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,如韩国 Robotous、日本 Sintokogio 等,欧美品牌可以分为传统传感器厂商(ATI、Bota Systems AG)、机器人末端工具厂商(SCHUNK)等 2 类。国产六维力/力矩传感器厂商逐渐成长,如宇立仪器宇立
9、仪器(SRISRI)、坤维科技、鑫精诚、海伯森、蓝点触控、瑞尔特)、坤维科技、鑫精诚、海伯森、蓝点触控、瑞尔特等,均已有相关产品落地并进入产业化应用。总体上看,受益于机器人市场需求催化,近年来进入六维力矩传感器的厂商诸多,但真正具备量产能力的厂商仍然较少,但随着机器人等下游需求逐渐释放,各家企业已经开启加速布局。投资建议投资建议:建议关注柯力传感、中航电测、八方股份、东华测试、康斯特柯力传感、中航电测、八方股份、东华测试、康斯特等。风险提示风险提示:下游需求不及预期,降本不及预期,测算误差风险,技术研发不及预期风险 9ZxUMAjVlW8WoX6MdNaQnPoOnPsOeRmMpOlOnMo
10、R6MmNqRMYpPtNNZpNnO机械设备 行业深度报告 3 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s 正文目录 1 特斯拉发布二代机视频,传感器变化引关注.5 2 力传感器的市场规模及分类.6 2.1 力传感器的分类.6 2.2 什么情况下要使用多维力传感器?.7 2.3 力矩传感器:分为静态、动态扭矩传感器,全球市场规模超 400 亿元.8 2.4 六维力矩传感器:尚处于发展初期,国内市场规模约为 2.39 亿元.9 3 六维力矩传感器的应用.11 3.1 六维力传感器的应用:汽车碰撞测试、打磨机器人、手术机器人等领域.11 3.2 机器人中,六维力矩传感器是必选
11、项吗?.12 4 人形机器人中力传感器的解决方案分析.14 4.1 手腕及脚踝可能使用六维力矩传感器.14 4.2 关节:或使用电流环控制或一维力/力矩传感器.15 4.3 人形机器人力传感器市场空间测算.16 5 力传感器企业布局情况介绍.18 5.1 六维力矩传感器竞争格局.18 5.2 六维力矩传感器的难点.19 6 重点标的.21 6.1 柯力传感:称重传感器龙头企业,向多物理量传感器平台型企业转型.21 6.2 中航电测:智能测控领军企业,军民业务多点开花.21 6.3 八方股份:电踏车电机龙头企业,掌握力矩传感器核心技术.21 6.4 东华测试:结构力学测试领军企业,推进力矩传感器
12、产品研发.22 6.5 康斯特:校准测试龙头企业,MEMS 传感器绘制第二成长曲线.23 7 风险提示.24 机械设备 行业深度报告 4 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s 图表目录 图表 1:Optimus-Gen2 更灵活、11 个自由度的全新手部.5 图表 2:Optimus-Gen2 可以抓取鸡蛋.5 图表 3:Optimus-Gen2 可以做 90 度深蹲.5 图表 4:Optimus-Gen2 行走速度提升 30%.5 图表 5:力传感器的分类.6 图表 6:不同原理力传感器的比较.7 图表 7:不同维度力传感器应用场景.8 图表 8:2020 年力矩传
13、感器下游应用(百万美元).9 图表 9:机器人用六维力/力矩传感器销量及市场规模.9 图表 10:机器人用六维力/力矩传感器均价(万元/套).9 图表 11:六维力传感器技术及其应用场景.11 图表 12:六维力传感器在机器人领域的应用.11 图表 13:手术器械受力.12 图表 14:手术器械传感器位置布置.12 图表 15:安装关节力矩传感器的协作机器人.13 图表 16:安装六维力传感器的实验平台.13 图表 17:支撑状态下足底主要受力点.14 图表 18:步态事件划分.14 图表 19:特斯拉二代机足端变化.14 图表 20:优必选 Walker X 机器人.14 图表 21:优必选
14、 WalkerX 机器人可以实现不平整地面稳定行走.15 图表 22:特斯拉机器人关节方案.15 图表 23:机器人关节传感器数量计算.16 图表 24:机器人关节力传感器数量计算.17 图表 25:2022 年中国六维力/力矩传感器竞争格局.18 图表 26:协作机器人领域销量占比.18 图表 27:六维力传感器布局企业介绍.19 图表 28:六维力矩传感器参数对比.19 图表 29:六维力矩传感器串扰测量结果.20 图表 30:多维力传感器精准度图示.20 图表 31:电踏车电气系统主要部件.22 机械设备 行业深度报告 5 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s
15、1 1 特斯拉发布二代机视频,传感器变化引关注特斯拉发布二代机视频,传感器变化引关注 当地时间 2023 年 12 月 12 日晚,特斯拉 CEO 马斯克发布了特斯拉人形机器人Optimus(擎天柱)的最新视频。视频称,相较于上一代人形机器人,第二代人形机器人 Optimus-Gen 2(第二代擎天柱)的步行速度提升 30%,平衡能力和身体控制能力均有所改善,整体重量也从 73kg 减少到了 63kg。根据视频介绍,第二代擎天柱搭载了由特斯拉设计的执行器和传感器、2 个自由度驱动颈部、响应更快的 11 个自由度手部、触觉传感器触觉传感器、执行器集成电子和线束、足部力足部力/扭矩传感器扭矩传感器
16、、铰接式脚趾铰接式脚趾等。值得注意的是,Optimus Gen2 的手部有 11 个自由度,动起来非常灵巧。在视频中,机器人已经可以轻松准确地抓取和放下鸡蛋,整个过程比较连贯平稳,左手转右手的整个过程也较为连贯,展示出其双手的操控能力。图表1:Optimus-Gen2 更灵活、11 个自由度的全新手部 图表2:Optimus-Gen2 可以抓取鸡蛋 资料来源:澎湃新闻、方正证券研究所 资料来源:澎湃新闻、方正证券研究所 此外,擎天柱还可以做一个均匀的 90 度深蹲,这个动作需要全身多处关节配合来保持平衡。从其行走过程来看,足部和腿部的形态,以及走路方式都与人类相似。图表3:Optimus-Ge
17、n2 可以做 90 度深蹲 图表4:Optimus-Gen2 行走速度提升 30%资料来源:澎湃新闻、方正证券研究所 资料来源:澎湃新闻、方正证券研究所 此次手部灵活性、抓取鸡蛋、深蹲、行走速度的变化,均需要对触觉传感器、力/力矩传感器等做出较大改进,后续传感器有望成为行业关注重点。机械设备 行业深度报告 6 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s 2 2 力传感器的市场规模及分类力传感器的市场规模及分类 力传感器是一种用于测量物体所受的力量的装置。它们广泛应用于各个领域,包括工业、医疗、体育等。2.12.1 力传感器的分类力传感器的分类 力传感器是各种工业设备的核心元
18、件,它通过检测物体和设备之间的力来确定被测物体的位置和运动情况。按照感力元件,可以将力传感器大体分为应变式应变式/压压阻式阻式、压电式压电式/压容式压容式、光电式光电式等三类。图表5:力传感器的分类 资料来源:FUTEK 广州欧迈志传感、力准传感、与非网、品慧电子、必优传感网、芯云纳米、Ofweek 传感网、HBM、电子开发网、宁波立德明阳智能机器人科技有限公司、传感器专家网、方正证券研究所 从原理上看,从原理上看,应变式力传感器应变式力传感器,采用的是硅应变片或金属箔,本质是弹性体材料发生形变进而转化为阻值变化;压阻式传感器,其原理是力直接作用于感应元件上,使电阻发生变化,用作压阻式的基片(
19、膜片)材料主要有硅片、锗片。光学光学图片原理优势劣势应用领域应变式用弹性体材料应变时,其尺寸、形状和受力状态发生变化,从而引起电阻值变化的一种传感器。主要由弹性体、电阻体、连接电路组成。应变片通常由金属箔、导电材料制成。常见的应变效应包括金属电阻应变计和半导体应变计结构简单、制造容易、价格便宜、便于与各种传感器集成受环境温度的影响较大,不适宜在高温、高湿环境中使用广泛应用于各种工业自动化设备中。通常用于测量动态或高速变化的力或应变,如机械振动、航空航天领域的结构应变。压阻式当受力物体产生压力时,传感器内部的压阻体会发生变形,从而改变电路中的电阻值,实现测量。其特点是力直接作用于感应元件上,通常
20、由薄膜材料制成,具有良好的弹性和变形特性,施加压力时,薄膜材料发生微小弯曲变形。典型代表有碳敏电阻和柔性电阻。用作压阻式的基片(膜片)材料主要为硅片、锗片体积小、灵敏度高、精度高于金属应变计、无活动部件(可靠性高、耐用),可工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境压阻式传感器是半导体材料制作,受温度影响较大,在温度变化较大的环境中需要进行温度补偿通常用于测量静态或者缓慢变化的压力,如测量重物重量,或物体的压缩变形等。压电式主要由压电晶体、引线组成。当受到力的作用时,压电晶体发生形变,在晶体的两侧产生异性电荷,电荷经过放大,且高输出阻抗变换成低输出阻抗后,可以被二次仪表接收。压电材料有许多种,如
21、石英、陶瓷、钛酸钡等。原理简单、重量轻、精度高、响应速度快,在很宽的温度范围内灵敏度恒定对湿度敏感,某些压电材料需要防潮措施,且输出的直流响应差,需采用高输入阻抗电路,或电荷放大器来克服这一缺陷广泛用于各种测量领域,如压力、力、加速度、位移、振动等。不能用于静态测量(静压力),一般用于脉动压力。电容式利用电容值随外载荷及极距的变化而变化的特性实现力检测很强的抗干扰能力,而且线性好、测量范围广、动态响应好对环境要求比较严格,需要对被测物进行测量之前需要进行标定和校准。常用于检测大负荷,测量范围一般为几个微法拉,其中最常用的是1/10个法拉电容式力传感器光电式先把被测量的变化转换成光信号的变化,再
22、将光信号的变化转换成电信号的变化。通过光栅反映形变。在动态性上具有明显优势成本较高,刚度、稳定性及信噪比较差光电式转速表、计数器、测距等数字式利用力的传递原理,采用数字信号处理技术将被测物体的重力、加速度、力矩等信号转换成电信号。分为电磁型、电感型数字式力传感器,前者通过电感的磁通量变化检测力,后者通过电子元器件将外界电磁场变化转换为电信号电磁型:体积较小、功耗低,精度和灵敏度高,可实现非接触式测量,抗干扰能力强;电感式:结构简单,灵敏度高,测量精度高,输出功率大电磁式:设计和制造复杂,对环境温湿度比较敏感,有一定测量范围限制;电感式:频率响应不高,不适合快速动态测量,对激磁电源的频率和幅度稳
23、定性要求高,此外,测量范围大时分辨率较低电磁式传感器广泛应用于各种现场检测。它常、汽零、家电、医疗诊断、航空航天等机械设备 行业深度报告 7 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s 式传感器式传感器则是通过光栅反映形变,将力的变化转换为光信号,再转换为电信号;压电压电/电容电容式传感器式传感器是将被测物理量变化转换成压电材料因受机械力产生静电电荷或电压变化的传感器,压电式是通过形变改变电荷,电容式则是通过极距的变化导致电压变化。通过多维度的对比,1)应变式:硅应变、金属箔传感器之间,硅应变片在稳定性、硅应变片在稳定性、信噪比以及动态特性方面要更优信噪比以及动态特性方面要
24、更优,两者刚度上相差不多,成本上金属箔更优,但近年硅应变片工艺有了提升和改进,综合成本也在大幅降低;2)光学式:在动态特性方面明显具有优势,但成本较高,且稳定性和刚度较差,在力传感器中应用较少。3)压电/电容式:电容传感器成本最优,其他几项弱于压电传感器;此外,电容及压电式传感器对环境要求较高,尤其压电式对湿度较为敏感,输出的直流压电式对湿度较为敏感,输出的直流响应较差,但压电式动态特性及刚度较好响应较差,但压电式动态特性及刚度较好,过去压电式较少用于六维力传感器,更多用于三维等少于六维的传感器,未来有望在六维力传感器中得到应用。目前,市场应用的六维力目前,市场应用的六维力/力矩传感器多基于应
25、变式测量力矩传感器多基于应变式测量,压电/电容式、光学式等有一定理论研究和实验,尚未得到广泛应用。随着研究不断深入,不同原理传感器将匹配到合适场景,推动六维力/力矩传感器的多元化发展。图表6:不同原理力传感器的比较 资料来源:leaderobot、宁波立德明阳智能机器人科技有限公司、方正证券研究所 2.22.2 什么情况下要使用多维力传感器?什么情况下要使用多维力传感器?一般情况下,如果力的方向和作用点是固定的,此时可以选择用一维力传感器进一维力传感器进行测量行测量,如天平、体重秤。如果力的方向随机变化,但力的作用点保持不变,并且与传感器的标定参考点重合,那么我们就应该用三维力传感器三维力传感
26、器。而如果力的方向和作用点都在三维空间内随机变化,此时应该选择用六维力传感器六维力传感器进行测量。机械设备 行业深度报告 8 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s 图表7:不同维度力传感器应用场景 资料来源:坤维科技、方正证券研究所 如果力的作用点离传感器标定参考点的距离很近,且不变化,测量精度不高,可以用三维力传感器。如果力的作用点离传感器标定参考点的距离较远,且随机变化,测量精度要求较高,一定需要采用六维力传感器。我们经常提及的“给我一个支点,我可以翘起地球”,其实就表明,力矩对传感器力矩对传感器产生的力学影响往往比力要大很多产生的力学影响往往比力要大很多。如果力
27、的作用点与传感器标定参考点不重合,力矩的力学作用势必影响了传感器的数学模型,使其偏离标定状态,从而导致对力的测量误差较大。相同方向和大小的力,但作用点不同,如果采用三维力传感器对其进行测量,测相同方向和大小的力,但作用点不同,如果采用三维力传感器对其进行测量,测量结果一般会不同量结果一般会不同,这显然是产生了较大的测量误差。一个极端的例子是,如果力的作用点距离传感器参考点足够远,也就是力臂足够大,即使是在传感器量程范围内的力,也会导致传感器结构的材料屈服,甚至是断裂,而精准测量就更加难以保证。2.32.3 力矩传感器:分为静态、动态扭矩传感器,全球市场力矩传感器:分为静态、动态扭矩传感器,全球
28、市场规模超规模超 4 40000 亿元亿元 力矩传感器,又称为扭矩传感器,又可以分为静态、动态扭矩传感器两种。二者都可以测量旋转动力源的扭矩,但区别在于,静态扭矩传感器静态扭矩传感器,即在静止状态下测量扭矩,通常情况下是测量电机(旋转体)的堵转,但测量的旋转角度不能超过 360,因而不能测量转速;而动态扭矩传感器动态扭矩传感器测量的旋转角度则没有限制随动力源旋转。此外,动态扭矩传感器由于结构上的差异,动态扭矩传感器往往体积比静态扭矩传感器要大。分类图片使用场景原理一维力传感器力的方向和作用点是固定的我们可以通过安装定位,使力的方向和作用点都与一维力传感器的标定坐标轴一致,这样就可以对力进行精确
29、测量。举个例子,一维力传感器的标定坐标轴为OZ轴,如果被测量力F的方向能完全与0Z轴重合,那么此时用一维力传感器就能完成测量任务。三维力传感器力的方向随机变化,但力的作用点保持不变,并且与传感器的标定参考点重合因为被测量的力可以分解为三维力传感器标定坐标系下的三个正交分量,三维力传感器的三个测量单元可以分别对其一 一测量。例如,力F的作用点P始终与传感器的标定参考点O保持重合,力F的方向在三维空间中随机变化,这种情况下用三维力传感就能完成测量任务,它可以同时测量Fx、Fy、Fz这三个F的分力。六维力传感器力的方向和作用点都在三维空间内随机变化因为空间中任意作用点上的力可以在六维力传感器的标定坐
30、标系内,分解为沿标定坐标轴的三方向分力和绕标定坐标轴的三方向力矩。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传感器来完成测量任务,同时测量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz六个分量。机械设备 行业深度报告 9 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s 据 Markets and Markets Research 数据,2021 年全球力矩传感器市场规模约为68 亿美元(约合人民币 439 亿元),预计到 2026 年达到 90 亿美元,CAGR 约为5.7%。力矩传感器应用范围广泛,例如旋转扭矩传感器广泛用于汽车发动机测
31、试、传动系统测试、测功机测试、电动机测试、变速箱测试等。应变片式扭矩传感器产生的信号与各种仪器兼容,可用于数字显示器、数字放大器等,而且可以达到更高精度。总体上看,力矩传感器目前主要用于汽车测试、测量检测、工业、航空汽车测试、测量检测、工业、航空航航天与国防天与国防等领域。图表8:2020 年力矩传感器下游应用(百万美元)资料来源:Markets and Markets Research、方正证券研究所 2.42.4 六维力矩传感器:尚处于发展初期,国内市场规模约为六维力矩传感器:尚处于发展初期,国内市场规模约为 2 2.39.39 亿元亿元 六维力矩传感器方面,据高工机器人数据,2022 年
32、中国六维力/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%。市场规模方面,2 2022022 年国内六维力年国内六维力/力矩传感器市场规模力矩传感器市场规模 2 2.39.39 亿元,其中机器亿元,其中机器人六维力人六维力/力矩传感器市场规模力矩传感器市场规模 1 1.56.56 亿元亿元。预计到预计到 2 2027027 年,年,中国六维力中国六维力/力矩传力矩传感器感器市场规模有望超过市场规模有望超过 1 15 5 亿元,复合增长率亿元,复合增长率 4 45%5%。当前,六维力/力矩传感器市场规模较小,尚未形成规模效应。图表9
33、:机器人用六维力/力矩传感器销量及市场规模 图表10:机器人用六维力/力矩传感器均价(万元/套)资料来源:高工机器人、方正证券研究所 资料来源:高工机器人、方正证券研究所 从价格来看,根据高工机器人市场规模及销量数据,我们可以大致测算出机器人用六维力/力矩传感器均价从均价从 2 2017017 年的年的 4 4.6.6 万元万元/套下降至套下降至 2 2022022 年的年的 3 3.2.2 万元万元/套。当前仍处于较高水平,应用于人形机器人仍然有一定成本压力套。当前仍处于较高水平,应用于人形机器人仍然有一定成本压力。但随着下游机械设备 行业深度报告 10 敬 请 关 注 文 后 特 别 声
34、明 与 免 责 条 款 s 细分行业对传感器要求的提升,以及更多参与者进入,六维力/力矩传感器有望进入高速成长期,成本有望逐渐下降。机械设备 行业深度报告 11 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s 3 3 六维力矩传感器的应用六维力矩传感器的应用 3.13.1 六维力传感器的应用:汽车碰撞测试、打磨机器人、手术机器人等领域六维力传感器的应用:汽车碰撞测试、打磨机器人、手术机器人等领域 六维力测量技术属于平台型技术,在不同应用场景和环境、载荷、安装、通讯、算力、动力学特需求下,其形态和技术特点也有一定区别。目前,六维力/力矩传感器主要应用于汽车行业碰撞测试、轮毂测试、
35、零部件测试等,以及航空航天、汽车行业碰撞测试、轮毂测试、零部件测试等,以及航空航天、生物力学、医疗康复、科研实验、机器人与自动化领域生物力学、医疗康复、科研实验、机器人与自动化领域。图表11:六维力传感器技术及其应用场景 资料来源:高工机器人 GGII、方正证券研究所 在机器人领域,传统的机器人任务,如果只对平面进行工作,一般需要进行位置位置控制控制即可。而近年来,随着机器人技术的不断发展,人们对机器人的任务要求也更加广泛,仅具备位置控制,已经无法满足部分任务的要求。能够同时精确控制同时精确控制力的任务力的任务,如切削、打磨、装配切削、打磨、装配等,在众多工业领域有着广泛的需求。以打磨曲面为例
36、,对整个施加力的过程进行监控,而非像传统的动作比如拧螺丝,只需要对力矩的结果进行检测,是否达到标准即可。打磨过程中,需要了解各位置力的矢量大小,从而调整机械臂的位置和施加力的程度。图表12:六维力传感器在机器人领域的应用 资料来源:高工机器人 GGII、方正证券研究所 机械设备 行业深度报告 12 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s 此外,在镜腔手术镜腔手术机器人机器人领域,医生将微创手术器械通过鞘套插入患者体内开展手术,但由于手术器械缺少力检测功能以及自身自由度的限制,医生无法准确感知器械末端与患者组织的交互作用力,力反馈受到影响。为实现力检测与力反馈,六维微型力
37、/力矩传感器的应用成为解决问题的关键。根据腔镜手术机器人六维力/力矩传感器设计方法研究,常规的腔镜手术器械包含一个可旋转的末端和符合人体工程学设计的手柄,相对于手术器械末端的交互作用力,医生在进行手术时只能感受到自己手柄的力,医生感受到手柄处的力大约是器械末端的 2-6 倍。目前所有手术器械都会受到自身摩擦力或其他作用力的影响,使得手柄处感受到的力与仪器末端的交互作用力不一致或者是非线性的。例如,在进入人体的插口处,鞘套和手术器械的摩擦力大约是 0.25-3 N;转动手术器械时,也会产生力矩,大约是 0.7 Nm;还有一些在进行手术时,进入人体的手术器械与人体组织之间的交互作用力。为了防止这些
38、力对手术器械力检测的影响,六维微型力/力矩传感器应放置在进入人体内的靠近器械末端的位置。图表13:手术器械受力 图表14:手术器械传感器位置布置 资料来源:腔镜手术机器人六维力/力矩传感器设计方法研究,李磊、方正证券研究所 资料来源:腔镜手术机器人六维力/力矩传感器设计方法研究,李磊、方正证券研究所 一般来说,手术器械传感器可以布置的为主要有 4 个位置:1 1)驱动单元)驱动单元:放在此处可直接检测电机驱动力,但器械是组装而成,需要钢丝传动,末端远离驱动装置,易受器械自身重力、惯性力等影响。2 2)腹壁外轴)腹壁外轴:在人体外部,尺寸不受空间限制,但仍然距离末端较远;3 3)腹腔内部轴)腹腔
39、内部轴:避免了鞘套与手术器械间的相互作用力影响,但尺寸有很大限制,直径必须在 10mm 以内。此位置也会受到钢丝驱动力影响,存在惯性力,但相对其他三个位置而言,是布置微型传感器最理想位置。4 4)夹钳上)夹钳上:该位置消除了前三出所有外力干扰,但前爪体积有限,此位置检测元件受体积影响更大,仅非常小的检测元件可以布置在此。3.23.2 机器人中,六维力矩传感器是必选项吗?机器人中,六维力矩传感器是必选项吗?据袁俊杰等在关节力矩反馈型协作机器人的阻抗控制研究进行实验:要实现对末端力、位置的控制,一种方法是直接安装六维力传感器直接安装六维力传感器在机械臂末端,它可以直接获得末端接触力,利用测量值直接
40、作为力反馈信号。机械设备 行业深度报告 13 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s 另一种方法,则是在机器人各个关节处安装关节力矩传感器在机器人各个关节处安装关节力矩传感器。因为当机器人和外界接触时,机器人末端会产生接触力,因而使得机器人各关节也受到外力矩作用。通过测量各关节力矩传感器扭矩,而无需在末端加装六维力矩传感器,就可以实现间接计算机器人末端于环境间的交互力。关节力矩可以通过雅可比矩阵和动力学相关函数,转换成操作空间的末端力,基于末端操作力,可以研究笛卡尔空间的阻抗控制。图表15:安装关节力矩传感器的协作机器人 图表16:安装六维力传感器的实验平台 资料来源:
41、关节力矩反馈型协作机器人的阻抗控制研究,袁俊杰等、方正证券研究所 资料来源:关节力矩反馈型协作机器人的阻抗控制研究,袁俊杰等、方正证券研究所 实验期望末端接触力大小为 10N,使用第一种、第二种方式时,机器人打磨时末端及处理分别在 6-13N、7-13N 范围内波动,平均值基本稳定在 10N 左右,Z 方向均存在不到 1mm 的位移波动。总体上看,使用六维力矩传感器,以及使用多个关节力矩传感器的阻抗控制效果基本相同。六维力矩传感器安装简单,在不考虑成本的情况下,是阻抗实验的首要选择;关节力矩传感器的使用需要改变机器人结构,安装比较复杂,但通过关节力矩传感器也可以计算出末端接触力,并进行较精确的
42、控制。机械设备 行业深度报告 14 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s 4 4 人形机器人中力传感器的解决方案分析人形机器人中力传感器的解决方案分析 4.14.1 手腕及脚踝可能使用六维力矩传感器手腕及脚踝可能使用六维力矩传感器 对于步态的分析,一般有基于足底压力、关节运动、视觉等方式。目前,基于视觉的步态分析系统已经商用,而单纯基于关节运动测量的步态分析,可以测量生活环境中的步态情况,但仍有一定误差,基于足底力检测的步态分析可以提供步行过程中的动力学参数,但当足底与地面不接触时压末端执行器采用了六维力矩传感器力趋于 0,也无法完整描述步态,因此,足底压力、关节运动
43、的结合或将成为步态分析的发展方向。根据赵治羽等基于足底压力传感器的步态识别方法研究,足底结构在支撑状态中足底主要受力点为大脚趾(A)、大脚趾根部跖骨(B)、足跟(C)处。人体行走是一个周期性过程,同一条腿连续两次足跟着地构成一个步态周期。图表17:支撑状态下足底主要受力点 图表18:步态事件划分 资料来源:基于足底压力传感器的步态识别方法研究,赵治羽等、方正证券研究所 资料来源:基于足底压力传感器的步态识别方法研究,赵治羽等、方正证券研究所 通过特斯拉 12 月发布的二代机视频可以看出,其在脚趾脚趾部分使用了铰链铰链方式。原脚掌后方可能使用六维力传感器六维力传感器,人形机器人的行走过程中需要保
44、持平衡,若此时用到六维力传感器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。图表19:特斯拉二代机足端变化 图表20:优必选 Walker X 机器人 资料来源:澎湃新闻、方正证券研究所 资料来源:优必选官网、方正证券研究所 机械设备 行业深度报告 15 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s 前部可能增加脚趾部位传感器,从而获得更多点信息,适应更加复杂的地面场景,可能为一维力传感器一维力传感器。此前机器人受力全部来自脚板,脚板具体受力部位未知,因此本次增加力传感器以提升力的感知精度,从而判断地面情况(颠簸等),更契合现实场景。从
45、当前交付的变化来看,特斯拉机器人的工作场景可能并非局限于工厂,若将来在更加复杂场景下工作,不排除在足部传感器方面进一步做增加的可能。图表21:优必选 WalkerX 机器人可以实现不平整地面稳定行走 资料来源:优必选官网、方正证券研究所 此外,从优必选官网展示人形机器人 WalkerX、Walker、熊猫机器人悠优配置可以看出,也主要是在脚踝、手腕等脚踝、手腕等 4 4 处处末端执行器末端执行器采用了六维力矩传感器采用了六维力矩传感器,可以实现在碎石、地砖、草坪、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。4.24.2 关节:或使用电流环控制或一维力
46、关节:或使用电流环控制或一维力/力矩传感器力矩传感器 根据特斯拉 2022 年 AI Day 现场展示,Optimus 全身共有 40 个关节执行器,其中四肢及躯干共有28 个执行器关节(14个旋转执行器关节+14 个线性执行器关节),以及灵巧手 12 个执行关节。图表22:特斯拉机器人关节方案 资料来源:澎湃新闻、Tesla AI Day、方正证券研究所 假设手腕、脚踝共使用 4 个六维力矩传感器,其他各关节共使用一维力/力矩传感器 28 个,若采用电流环控制,则不需要单独配置力矩传感器。机械设备 行业深度报告 16 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s 图表23:
47、机器人关节传感器数量计算 资料来源:澎湃新闻、Tesla AI Day、方正证券研究所 目前大部分执行器的力控方式分为电流环力控、传感器闭环力控两种。电流环力电流环力控控是一种比较容易实现的常规力控方式,主要通过调节电机内部电流大小实现力控。电流环控制的实现难度较低,可以实现可以实现 5%5%-15%15%精度范围内力控精度范围内力控,而且不需要额外的设备。但其运动速度较慢,无法反向传动,以及满足一些精度要求更高的场景需求,使用一段时间后,机械磨损会带来误差,精度进一步降低。这类执行器通常没有传感器,即使有也只是作为力的“显示”,不参与控制,例如通过传感器读取力的大小,通过表头显示数值,用于辅
48、助人工调节力的大小,但这样的调节一般跟力的精度无关。传感器闭环力控传感器闭环力控则加入了常规力传感器和常规闭环控制算法,在精度上则有所提高,通常可以使力控精度由使力控精度由 5%5%提高到提高到 1%1%,响应速度也较快,但价格相对较对较贵。我们认为在初期阶段,或对产品精度要求较高,使用传感器力控的可能性较大。4.34.3 人形机器人力传感器市场空间测算人形机器人力传感器市场空间测算 根据前文介绍,人形机器人可能会在手腕、脚踝处使用 4 个六维力矩传感器,其他关节处使用 28 个力矩传感器。按照前文计算,国内机器人用六维力/力矩传感器均价从 2017 年的 4.6 万元/套下降至 2 2022
49、022 年的年的 3 3.2.2 万元万元/套套。根据与非网数据,目前六维力矩传感器在 Walker机器人中占主要成本,单价超过 1.5 万元。由于当前六维力矩传感器仍处于较高水平,应用于人形机器人仍然有一定成本压力,假设未来随着下游需求放量,成本会逐渐下降。按照高盛预计,理想状态下,到 2030 年人形机器人出货量可能达到 100 万台。根据特斯拉 AI Day 马斯克透露擎天柱未来价格预计不到 2 万美金一台,因此成本可能有限。此外,随着技术逐渐成熟,下游需求放量,规模效应显现,保守估计,假设到机器人销量达到 10 万台,以及达到 100 万台时,机器人用六维力矩传感器价格分别降至 500
50、0 元/个、3000 元/个,则单台机器人对应价值量约为 2万元/台、1.2 万元/台。对应人形机器人六维力矩传感器市场空间分别为 20 亿元、120 亿元。其他关节传感器方面,线性关节及旋转关节使用传感器可能分别使用一维力传感一维力传感器、力矩传感器器、力矩传感器,价格可能分别在数百元、数千元。由于目前解决方案未知,我们保守估计,假设 28 个关节平均单个关节力控传感器价值量均价为 2000 元,假旋转关节(个)直线关节(个)合计假设六维力传感器(个)假设力控传感器数量(个)肩部(Shoulder)3*2=6(Pitch、Yaw、Roll)66肘部(Elbow)1*2=2(Pitch)22腕
51、部(Wrist)1*2=2(Roll)2*2=4(Pitch、Yaw)624躯干(Torso)1+1=2(Yaw、Roll)22髋部(Hip)2*2=4(Roll、Yaw)1*2=2(Pitch)66膝关节(Knee)1*2=2(Pitch)22脚踝(Ankle)2*2=4(Pitch、Roll)426总计141428428上臂腿部机械设备 行业深度报告 17 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s 设机器人产量到 10 万台、100 万台时,均价分别降低至 1000 元/个、500 元/个,对应人形机器人用关节力传感器市场空间分别为 28 亿元、140 亿元。图表24
52、:机器人关节力传感器数量计算 资料来源:方正证券研究所 总体上看,在手腕、脚踝处使用六维力矩传感器、关节处使用一维力/力矩传感器的假设下,我们测算人形机器人销量达到 10 万台、100 万台时,对应六维力、力矩传感器市场空间有望分别达到 48 亿元、260 亿元。人形机器人销量(万台)/10100单个六维力矩传感器价格(万元/个)3.20.50.3使用数量(个/台)444单机价值量(万元/台)a12.821.2人形机器人用六维力矩传感器市场空间(亿元)c/20120单个关节力控传感器均价(万元/个)0.20.10.05使用数量(个/台)282828单机价值量(万元/台)b5.62.81.4人形
53、机器人用关节力传感器市场空间(亿元)d/28140合计单机价值量18.44.82.6合计人形机器人力传感器市场空间/48260机械设备 行业深度报告 18 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s 5 5 力传感器企业布局情况介绍力传感器企业布局情况介绍 5.15.1 六维力矩传感器竞争格局六维力矩传感器竞争格局 全球六维力/力矩传感器主要品牌可以分为日韩品牌、欧美品牌日韩品牌、欧美品牌、国产品牌国产品牌三类。根据 GGII,日韩地区六维力日韩地区六维力/力矩传感器厂商力矩传感器厂商主要配套当地机器人本体厂商主要配套当地机器人本体厂商,例如,韩国企业 Robotous、A
54、idin 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。欧美欧美品牌可以分为品牌可以分为传统传感器厂商、机器人末端工具厂商传统传感器厂商、机器人末端工具厂商 2 2 类类:1)传统的感器生产商,如 ATI、Bota Systems AG、ME-Mesysteme GmbH、AMTI、Kistler 等;2)机器人末端工具生产商,如 SCHUNK、OnRobot、Robotiq 等,欧美地区厂商合作企业以
55、协作机器人本体厂商为主,主要包括优傲机器人、达明机器人和欧姆龙等。近年来,国产六维力/力矩传感器厂商逐渐成长,如宇立仪器(宇立仪器(SRISRI)、坤维科技、)、坤维科技、鑫精诚、海伯森、蓝点触控、神源生智能鑫精诚、海伯森、蓝点触控、神源生智能、瑞尔特、瑞尔特等等,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25:2022 年中国六维力/力矩传感器竞争格局 图表26:协作机器人领域销量占比 资料来源:高工机器人 GGII、方正证券研究所 资料来
56、源:高工机器人 GGII、方正证券研究所 总体上看,受益于机器人市场需求催化,近年来进入六维力矩传感器的厂商诸多,但真正具备量产能力的厂商仍然较少。据高工机器人按照 2022 年市场销量口径统计,ATIATI、宇立仪器、坤维科技、鑫精诚等处于第一梯队、宇立仪器、坤维科技、鑫精诚等处于第一梯队。其中,ATIATI 作为全球龙头企业,有数十年积累,应用面较广;宇立仪器宇立仪器在工业机器人磨抛、汽车碰撞测试领域应用较多;坤维科技坤维科技在协作机器人、手术机器人、医疗检测机器人、康复机器人等领域具有明显优势,在航空航天领域也具有一定竞争力;鑫精诚鑫精诚则凭借苹果供应商身份将产品导入 3c 行业,同时在
57、机器人及医疗领域也有布局。机械设备 行业深度报告 19 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s 图表27:六维力传感器布局企业介绍 资料来源:企业官网、高工机器人 GGII,方正证券研究所 5.25.2 六维力矩传感器的难点六维力矩传感器的难点 目前,国产六维力/力矩传感器与外资主流传感器在灵敏度、串扰、抗过载能力及灵敏度、串扰、抗过载能力及维间耦合误差维间耦合误差等方面仍存在一定差距。图表28:六维力矩传感器参数对比 资料来源:上海耐创测试技术有限公司,海伯森官网,坤维科技官网,宇立仪器官网、鑫精诚官网,方正证券研究所 串扰串扰的英文为 crosstalk,进口的六维
58、力传感器产品上一般都会有这个指标,一般用来衡量多维力传感器各测量方向间耦合影响,可以反映测量误差水平,是体企业总部准度企业介绍ATI美国0.5-2%ATI工业自动化公司是世界领先的多维力传感器制造商,自1989年以来,ATI工业自动化公司一直致力于开发最先进的产品和解决方案,在世界各地得到了成千上万的成功应用。公司主营业务包括机器人快速转换装置及力传感器。SCHUNK德国2%德国雄克公司(SCHUNK)创建于1945年,主营产品包括精密夹具和自动化抓取系统、传感器等。公司的产品主要应用于机械和自动化领域。Robotiq加拿大3%Robotiq公司成立于2008年,总部位于加拿大魁北克,主营产品
59、包括机器人末端夹具、力矩传感器、机器人相机套件等。OnRobot丹麦3%OnRobot是一家全球性公司,由丹麦OnRobot、匈牙利OptoForce和美国Perception Robotics合并而成。主营产品包括机器人末端夹具、力矩传感器、机器人相机套件等。Sintokogio日本1-3%Sintokogio成立于1934年,是一家总部位于日本的公司,主营业务分为五个部门。铸造部门生产和销售绿砂成型机、绿砂处理系统、化学粘合砂系统等。表面处理部门生产喷丸机、喷气机和喷丸机。环境设备部门生产集尘器、废气净化器、废水处理系统等。物料搬运设备部门提供剪刀式升降机、输送机等。特种设备部门为外围行业
60、生产设备,包括机电一体化、模具和成型。该公司业务遍及全球,亚洲、北美、欧洲是其前三大市场。WACCH-TECH日本1-3%WACOH-TECH成立于2007年,总部位于日本,主营业务包括力传感器和MEMS传感器(加速度、陀螺仪)产品的开发、生产、销售。坤维科技中国0.50%坤维科技成立于2018年,是一家致力于提供高精度力觉传感器(六轴力传感器)及力控解决方案的企业。公司主营智能力觉传感器的研发、制造、销售、及技术推广,开发面向机器人及其他智能装备行业的力觉传感器产品,为机器人及其它智能装备、工业过程监控、产品质量检测、科研测试测量等领域提供力觉测量解决方案及相关产品。鑫精诚中国1-3%深圳市
61、鑫精诚科技有限公司成立于2009年,公司专注于微型压力、称重、多轴力、扭力等多样化的智能传感器及控制仪表的工业级产品研发和创新。为3C自动化设备、精密医疗、农业、新能源锂电、机器人、半导体、航空铁路、高校等领域提供力控系统解决方案与技术合作。宇立仪器中国1-5%宇立仪器有限公司(SRI)是一家集生产、研发于一体的技术密集型企业,是原美国FTSS(现Humanetics ATD)总工黄约博士于2007年创立,公司在多轴力传感器设计领域积累了近20年经验,在汽车行业和工业机器人领域具有较强的竞争优势。蓝点触控中国1-2%蓝点触控(北京)科技有限成立于2019年,是一家专业从事高精度、高性能力传感器
62、以及力控产品研发和生产的高新技术企业。公司在多维力传感器、关节扭矩传感器、机器人力控技术等方面拥有深厚的经验积累和技术优势,现已形成了Wrist六维力传感器、Joint关节扭矩传感器、力控应用软件包等多个产品系列。海伯森中国1-2%海伯森技术(深圳)有限公司成立于2015年,公司始终专注工业传感技术的创新,并在光学精密测量、工业2D/3D检测、机器人智能应用等领域形成了成熟的产品矩阵,主营产品包括3D闪测传感器、3D线光谱共焦传感器、点光谱共焦位移传感器、超高速工业相机和六维力传感器等。指标ATI DELTA机器人手臂六维力传感器(SI-660-60)海伯森HPS-FT060E坤维科技KWR9
63、0鑫精诚XJC-6F-D118-H31-B宇立仪器M3713AFx660N600N400N500N400NFy660N600N400N500N400NFz1980N800N800N500N800NMx60Nm15Nm36Nm12Nm14NmMy60Nm15Nm36Nm12Nm14NmMz60Nm15Nm36Nm12Nm14Nm材质强化不锈钢铝合金不锈钢重量0.913kg0.255kg0.34kg0.106kg直径94mm78mm90mm45mm串扰2%FS3%FS2%FS准度0.5%FS耦合误差0.5%FS重复精度0.1%FS0.5%FS非线性1.25%FS0.5%FS0.5%FS频率 FxF
64、yTz 1500Hz/FzTxTy 1700Hz(响应频率)2000Hz(数据输出频率)1000Hz(采样频率)3200Hz(Free airresonant freq.)过载保护3.8-15.5 FS350%FS300%FS300%FS300%FS分辨率0.01%FS0.03%FS机械设备 行业深度报告 20 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s 现产品性能的关键指标之一。根据坤维科技,比较优秀的串扰指标在比较优秀的串扰指标在 1%FS1%FS 左右,左右,2 2-5%FS5%FS 比较常见比较常见。FS 即 Full Scale,代表六维力矩传感器各方向额定量程。
65、图表29:六维力矩传感器串扰测量结果 资料来源:坤维科技知乎号,方正证券研究所 以六维力传感器为例,分别对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,就可以得到以上测量结果,例如,载荷组 1 中,仅对Fx 方向加载到额定载荷,并假设加载方向和载荷值是准确的,则 Fx 是 100%FS,其它方向是 0%FS。而表中 Fy、Fz、Mx、My、Mz 的测量结果则是在 Fx 作用下的串扰。因为此时 Fy、Fz、Mx、My、Mz 的理论真值为 0,而 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耦合干扰情况。多维力传感器的厂商往往选择表
66、格中的最大串扰值作为串扰指标。例如,表中 2.9%是串扰结果的最大值,则可以在产品手册中注明“串扰3%”。图表30:多维力传感器精准度图示 资料来源:坤维科技知乎号,方正证券研究所 除此之外,还有准度、精度等指标。精度精度衡量的是测量结果之间的重复性。其检定方法是,在相同环境条件下,在额定载荷范围内,进行多次重复联合加载相同一组载荷后,计算得到的传感器测量值的标准差,并除以量程。准度准度衡量的是测量结果与理论真值的偏离程度。获得方法是对传感器进行多组多维联合加载,计算得到的传感器测量值与所加载荷理论真值之间的标准偏差,并除以量程。机械设备 行业深度报告 21 敬 请 关 注 文 后 特 别 声
67、 明 与 免 责 条 款 s 6 6 重点标的重点标的 6.16.1 柯力传感:柯力传感:称重传感器称重传感器龙头企业,龙头企业,向多物理量传感器平台型企业转型向多物理量传感器平台型企业转型 宁波柯力传感科技股份有限公司成立于 1995 年,是智能传感器行业领军企业,主要研制和生产各类型物理量传感器,以及不同工业物联网系统及多场景应用解决方案。目前已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。公司主营业务为研制、生产和销售应变式传感器、仪表应变式传感器、仪表等元器件;提供系统集成及干粉砂浆第三方系统服务、不停车检测系统干粉砂浆第三方系统服务、不停车检测系统、无人值守一卡通智能称
68、重系统、制造业人工智能系统、企业数字化建设软件开发服务、移动资产管理系统、物流分拣系统等。在机器人领域,据公司 2023 年 9 月 4 日公开投资者问答平台回复,近年来公司研发、试制、生产的部分传感器可应用于工业机器人工业机器人相关领域,可用于机器人领域的传感器大部分处于小批量试制阶段。据公司 2023 年 11 月 10 日公开投资者问答平台,公司开发了三维力、六维力等多维力传感器三维力、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、医疗设备精密测控等,具有高精度、高灵敏度、抗偏载能力强、维间耦合小等特点。目前多维力系列产品仍处于小批量试制阶段小批
69、量试制阶段。6.26.2 中航电测:中航电测:智能测控智能测控领军企业,军民业务多点开花领军企业,军民业务多点开花 公司是中国航空工业集团公司控股企业。目前业务和产品主要涉及飞机测控产品和配电系统、电阻应变计、应变式传感器、称重仪表和软件、机动车检测系统、驾驶员智能化培训及考试系统、智慧物流分拣系统、智能工业称重系统、智能仓储配送系统、智能车载称重系统、精密测控器件等多个方向及领域,按照业务属性划分为航空军品、传感控制、智能交通航空军品、传感控制、智能交通等业务板块。随着国家航空军工产业快速发展及“互联网+”、“一带一路”等战略的逐步实施,高精度工业测量与控制、自动化生产设备、系统解决方案业务
70、等发展环境更趋优化。公司依托智能测控核心技术,以成为智能测控产品解决方案的一流供应商为目标,坚持军用与民用领域并重,主要业务实现持续稳健发展,核心竞争力进一步提升。2022 年年报显示,公司在消费电子业务已正式进入汽车电子、机器人领域;对于机器人及智能化,公司在公开投资者问答平台 2023 年 11 月 6 日回复,公司一直直在密切关注相关领域的应用和发展,在此方面有明确的发展规划在密切关注相关领域的应用和发展,在此方面有明确的发展规划,公司产品未来公司产品未来会大力拓展在智能化方面的应用会大力拓展在智能化方面的应用。6.36.3 八方股份:电踏车电机龙头企业,掌握力矩传感器核心技术八方股份:
71、电踏车电机龙头企业,掌握力矩传感器核心技术 公司成立于 2003 年,主要从事电踏车(即电动助力车)电机及配套电气系统电踏车(即电动助力车)电机及配套电气系统的研发、生产、销售和技术服务,公司产品主要应用于电踏车。电踏车外形类似于自行车,配备专门电池作为辅助动力来源,配备电机作为动力辅助系统。电踏车既保留了自行车通过踏板行进的操作习惯,又可借助电助力优化客户的骑行体验,可以满足通勤、郊游、户外运动等多样化的需求。经过多年发展,公司已经拥有中置电机、轮毂电机中置电机、轮毂电机两大电机类型多种型号电机产品,并具备控制器、传感器、仪表、电池等成套电气系统控制器、传感器、仪表、电池等成套电气系统的配套
72、供应能力,能为机械设备 行业深度报告 22 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s 山地车、公路车、城市车等不同类型的电踏车提供电气系统适配方案。此外,公司的轮毂电机产品经过改动还可应用于电动轮椅车、电动滑板车以及园林割草机等领域。此外,公司拥有较强的设计研发能力,是全球少数掌握力矩传感器核心技术的企是全球少数掌握力矩传感器核心技术的企业之一业之一,产品技术指标达到国际先进水平。公司力矩传感器力矩传感器和速度传感器均应用于电动两轮车产品,采用磁致伸缩原理。据公司 2023 年 12 月 15 日在投资者问答平台回复,目前仍专注于电动两轮车行业,未就业务领域向机器人方向延
73、伸开展论证研究。图表31:电踏车电气系统主要部件 资料来源:公司 2022 年年报、方正证券研究所 6.46.4 东华测试:结构力学测试领军企业,推进力矩传感器产品研发东华测试:结构力学测试领军企业,推进力矩传感器产品研发 公司成立于 1993 年,为国内领先的结构力学性能研究和电化学工作站整体解决方案提供商。30 余年来,公司始终专注于智能化测控系统的研发和生产拥有结构结构力学性能测试分析系统力学性能测试分析系统、结构安全在线监测及防务装备 PHM 系统、基于 PHM 的设备智能维保管理平台、电化学工作站四大类产品线,包含传感器、测控系统硬件和分析与控制软件平台,所有产品均为自主研发、设计和
74、生产,拥有独立自主的知识产权。目前,公司 60%以上的产品应用于国防工业。在传感器领域,公司产品包括加速度传感器、速度传感器、位移传感器、应变传感器、转速传感器、压力传感器压力传感器及各类缓变量传感器等,产品可靠性高、稳定性高、指标优异,适用于各种恶劣环境。品质保证方面,公司传感器事业部拥有经验丰富的优秀设计团队、快速响应的生产工艺制程、全套进口的数控加工设备和全面的质量管理体系,在保证各种零部件的加工精度的前提下,可快速灵活的响应市场需求;传感器事业部采用全套进口先进的振动校准测试系统对产品进行质量控制;同时公司配备多种环境试验设备(高低温、沙尘、盐雾、水下),对产品进行全方位的环境测试,保
75、证产品在各种恶劣环境下的可靠性。根据 2023 年 11 月 6 日,公司在投资者问答平台回复,在机器人领域,公司现有公司现有产品可用于机器人的结构力学性能分析与优化设计,帮助优化机器人产品可用于机器人的结构力学性能分析与优化设计,帮助优化机器人的机械性能的机械性能和运动控制和运动控制。目前相关应用的销售收入较小,目前正在推进力矩传感器研发样品正在推进力矩传感器研发样品试制试制。此外,公司也将根据产品情况及市场需求,积极拓展应用场景。机械设备 行业深度报告 23 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s 6.56.5 康斯特:校准测试龙头企业,康斯特:校准测试龙头企业,M
76、EMSMEMS 传感器绘制第二成长曲线传感器绘制第二成长曲线 北京康斯特仪表科技股份有限公司总部位于北京市海淀区,是一家集机电一体化、软件算法开发、精密制造于一体的高端校准测试仪器上市企业,主营业务为数字检测仪器设备研发、生产与销售,为全球用户提供高性能和高可靠性的压力、过压力、过程信号、温湿度校准测试程信号、温湿度校准测试产品解决方案。据公司年报,2022 年,公司数字压力检测产品收入 2.97 亿元,占校准测试产品收入 76%,温湿度检测产品占比 17.9%,过程信号检测产品占比 6.1%。在数字压力检测产品领域,公司产品主要包括压力校验仪、数字压力表、压力泵压力校验仪、数字压力表、压力泵
77、等,主要用于计量检测、发电/电网、油气田、炼油、储气管道、华工、冶金、医疗等领域,压力控制器压力控制器,用于计量检测、传感器/仪表等生产测试。目前,公司正目前,公司正加速加速布局布局 MEMSMEMS 压力传感器及垂直压力传感器及垂直制造项目。制造项目。经过二十余年的技术积累,公司在传感器的测评和补偿算法方面已经处于国际领先水平,目前正加速进行多结构传感器开发与产线设计;同时继续拓展与具备硅压力传感器芯片设计/制造机构的合作渠道与模式,加快 MEMS 传感器垂直产业项目落地,逐步构建起压力传感器、数字压力检测产品、压力变送器的产业结构链,提升高端传感器垂直化产品的供给能力。此外,项目产品压力传
78、感器及终端仪表精度较高,最高最高综合精度为综合精度为 0.01%F.S0.01%F.S。据公司 2023 年 12 月 22 日公开投资者调研纪要,当前,公司主营的压力校准测试产品中,高精度压力传感器基本 100%来自进口,但外采传感器指标参数已无法满足高端压力仪表研发需求,终端仪表对传感器的精度要求也在快速提升,并且考虑到潜在的卡脖子风险,自制传感器自制传感器重要性不言而喻。预计预计 2 2024024 年年 5 5 月份左月份左右进行试生产右进行试生产,未来,公司的传感器除了自用外,会将压力传感器芯体垂直加工成现场的压力仪表等产品,例如压力变送器以及数字型的压力传感器,主要以流程工业中的相
79、关应用场景为主,同时也会捕捉产品在离散制造场景下的应用契机。高端压力传感器的壁垒,一方面来自于需求散点化,由于高端压力传感器缺少规模优势,主要以计量级、航空级、工业级为主,相比车规级,需求更加散点化且应用规模没有消费级、车规级大,需要对产品需求准确理解,将拉长回报周期。另一方面,高端产品精度高、外界因素对产品性能影响大,因此在制造技术方面需要长期积累,尤其是测评体系,直接决定了产品最终的整体性能,公司在以上两点均具备较强优势。此外,公司还拓展压力控制器压力控制器产品,该产品为传感器相关生产企业的工装测试设备,而且是智能化的工装测试设备,在保证用户生产的传感器及仪表产品的功能、性能及一致性的同时
80、,可以大幅提高用户的生产效率。该产品目前已有订单并形成收入,2023 年 9 月上市,11 月正式供货,但目前体量较小。对于人形机器人,公司 2023 年 11 月 24 日在投资者问答平台表示,暂未启动拓展至人型机器人的消费级应用规划。但公司会顺应人口结构变化的趋势,关注协作机器人、服务器人等产业的进展,捕捉相关产品在场景下的应用契机。机械设备 行业深度报告 24 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款 s 7 7 风险提示风险提示 下游需求不及预期下游需求不及预期。当前六维力矩传感器尚处于发展初期,全球力矩传感器市场规模也在数百亿元,仍有提升空间。但如果下游需求,例如机
81、器人需求不及预期,可能会无法满足支撑力传感器领域市场规模的快速增长。降本不及预期。降本不及预期。当前六维力矩传感器仍然处于较高价格,而人形机器人要实现商业化普及,单机价格有限,因此若六维力/力矩传感器降本不及预期,可能无法使用在机器人中。测算误差风险。测算误差风险。文中对人形机器人使用力传感器的假设是基于手腕、脚踝 4 处使用六维力矩传感器,关节处使用一维力/力矩创安淇的假设,当前人形机器人尚处于研发阶段,传感器解决方案仍有很大不确定性。若未采用力传感器,而使用电流环控制等,则力传感器市场规模可能无法达到文中测算的规模。技术研发不及预期风险技术研发不及预期风险。六维力矩传感器属于技术难度较大的
82、传感器,目前处于发展初期,国外企业在技术上占据优势,国内生产产品与其相比,在耦合误差、抗过载能力、灵敏度等方面仍有差异。若国内企业在传感器方面无法达到下游厂商要求技术水平,可能会影响业务拓展。机械设备 行业深度报告 25 敬 请 关 注 文 后 特 别 声 明 与 免 责 条 款s分析师声明分析师声明 作者具有中国证券业协会授予的证券投资咨询执业资格,保证报告所采用的数据和信息均来自公开合规渠道,分析逻辑基于作者的职业理解,本报告清晰准确地反映了作者的研究观点,力求独立、客观和公正,结论不受任何第三方的授意或影响。研究报告对所涉及的证券或发行人的评价是分析师本人通过财务分析预测、数量化方法、或
83、行业比较分析所得出的结论,但使用以上信息和分析方法存在局限性。特此声明。免责声明免责声明 本研究报告由方正证券制作及在中国(香港和澳门特别行政区、台湾省除外)发布。根据证券期货投资者适当性管理办法,本报告内容仅供我公司适当性评级为 C3 及以上等级的投资者使用,本公司不会因接收人收到本报告而视其为本公司的当然客户。若您并非前述等级的投资者,为保证服务质量、控制风险,请勿订阅本报告中的信息,本资料难以设置访问权限,若给您造成不便,敬请谅解。在任何情况下,本报告的内容不构成对任何人的投资建议,也没有考虑到个别客户特殊的投资目标、财务状况或需求,方正证券不对任何人因使用本报告所载任何内容所引致的任何
84、损失负任何责任,投资者需自行承担风险。本报告版权仅为方正证券所有,本公司对本报告保留一切法律权利。未经本公司事先书面授权,任何机构或个人不得以任何形式复制、转发或公开传播本报告的全部或部分内容,不得将报告内容作为诉讼、仲裁、传媒所引用之证明或依据,不得用于营利或用于未经允许的其它用途。如需引用、刊发或转载本报告,需注明出处且不得进行任何有悖原意的引用、删节和修改。评级评级说明:说明:类别类别 评级评级 说明说明 公司评级 强烈推荐 分析师预测未来12个月内相对同期基准指数有20%以上的涨幅。推荐 分析师预测未来12个月内相对同期基准指数有10%以上的涨幅。中性 分析师预测未来12个月内相对同期
85、基准指数在-10%和10%之间波动。减持 分析师预测未来12个月内相对同期基准指数有10%以上的跌幅。行业评级 推荐 分析师预测未来12个月内行业表现强于同期基准指数。中性 分析师预测未来12个月内行业表现与同期基准指数持平。减持 分析师预测未来12个月内行业表现弱于同期基准指数。基准指数说明 A股市场以沪深300 指数为基准;香港市场以恒生指数为基准,美股市场以标普500指数为基准。方正证券研究所联系方式:方正证券研究所联系方式:北京:西城区展览馆路 48 号新联写字楼 6 层 上海:静安区延平路71号延平大厦2楼 深圳:福田区竹子林紫竹七道光大银行大厦31层 广州:天河区兴盛路12号楼隽峰苑2期3层方正证券 长沙:天心区湘江中路二段36号华远国际中心37层 E-mail: