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1、 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分,请务必一起阅读。1 证券研究报告 汽车汽车 机器人系列六:怎么看触觉传感器机器人系列六:怎么看触觉传感器 华泰研究华泰研究 汽车汽车 增持增持 (维持维持)汽车零部件汽车零部件 增持增持 (维持维持)研究员 宋亭亭宋亭亭 SAC No.S0570522110001 SFC No.BTK945 +(86)10 6321 1166 研究员 申建国申建国 SAC No.S0570522020002 +(86)755 8249 2388 联系人 陈诗慧陈诗慧 SAC No.S0570122070128 SFC No.BTK466 +(86)21 2897
2、2228 行业行业走势图走势图 资料来源:Wind,华泰研究 2024 年 1 月 19 日中国内地 专题研究专题研究 触觉传感器从刚性向柔性化、高灵敏高阵列发展,特斯拉催化值得期待触觉传感器从刚性向柔性化、高灵敏高阵列发展,特斯拉催化值得期待 灵巧手的触觉传感器为机器人手部抓握的核心元件,其底层技术原理是将压力转为电信号,估算法向力和剪切力,经数十年发展,从刚性感知路线向柔性化、高灵敏、高阵列发展。目前海外业界和学界已诞生较先进、应用广泛的灵巧手触觉感知方案,包括阵列式方案、实用性强的 TakkTile,搭配压力触觉传感器、24 个自由度的 Shadow Hand,搭配光学方案、测量估算接触
3、力和滑动力的 GelSight,采用流体式方案、可测量法向力和剪切力的 BioTac,以及搭配了全新双手、能灵活抓握鸡蛋的特斯拉 GEN2 机器人,往后看特斯拉手部传感还存在相当的提升空间,期待其技术迭代持续催化赛道行情。技术如何?衍生电容技术如何?衍生电容/压电压电/压阻压阻/光学光学/流体式等多种技术,表现各有千秋流体式等多种技术,表现各有千秋 机器人触觉传感器已衍生出电阻式/电容式/压电式/热电式/磁电式/力敏式/光学式/超声式/流体式等多种路线,其中压阻式/电容式/压电式为主流路线,技术成熟且产业有较多验证:压阻式和电容式原理相近,均为外力使电阻或电容发生变化;压电式可以自发电,应用场
4、景更广泛;光学式一般有较高空间分辨率和较宽动态响应范围,特殊产品品类可检测法向力和剪切力;流体式方案典型代表为 BioTac,其触觉传感由柔性橡胶皮、离子导电流体层等组成,当接触力扭曲弹性皮肤和皮下的导电液体,检测电阻抗变化,可通过机器学习测量法向力和剪切力,多为灵巧手实验室使用。发展如何?发展如何?多模式和新型触觉触感器涌现,进一步优化感知性能多模式和新型触觉触感器涌现,进一步优化感知性能 学界业界探索多种多模式和新型传感器,以提升感知性能、降低生产难度。多模式触觉传感器路线包括多传感技术融合,如在 PVDF 压电薄膜添加电阻或电容敏感元件,可测量动态力和静态力;集成电气接口优化传感器的制造
5、流程;集成多域信号的功能感知结构,实现多阵列单芯片。此外近年也涌现新型传感器,如量子隧道效应传感器、有机场效应晶体管传感器、结构声触觉传感器、纳米触觉传感器等。其中量子隧道效应传感器由金属体和弹性导电体材料构成,能感受微小形变、检测针尖与目标物体的作用力,但易磨损。壁垒如何?壁垒如何?材料材料+工艺工艺+算法算法提升甚至新增传感能力,构筑行业高竞争壁垒提升甚至新增传感能力,构筑行业高竞争壁垒 触觉传感的核心指标为空间分辨率/力敏感性/减少零漂和边缘层盲区检测/优化处理数据等,材料+工艺+算法三端优化可改善感知能力:材料端直接影响性能和寿命,不同传感路线需适配不同材料,而材料改性可直接提高传感性
6、能、新增传感能力,如通过材料的化学功能化,多壁碳纳米管既可用于传统柔性触觉传感,也可用于热触觉传感和电子皮肤。加工端上 MEMS 工艺可高精度加工二三维微结构,产品量产一致性好,但设备易磨损,产业探索结合微观结构和宏观制备的微凹版印刷工艺生产柔性电子薄膜。算法上涉及复杂的标定-解耦算法,需大量实验数据支撑,对厂商的软件能力要求较高。投资机遇何处?国产化进程尚不清晰,或演绎映射主题投资行情投资机遇何处?国产化进程尚不清晰,或演绎映射主题投资行情 我们认为触觉传感器赛道或演绎映射主题行情:核心催化或主要来自特斯拉公开视频展示的灵巧手动作,在硬件终局方案趋于收敛下,灵巧手为少数技术变动性较大的核心部
7、位,我们判断后续或有动作更优化、测试内容更多的手部展示,有望持续催化赛道行情;该板块国产化进程尚不清晰,海内外技术差距较大,我们判断,具有柔性传感技术储备、MEMS 相关制备工艺、柔性感知材料认知较强、电子皮肤技术同源的国产厂商或享有映射投资红利。风险提示:技术进度不及预期;国产化进程不及预期。(24)(17)(9)(2)6Jan-23May-23Sep-23Jan-24(%)汽车汽车零部件沪深300 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分,请务必一起阅读。2 汽车汽车 正文目录正文目录 风起青萍之末:由刚性传感向柔性化风起青萍之末:由刚性传感向柔性化/多阵列多阵列/高灵敏发展高灵敏发展.
8、3 浪成微澜之间:衍生电容浪成微澜之间:衍生电容/压电压电/压阻压阻/光学光学/流体式等多路径流体式等多路径.6 技术原理:将压力转为电信号,分辨率和敏感度为重要指标.6 技术路线:引入多种传感路线和先进工艺,最大化感知性能.7 城起日拱一卒:材料城起日拱一卒:材料+工艺工艺+算法高筑竞争壁垒算法高筑竞争壁垒.11 材料端:影响性能和寿命,材料改性可提升+扩展感知能力.11 加工端:全产业流程贯通较难,降本不易.12 算法端:涉及复杂的标定-解耦算法,需大量实验数据支撑.13 势成功不唐捐:电子皮肤为触觉传感器势成功不唐捐:电子皮肤为触觉传感器 2.0.14 风险提示.14 8YwVzXhXk
9、XeYpW7NcM8OsQqQoMrNiNqQrQjMtRmO7NqRrQwMmRtMMYpNtO 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分,请务必一起阅读。3 汽车汽车 风起青萍之末:由刚性传感向柔性化风起青萍之末:由刚性传感向柔性化/多阵列多阵列/高灵敏高灵敏发展发展 触觉传感器向柔性化、高灵敏高阵列方向发展。触觉传感器向柔性化、高灵敏高阵列方向发展。灵巧手的研究最早可以追溯到 1900 年左右,触觉为其中的重要模块,20 世纪 80 年代到 90 年代,基于触觉测量原理,学界业界涌现出电阻式、电容式、压电式、热电式、磁电式、力敏式、光电式、超声式、光纤式等多种触觉传感器,1990 年,
10、Thomas H.Speeter 利用电阻式柔性触觉传感阵列,开发出一套较简陋的关节式机械手触觉传感系统,1992 年,HARA.T 采用一种压敏导电橡胶传感器,增强了传感器的柔韧性。后来随着 MEMS 技术、加工工艺、新材料的发展,触觉传感器朝柔性化、高阵列、高灵敏、轻量化方向发展,2010 年,大阪府立大学采用接触打印的方法,开发出有 2-15kPa 线性工作范围的高性能电子皮肤。图表图表1:灵巧手发展历史复盘灵巧手发展历史复盘 资料来源:Stanford Seminar-Get in touch:Tactile perception for human-robot systems、华泰研
11、究 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分,请务必一起阅读。4 汽车汽车 目前海外发展较先进、广泛应用在实验室的灵巧手方案为:TakkTile:实用性强的:实用性强的阵列式阵列式触觉传感器方案触觉传感器方案。TakkTile 的 3 个模块化指尖配有 TakkTile传感器板,每块板有 6 个传感器阵列,手掌也带有 TakkTile 传感器,包含 18 个传感器阵列。TakkTile 利用 MEMS 气压计,以现有系统成本的一小部分提供 1 克的灵敏度,其封装足够耐用,可以承受 25 磅重量的挤压。TakkTile 成本较低,三指触觉感知系统仅 1299美金,广泛应用在实验室中,学界基于
12、Takktile 传感器,通过以特定的空间配置排列传感器,并将分析模型拟合到校准数据,可构建 6 轴力矩传感器测量多轴力。Shadow hand:搭配压力触觉传感器的全球领先灵巧手搭配压力触觉传感器的全球领先灵巧手。一手包含 20 个电机,由肌腱驱动,24 个自由度,其产品拥有 100 多个运行频率高达 1KHz 的传感器,压力触觉传感器(PST)安装在指尖,手传感器节点由遍布手掌、手指和拇指的多个 PCB 组成,读取关节位置数据和触觉传感数据,以原始形式将其提供给通信总线,并在主机上进行校准。Shadow hand 是一个独立的系统,所有的驱动和传感都内置在手和前臂中,目前应用在抓握、操纵、
13、神经控制、脑机接口、工业质量控制和危险材料处理的研究,手和前臂的总重量为 4.3 公斤,在大力抓握时手最多可支撑 5 公斤。GelSight:基于视觉的光学触觉传感器,可测量估计几何形状和力且具备高分辨率:基于视觉的光学触觉传感器,可测量估计几何形状和力且具备高分辨率。与测量接触力的传统触觉传感器不同,GelSight 使用可变形弹性体片作为接触介质,并使用嵌入式摄像头捕捉弹性体表面的变形,可直接测量其垂直和横向的变形,进而推断接触力和滑动力。BioTac:流体式触觉传感方案。:流体式触觉传感方案。BioTac 由柔性橡胶皮、离子导电流体层等组成,当接触力扭曲弹性皮肤和下面的导电液体时,可以检
14、测分布在核心上的 19 个电极之间的电阻抗变化,并通过机器学习或直接提取力和接触点分析方法,测量法向力和剪切力。图表图表2:TakkTile 公司的灵巧手产品公司的灵巧手产品 图表图表3:Shadow Robot 公司的产品公司的产品 Shadow hand 资料来源:公司官网、华泰研究 资料来源:公司官网、华泰研究 图表图表4:GelSight 公司的灵巧手产品公司的灵巧手产品 图表图表5:Syntouch 公司的产品公司的产品 Biotach 资料来源:公司官网、华泰研究 资料来源:公司官网、华泰研究 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分,请务必一起阅读。5 汽车汽车 特斯拉特斯拉
15、GEN2 展示更灵敏的手部动作,后续迭代进化值得期待展示更灵敏的手部动作,后续迭代进化值得期待。23 年 12 月特斯拉公开GEN2 视频,我们认为 GEN-2 的超预期点在于搭配了全新的双手配置,动作更为灵敏,能够灵活抓握鸡蛋。我们认为机器人抓取 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。图表图表6:12 月特斯拉展示的月特斯拉展示的 GEN-2 展示了优秀的抓握动作展示了优秀的抓握动作 资料来源:特斯拉官方推特、华泰研究 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分,请务必一起阅读。6 汽车汽车
16、 浪成微澜之间:浪成微澜之间:衍生电容衍生电容/压电压电/压阻压阻/光学光学/流体式等多流体式等多路径路径 技术原理:将压力转为电信号,技术原理:将压力转为电信号,分辨率和敏感分辨率和敏感度为重要指标度为重要指标 触觉传感器的技术原理即触觉传感器的技术原理即将压力转为电信号,估算法向力和剪切力。将压力转为电信号,估算法向力和剪切力。触觉传感器的底层技术原理是基于具有“触觉”的传感器,由压力产生电流传输二进制信号,再通过更高层的算法实现触觉操作反馈,即通过测量目标物体与传感器的电子或机械变化,感知并估算接触力的大小,包括法向力和剪切力,推断物体本身的纹理、形状、硬度、温度,甚至可以检测摩擦力以调
17、整灵巧手的抓握稳定性。图表图表7:人类的触觉反馈系统人类的触觉反馈系统 图表图表8:机器手触觉反馈系统机器手触觉反馈系统 资料来源:Stanford Seminar-Get in touch:Tactile perception for human-robot systems、华泰研究 资料来源:张江科技评论、华泰研究 设计触觉传感器应考虑灵敏度、检测范围、响应时间和空间分辨率等性能参数,从“传感器-对象”的感知路径中获得精确信息,触觉传感器的性能要求一般依赖于应用场景和实现目标,以贴近人类皮肤的压力感应特性为性能参考,此外还需要考虑线性、滞后、串扰等实际应用问题。图表图表9:人皮肤的压力传感
18、特性人皮肤的压力传感特性 参数 人体皮肤 敏感度 检测阈值:1mN1 检测范围 10kPa45 响应时间 15ms1 空间分辨率 1mm46 资料来源:Y.Wan,W.Yan,C.Guo.Recent progresses on flexible tactile sensors.Materials Today Physics,2017,1,61-73.、华泰研究 触觉传感器的重要衡量指标:空间分辨率和力敏感性触觉传感器的重要衡量指标:空间分辨率和力敏感性。(1)空间分辨率:空间分辨率:即传感器区分两个独立接触点的最小距离,代表能多精确地检测接触位置。从制造和算法的角度来看,增加触觉传感器的空间
19、分辨率需要更高密度的感知单元,因此价格较贵。一般来说,对于操纵任务,预计指尖可以在大约 1mm 的范围内解析接触位置,基于等效的人类空间敏锐度。(2)力敏感性:力敏感性:即最小可检测的施加力的变化。传感器的动态范围、传感器能够测量的最小力和最大力之间的范围,通常与传感器的敏感性相互关联:高敏感性的传感器通常不能测量大力,反之亦然。根据 Data-driven Tactile Sensing using Spatially Overlapping Signals(2020),大多数正常的操纵任务是在 0.1-1 N 的范围内的力,但对于功能任务和重物,可能需要更大的力。免责声明和披露以及分析师声
20、明是报告的一部分,请务必一起阅读。7 汽车汽车 触觉传感器一般面临的挑战为零漂和处理数据触觉传感器一般面临的挑战为零漂和处理数据。(1)零漂零漂:与独立传感器不同,手指触觉传感器的性能也取决于自身的形状和覆盖范围,在手指的实际操作时,会出现不连续的触觉感知“补丁”(patch),以及“感知盲区”(如手指更高曲率的边缘或角落)。(2)处理系处理系统统收集收集的触觉数据的触觉数据。与机器人技术中使用的其他传感器(尤其是听觉和视觉反馈)相比,触觉传感器数据的属性更加变化无常,触觉传感器信号可能是高维的、噪音大,很可能需要融合几种模式来捕捉描述所有接触物的相关特征。如何将从触觉反馈系统获得的信息整合到
21、控制算法中以增强抓取或操作技能,仍然是学界业界未解决的问题。到目前为止,大多数触觉数据都是使用简单启发式机器学习算法的输入来处理,而机器人学习操纵技能可能需要大量的现实世界数据,因此许多研究人员依赖模拟环境。学界提学界提出了空间重叠信号出了空间重叠信号 spatially overlapping signals 算法模型算法模型+一体化多个传感终端一体化多个传感终端集成方案集成方案,构建出可制造、低线数、集成的触觉传感器。,构建出可制造、低线数、集成的触觉传感器。目前灵巧手的触觉传感器的发展障碍在于难以覆盖多维度表面的信息、多线数、封装工艺等。学界提出将多个传感终端嵌入一体化的软材料中(如下图
22、,用 Takktile 作触觉圆顶中的传感元件,常规 MEMS 气压芯片用橡胶包覆成型,这样能覆盖曲面的柔性可拉伸膜上的矩阵,虽然 Takktile 主要用于测量法向力,但这样的方案中,将其定位在一个角度可以测量剪切力),与传统的、传感终端不能单独测量应变力的织物不同,此类软材料的传感单元能够最大化信号提取的数量、减少总体传感器的电线总数,可以在成对的传感终端之间进行测量。此外,近年学界开发出信号集-接触物分析模型空间重叠信号 spatially overlapping signals,能够提取出接触位置、正常力、压力形状,根据数据建立传感器的正向模型,使用已知特征的受控压痕数据集收集训练数据
23、,直接学习信号和表征接触物的变量之间的映射,这种方案具有性价比,同时能实现曲面覆盖,缺陷是体积较大,不适合集成在人形机器人的手指终端。图表图表10:基于基于 Takktile、能测量剪切力的触觉传感器方案、能测量剪切力的触觉传感器方案 资料来源:Piacenza P.Data-driven Tactile Sensing using Spatially Overlapping SignalsM.Columbia University,2020.、华泰研究 技术路线:引入技术路线:引入多种传感多种传感路线路线和和先进工艺先进工艺,最大化最大化感知性能感知性能 触觉传感的原理是将非电域与电域耦合的
24、机制触觉传感的原理是将非电域与电域耦合的机制。在过去的二十年里,已探索出多种传导原理的触觉传感器,从技术原理上区分来看,包括电阻式(resistive)、电容式(capacitive)、光学式(optical)、超声波式(ultrasonic)、电磁式(magnetism-based)、压电式(piezoelectric)、隧道效应传感器(tunnel effect sensors)等,主流的技术路线有:1)电容式:电容式:外力极板相对位移电容变化测量触觉力。2)电磁感式电磁感式:外力线圈自感系数和互感系数的变化电压电流变化测量触觉力(基于电磁感应原理)。3)光电式:光电式:外力敏感元件的反射
25、强度和光源频率变化测量触觉力(基于全内反射原理)。4)压阻式:压阻式:外力基片形变电阻变化形成电桥,产生不平衡输出(基于半导体材料的压阻效应)。5)压电式:压电式:外力压电材料两端面出现电位差,反之,施加电压产生机械应力。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分,请务必一起阅读。8 汽车汽车 目前有效域耦合机制包括电容式、压阻式、压电式、光学式等,其在 MEMS/NEMS 上能实现稳定的功能,其中压阻式、电容式、压电式更常见其中压阻式、电容式、压电式更常见,压阻式和电容式原理相近,均为外力使电阻或电容发生变化,进而检测压力大小,压电式材料则具有压电效应,可以自发电,应用场景更广泛(材料受外力
26、时,两个相对面会产生正负相反的电荷,且电荷数量与材料所受力正相关)。图表11:电容电容/压阻压阻/压电压电/光学光学/电感式触觉传感器方案电感式触觉传感器方案对比对比 传感原理 传感结构相关 读出系统相关 优点 缺点 电容式 高灵敏度、高分辨率、动态测量范围大、静态和动态测量、易受噪声影响 高度集成、中等复杂度、中等功耗、高便携性 测量量程大、线性度好、制造成本低、实时性高 物理尺寸大,不易集成化;易受噪声影响,稳定性差 压阻式 高灵敏度、高分辨率、抗噪声能力强、原位结构化传感器、易受滞后影响 高度集成、高度低复杂性、高便携性、高功耗 较高的灵敏度、过载承受能力强 压敏电阻漏电流稳定性差;体积
27、大,不易实现微型化;功耗高;易受噪声影响;接触表面易碎 压电式 高灵敏度、动态范围大、高频率响应、低空间分辨率 高度集成、中等复杂度、中等便携性、体积小、中等功耗 动态范围宽、有较好的耐用性 易受热响应效应影响 光电式 高灵敏度、大动态范围、高频响应、高空间分辨率 高度集成、中等复杂度、中等功耗、中等便携性 灵敏度高、响应快、较高的空间分辨率、电磁干扰影响较小 多力共同作用时,线性度较低;数据实时性差;标定困难 电感式-制造成本低、测量量程范围大 磁场分布难以控制,分辨率低;不同接触点的一致性差 资料来源:Zou,L.,Ge,C.,Wang,Z.J.,Cretu,E.,&Li,X.(2017)
28、.Novel tactile sensor technology and smart tactile sensing systems:A review.Sensors,17(11),2653.、邓刘刘,邓勇,张磊.智能机器人用触觉传感器应用现状J.现代制造工程(Modern Manufacturing Engineering),2018(2).、张江科技评论、华泰研究 压阻式:压阻式:基于机械材料的压阻效应,通过材料改性可提高导电性能基于机械材料的压阻效应,通过材料改性可提高导电性能 压阻式的原理是用弹性材料的电阻率变化反应压力大小,转化压力信号为电信号,是触觉传感最常用的转导方法之一,其弹性
29、材料可用导电橡胶、导电塑料、导电纤维等复合型高分子导电材料,以及半导体材料,用基片作为测量传感元件,扩散电阻在基片中形成电桥,输出电压信号。学界较常用的是复合型高分子导电材料方案,用导电填充物分散在绝缘基质,由施加的负载产生的基质内部粒子的运动,导致传导路径的重新排列,从而电阻值发生变化,这类方案通常软且成本便宜,缺点是感应响应有温度敏感性和滞后现象,以及压阻材料和条件电路之间电连接的脆弱性。目前学界也常用长碳链材料如黑碳和碳纳米管,用多层设计或做额外微结构进一步提高导电性能。图表图表12:压阻式:压阻式:基于导电橡胶的柔性阵列基于导电橡胶的柔性阵列式式触觉传感器触觉传感器 资料来源:宋爱国.
30、机器人触觉传感器发展概述J.测控技术,2020,39(5):2-8.、华泰研究 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分,请务必一起阅读。9 汽车汽车 电容式:电容式:适合测量小变形量,不受温度限制适合测量小变形量,不受温度限制 电容式主要通过两极板之间的相对位置间距变化,从电容变化检测受力:理论上,当在传感器表面施加三维力,Z 轴的分力对应电容器的极板间距变化(介电层的厚度),X 轴 Y 轴的分力对应电容器两极板间的叠加面积变化,最后将电容值的变化转化为电压信号,衡量三维力。一般电容介质层弹性材料采用聚二甲基硅氧烷 PDMS、聚氨酯 PU 等。电容式方案优势显著,其传感器元件结构简单、可以
31、小型化(结构包括平行板/矩形/金字塔型/球体/柱体),自身不受温度影响,动态范围大且空间分辨率高(根据 Novel Tactile Sensor Technology and Smart Tactile Sensing Systems:A Review,2017,最低分辨率达 3 Pa,最高灵敏度达 0.55 kPa1),但信号检测电路较复杂,且易受噪声影响。图表图表13:基于基于 PORON 聚氨酯材料的电容式柔性触觉传感器聚氨酯材料的电容式柔性触觉传感器 资料来源:宋爱国.机器人触觉传感器发展概述J.测控技术,2020,39(5):2-8.、华泰研究 压电压电式:式:兼备自发电和可逆性,兼
32、备自发电和可逆性,结构简单工作可靠,用于测量动态力结构简单工作可靠,用于测量动态力 压电式基于压电效应,是自发电式和机电转换式的传感器,其敏感元件一般由聚偏二氟乙烯 PVDF 薄膜的压电材料制成,压力材料受力后表面产生电荷,经过放大和变换阻抗后产生电信号输出。压电式的传感元件为无源器件,不用考虑电源信号的干扰,因此可靠性较高(根据 Novel Tactile Sensor Technology and Smart Tactile Sensing Systems:A Review,2017,最大可测量压力范围为 100 MPa),此外压电式体积小轻量化、结构简单工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪
33、比高、性能稳定几乎不滞后,得到了广泛应用。但压电式的电压输出值会随着时间推移而降低,只适用测量动态力。图表图表14:基于基于 PVDF 的的压电式压电式柔性触觉传感器柔性触觉传感器 资料来源:宋爱国.机器人触觉传感器发展概述J.测控技术,2020,39(5):2-8.、华泰研究 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分,请务必一起阅读。10 汽车汽车 电感式电感式:基于电磁感应原理,体积大且分辨率较低,实际应用较少基于电磁感应原理,体积大且分辨率较低,实际应用较少 电感式是基于电磁感应原理,把压力作用转换为线圈的自感系数和互感系数的变化,再通过磁路系统把磁场变化转化为电信号,从而测量压力信号
34、。此类传感器的动态范围宽阔,但体积较大,因此空间分辨率较低,而且需要配置较复杂的解调和信号采集电路,实际应用较少。光学式光学式:基于全内反射原理,能检测法向力和剪切力基于全内反射原理,能检测法向力和剪切力 光学式的基于全内反射原理,反射光式的基于接触面受力变形使得反射光变化。此类传感器由光源和光电探测器构成(传统的是红外发光二极管和光检器,目前用光纤电缆),根据外力的变化,敏感元件的反射强度和光源频率相应变化,对压力、剪切力较敏感,光学的三项力触觉传感器可以检测法向力和剪切力。综上,光学式传感器一般有较高空间分辨率和较宽动态响应范围,可用于感知表面粗糙度(根据 Novel Tactile Se
35、nsor Technology and Smart Tactile Sensing Systems:A Review,2017,粗糙度测量的最佳分辨率约为100nm)、顺应性、剪切和垂直应力(根据 Novel Tactile Sensor Technology and Smart Tactile Sensing Systems:A Review,2017,用于微创手术的光学传感器的分辨率为 0.02 N)。图表图表15:光学式光学式柔性触觉传感器柔性触觉传感器的结构与传导原理的结构与传导原理 资料来源:宋爱国.机器人触觉传感器发展概述J.测控技术,2020,39(5):2-8.、华泰研究 多模
36、式多模式&新型传感器:围绕提升感知性能、降低量产难度新型传感器:围绕提升感知性能、降低量产难度 以上各类传感器均有优劣,而多模式触觉触感器可以引入多种传感和工艺制造技术,实现感知性能最大化:(1)多传感技术融合:)多传感技术融合:如在 PVDF 压电薄膜添加电阻或电容敏感元件,可兼顾动态力和静态力的测量;syntouch 开发出的流体式触觉传感单元 BioTac,融合了多种传感技术,可检测模拟静态力、动态力、温度;(2)集成电气接口)集成电气接口:印刷电路板级集成已应用较多,如电容式和压阻式可通过 MOSFETs 上的 post-CMOS 制造,光学式可利用光致抗蚀剂作为具有光伏微结构的波导;
37、(3)集成)集成多域信号的功能感知结构多域信号的功能感知结构:即多阵列单芯片,如有压阻层的电容式传感器可以测量加速度和位移等动态力、可将多个 MEMS 传感器集成到单个 PCB 上、单一结构多域传感的光纤式即可通过测量反射激光强度来实现软硬机械传感和距离传感。近年来也出现多种新型传感器,如量子隧道效应传感器(QTCs)、MEMS 触觉传感器、有机场效应晶体管(OFET)传感器、结构声触觉传感器、纳米触觉传感器。其中量子隧道效应传量子隧道效应传感器感器由金属体和弹性导电体材料构成,这类材料的电阻可随外力改变,由绝缘体变为导体,性能优异能感受微小形变,甚至可以检测针尖与目标物体的作用力,但容易磨损
38、;大部分触觉传感器基本会应用 MEMS 技术技术,获得高空间分辨率,但 MEMS 触觉设备更容易损坏;OFET 传感器传感器加工工艺简单、造价低,适合大面积应用,但敏感度较低、有迟滞性,仅用于压力传感;结构声触觉传感器和纳米触觉传感器目前仅处在实验室阶段。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分,请务必一起阅读。11 汽车汽车 城起日拱一卒:材料城起日拱一卒:材料+工艺工艺+算法高筑竞争壁垒算法高筑竞争壁垒 材料端:影响性能和寿命,材料改性可提升材料端:影响性能和寿命,材料改性可提升+扩展感知能力扩展感知能力 材料直接影响柔性传感器的寿命与感知能力,材料改性使材料性能提升,扩大应用范围。材料
39、直接影响柔性传感器的寿命与感知能力,材料改性使材料性能提升,扩大应用范围。柔性传感器对材料的要求严格,一方面机器人手指存在边缘感知盲区,需要覆盖柔软性好、贴合物体的感知材料,一方面材料的耐用性和分辨率直接影响传感器的寿命和感知能力。不同技术路线应用的感知材料存在差异:(1)电容式方案)电容式方案可以适配各种材料,多晶硅较常用,聚合物材料的应用加快,尤其是聚二甲基硅氧烷 PDMS,化学稳定性和弹性更好。(2)压阻)压阻/电阻式电阻式一般用金属、半导体、聚合物材料,近年来单晶硅、聚硅、碳纳米管材料、炭黑微/纳米颗粒陆续被证明有效,目前也在碳材料中增加额外的支撑性聚合物做材料改性,比如聚苯乙烯、聚氨
40、酯、PDMS 等。(3)压电式压电式由于依赖压电特性因而能选择的传感材料范围较小,刚性传感器通常选择石英、氧化锌、锆钛酸铅 PZT,柔性传感器一般基于氧化锌纳米材料,聚偏氟乙烯 PVDF 更适配柔性的压电触觉传感器,此外纤维素材料也可用于柔性压电式传感器。(4)光波导材料是光)光波导材料是光学式方案学式方案的关键材料,材料需要满足某些光学透明度和弹性要求,一般用如 ZnCl2 玻璃复合材料、二氧化硅等纤维材料,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)、聚氨酯(PU)和环氧树脂等传统的聚合物纤维,最新光学聚合物包括氘化和卤化聚丙烯酸酯、氟化聚酰亚胺、苯并环丁烯、全氟乙烯基
41、醚共聚物,用于支撑结构的材料包括丙烯酸聚合物、PDMS 和镍钛诺。图表图表16:触觉传感器不同材料性能与要求对比触觉传感器不同材料性能与要求对比 材料类型 加工-沉积 加工-蚀刻 性质 硅基 高温 高真空要求 复杂设备 低速率 高危化学品 复杂设备 良好的机械性能 可调节的电导率 良好的热导率 良好的光学性质 高化学稳定性 金属 温度灵活 真空要求灵活 中等设备复杂度 中等速率 灵活简单的蚀刻方法 简单设备 良好的电导率 良好的热导率 中等化学稳定性 聚合物 低温 低真空要求 简单设备 高速率 安全化学品 高速率 中低机械性能 绝缘体 高度功能化灵活性 良好的光学性质 低化学稳定性,易氧化 资
42、料来源:Zou,L.,Ge,C.,Wang,Z.J.,Cretu,E.,&Li,X.(2017).Novel tactile sensor technology and smart tactile sensing systems:A review.Sensors,17(11),2653.、华泰研究 通过材料改性可提高通过材料改性可提高甚至是甚至是新增传感能力,多壁碳纳米管改性可用于电子皮肤新增传感能力,多壁碳纳米管改性可用于电子皮肤。触觉传感器的重要发展趋势为材料改性,即材料功能化,包括物理功能化和化学功能化:(1)物理功能化包括表面功能化和本体功能化。典型的本体功能化方法是将添加剂混合到目标
43、材料中以获得某些功能特性,比如炭黑微粒被混合到压阻式的热塑料中等。表面功能化是在非功能表面上做 2D 或 3D 功能涂层,如导电层可以涂覆在聚合物悬浮结构表面,可制造电容/压阻传感器;在压电功能涂层和导电功能涂层的序列中,可制造柔性压电触觉传感器。(2)化学功能化可以通过将用于特定传感目的的功能团结合到大分子上,使材料具有额外的传感能力。如多壁碳纳米管(MWNT),除了实现传统的柔性触觉传感器的能力,还可用于热触觉传感或电子皮肤。目前学界已开发出水凝胶体系、栗子导电型透明材料体系、高拉伸性聚氨酯材料体系。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分,请务必一起阅读。12 汽车汽车 加工端:全产业
44、流程贯通较难,降本不易加工端:全产业流程贯通较难,降本不易 从工艺类型看,触觉传感器制造工艺主要包括丝网印刷和 MEMS 工艺,前者制造成本低、简单易操作,适合制备全印刷柔性应变传感器;后者融合了氧化、光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工等技术而成的器件,可以高精度加工二维、三维微结构,产品量产一致性好。但目前工艺还是集中在传感功能的实现,难以实现全产业流程,后期都需要跨尺度制备工艺。触觉传感器的微观结构有应用化学腐蚀、刻蚀、沉积等工艺,宏观制备工艺有静电纺丝、丝网印刷、3D 打印等工艺。有效地结合微观结构和宏观制备的微凹版印刷工艺,未来有望成为重要的柔性电子薄膜的生产工艺。结合微观结构和宏观
45、制备来看,触觉传感器制备工艺可分为表面/整体微机械加工Surface/Bulk Machining、模具成型/压印 Mold/Imprinting、基于光刻的快速 3D 制备 Rapid 3D Fabrication,不同传导原理的触觉传感器选择制备工艺需综合考虑复杂性、稳定性和成本,如微机械加工较为常用,模具成型/压印用于低成本或基于聚合物的柔性触觉传感器,3D 制备工艺适用于电容式和压阻式触觉传感器,以及光学触觉传感器。图表图表17:触觉传感器的制备工艺流程触觉传感器的制备工艺流程 资料来源:Zou,L.,Ge,C.,Wang,Z.J.,Cretu,E.,&Li,X.(2017).Nove
46、l tactile sensor technology and smart tactile sensing systems:A review.Sensors,17(11),2653.、华泰研究 图表图表18:不同触觉传感器适用的加工工艺不同触觉传感器适用的加工工艺 感应原理 复杂性和成本-表面/体积加工 复杂性和成本-模具/压印 复杂性和成本-快速 3D 制造 电容式 高 中 低 压阻式 中 中 低 压电式 低 中 低 光学式 中 低 低 感应原理 稳健性-表面/体积加工 稳健性-模具/压印 稳健性-快速 3D 制造 电容式 低 高 高 压阻式 中 高 高 压电式 高 高 高 光学式 中 资料
47、来源:Zou,L.,Ge,C.,Wang,Z.J.,Cretu,E.,&Li,X.(2017).Novel tactile sensor technology and smart tactile sensing systems:A review.Sensors,17(11),2653.、华泰研究 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分,请务必一起阅读。13 汽车汽车 算法端:涉及复杂的标定算法端:涉及复杂的标定-解耦算法,需大量实验数据支撑解耦算法,需大量实验数据支撑 以电阻式触觉传感器的实际应用为例,很难通过理论数学推导输入三维力、传感器变形和输出响应变化的关系,需要大量实验数据支撑,根
48、据不同的解耦方案、结合传感器结构对各类输入-输出关系做标定,从而寻求最优算法。其中,标定即利用标准设备确定传感器输入-输出关系,发现理论与实际的误差,不断修正完善结构与模型,目前标定方案主要是砝码加载式;解耦即通过矫正多变量系统的输出-输入关系,减弱甚至消除这种相关关联,让系统形成多个单输入单输出系统的算法,具体方法有基于最小二乘法、基于模糊推理、基于神经网络。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分,请务必一起阅读。14 汽车汽车 势成功不唐捐:电子皮肤为触觉传感器势成功不唐捐:电子皮肤为触觉传感器 2.0 电子皮肤类似材料与电子技术结合的触觉传感器电子皮肤类似材料与电子技术结合的触觉传感
49、器 2.0,为更高阶、功能更丰富的触觉传感器。,为更高阶、功能更丰富的触觉传感器。电子触觉皮肤作为一种柔性触觉传感器,轻薄柔软,具备高灵敏、拉伸好、快速响应的特点,可像衣服一样依附在机器人表面,其电信号转换机制分为电阻、电容、压电、摩擦电。图表图表19:电子皮肤的电子皮肤的四种四种转换机制转换机制 资料来源:宋爱国.机器人触觉传感器发展概述J.测控技术,2020,39(5):2-8.、华泰研究 高阶的电子皮肤依赖于合适的材料选择、新颖的结构设计、先进的制造工艺高阶的电子皮肤依赖于合适的材料选择、新颖的结构设计、先进的制造工艺,材料尤为重,材料尤为重要。要。电子皮肤的性能主要取决于衬底材料、活性
50、层材料、电极材料,其中衬底材料决定了电子皮肤的弹性形变性能,需具备高柔韧性,一般以聚合物材料为柔性材料基底做材料改性,如 PDMS、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯(PE)、PU、织物等;活性层材料决定电子皮肤的灵敏度,一般用有高导电能力、高弹性导电的材料,如石墨烯、碳纳米管、导电高分子、离子导体、金属纳米材料等;电极材料影响器件灵敏度和稳定性,一般用具有优异导电性能和机械性能的石墨烯、碳纳米管、以及柔性复合材料。风险提示风险提示 1.技术进度不及预期。技术进度不及预期。特斯拉机器人软件硬件能力决定其运动能力,若软件能力迭代不及预期,则会影响机器人的算法迭代和运控规划,
51、动态测试或有不及预期风险;若硬件方案进展不及预期,则会影响机器人的运动执行,可能仍处于低难度的动作执行层面。综上均会对机器人的产业进度造成不利影响。2.国产化进程不及预期。国产化进程不及预期。硬件国产化为特斯拉机器人降本的重要手段,价值量大、国产化空间大的核心硬件环节存在较高的技术壁垒,若国产厂商技术进度不及预期,则可能难以进入机器人供应链,甚至是影响机器人的降本幅度与量产进度。同时若后续硬件方案迭代超预期,而国内厂商未追赶至最新技术方案,亦有难以进入供应链风险。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分,请务必一起阅读。15 汽车汽车 免责免责声明声明 分析师声明分析师声明 本人,宋亭亭、申
52、建国,兹证明本报告所表达的观点准确地反映了分析师对标的证券或发行人的个人意见;彼以往、现在或未来并无就其研究报告所提供的具体建议或所表迖的意见直接或间接收取任何报酬。一般声明及披露一般声明及披露 本报告由华泰证券股份有限公司(已具备中国证监会批准的证券投资咨询业务资格,以下简称“本公司”)制作。本报告所载资料是仅供接收人的严格保密资料。本报告仅供本公司及其客户和其关联机构使用。本公司不因接收人收到本报告而视其为客户。本报告基于本公司认为可靠的、已公开的信息编制,但本公司及其关联机构(以下统称为“华泰”)对该等信息的准确性及完整性不作任何保证。本报告所载的意见、评估及预测仅反映报告发布当日的观点
53、和判断。在不同时期,华泰可能会发出与本报告所载意见、评估及预测不一致的研究报告。同时,本报告所指的证券或投资标的的价格、价值及投资收入可能会波动。以往表现并不能指引未来,未来回报并不能得到保证,并存在损失本金的可能。华泰不保证本报告所含信息保持在最新状态。华泰对本报告所含信息可在不发出通知的情形下做出修改,投资者应当自行关注相应的更新或修改。本公司不是 FINRA 的注册会员,其研究分析师亦没有注册为 FINRA 的研究分析师/不具有 FINRA 分析师的注册资格。华泰力求报告内容客观、公正,但本报告所载的观点、结论和建议仅供参考,不构成购买或出售所述证券的要约或招揽。该等观点、建议并未考虑到
54、个别投资者的具体投资目的、财务状况以及特定需求,在任何时候均不构成对客户私人投资建议。投资者应当充分考虑自身特定状况,并完整理解和使用本报告内容,不应视本报告为做出投资决策的唯一因素。对依据或者使用本报告所造成的一切后果,华泰及作者均不承担任何法律责任。任何形式的分享证券投资收益或者分担证券投资损失的书面或口头承诺均为无效。除非另行说明,本报告中所引用的关于业绩的数据代表过往表现,过往的业绩表现不应作为日后回报的预示。华泰不承诺也不保证任何预示的回报会得以实现,分析中所做的预测可能是基于相应的假设,任何假设的变化可能会显著影响所预测的回报。华泰及作者在自身所知情的范围内,与本报告所指的证券或投
55、资标的不存在法律禁止的利害关系。在法律许可的情况下,华泰可能会持有报告中提到的公司所发行的证券头寸并进行交易,为该公司提供投资银行、财务顾问或者金融产品等相关服务或向该公司招揽业务。华泰的销售人员、交易人员或其他专业人士可能会依据不同假设和标准、采用不同的分析方法而口头或书面发表与本报告意见及建议不一致的市场评论和/或交易观点。华泰没有将此意见及建议向报告所有接收者进行更新的义务。华泰的资产管理部门、自营部门以及其他投资业务部门可能独立做出与本报告中的意见或建议不一致的投资决策。投资者应当考虑到华泰及/或其相关人员可能存在影响本报告观点客观性的潜在利益冲突。投资者请勿将本报告视为投资或其他决定
56、的唯一信赖依据。有关该方面的具体披露请参照本报告尾部。本报告并非意图发送、发布给在当地法律或监管规则下不允许向其发送、发布的机构或人员,也并非意图发送、发布给因可得到、使用本报告的行为而使华泰违反或受制于当地法律或监管规则的机构或人员。本报告版权仅为本公司所有。未经本公司书面许可,任何机构或个人不得以翻版、复制、发表、引用或再次分发他人(无论整份或部分)等任何形式侵犯本公司版权。如征得本公司同意进行引用、刊发的,需在允许的范围内使用,并需在使用前获取独立的法律意见,以确定该引用、刊发符合当地适用法规的要求,同时注明出处为“华泰证券研究所”,且不得对本报告进行任何有悖原意的引用、删节和修改。本公
57、司保留追究相关责任的权利。所有本报告中使用的商标、服务标记及标记均为本公司的商标、服务标记及标记。中国香港中国香港 本报告由华泰证券股份有限公司制作,在香港由华泰金融控股(香港)有限公司向符合证券及期货条例及其附属法律规定的机构投资者和专业投资者的客户进行分发。华泰金融控股(香港)有限公司受香港证券及期货事务监察委员会监管,是华泰国际金融控股有限公司的全资子公司,后者为华泰证券股份有限公司的全资子公司。在香港获得本报告的人员若有任何有关本报告的问题,请与华泰金融控股(香港)有限公司联系。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分,请务必一起阅读。16 汽车汽车 香港香港-重重要监管披露要监管披
58、露 华泰金融控股(香港)有限公司的雇员或其关联人士没有担任本报告中提及的公司或发行人的高级人员。有关重要的披露信息,请参华泰金融控股(香港)有限公司的网页 https:/.hk/stock_disclosure 其他信息请参见下方“美国“美国-重要监管披露”重要监管披露”。美国美国 在美国本报告由华泰证券(美国)有限公司向符合美国监管规定的机构投资者进行发表与分发。华泰证券(美国)有限公司是美国注册经纪商和美国金融业监管局(FINRA)的注册会员。对于其在美国分发的研究报告,华泰证券(美国)有限公司根据1934 年证券交易法(修订版)第 15a-6 条规定以及美国证券交易委员会人员解释,对本研
59、究报告内容负责。华泰证券(美国)有限公司联营公司的分析师不具有美国金融监管(FINRA)分析师的注册资格,可能不属于华泰证券(美国)有限公司的关联人员,因此可能不受 FINRA 关于分析师与标的公司沟通、公开露面和所持交易证券的限制。华泰证券(美国)有限公司是华泰国际金融控股有限公司的全资子公司,后者为华泰证券股份有限公司的全资子公司。任何直接从华泰证券(美国)有限公司收到此报告并希望就本报告所述任何证券进行交易的人士,应通过华泰证券(美国)有限公司进行交易。美国美国-重要监管披露重要监管披露 分析师宋亭亭、申建国本人及相关人士并不担任本报告所提及的标的证券或发行人的高级人员、董事或顾问。分析
60、师及相关人士与本报告所提及的标的证券或发行人并无任何相关财务利益。本披露中所提及的“相关人士”包括FINRA 定义下分析师的家庭成员。分析师根据华泰证券的整体收入和盈利能力获得薪酬,包括源自公司投资银行业务的收入。华泰证券股份有限公司、其子公司和/或其联营公司,及/或不时会以自身或代理形式向客户出售及购买华泰证券研究所覆盖公司的证券/衍生工具,包括股票及债券(包括衍生品)华泰证券研究所覆盖公司的证券/衍生工具,包括股票及债券(包括衍生品)。华泰证券股份有限公司、其子公司和/或其联营公司,及/或其高级管理层、董事和雇员可能会持有本报告中所提到的任何证券(或任何相关投资)头寸,并可能不时进行增持或
61、减持该证券(或投资)。因此,投资者应该意识到可能存在利益冲突。评级说明评级说明 投资评级基于分析师对报告发布日后 6 至 12 个月内行业或公司回报潜力(含此期间的股息回报)相对基准表现的预期(A 股市场基准为沪深 300 指数,香港市场基准为恒生指数,美国市场基准为标普 500 指数,台湾市场基准为台湾加权指数,日本市场基准为日经 225 指数),具体如下:行业评级行业评级 增持:增持:预计行业股票指数超越基准 中性:中性:预计行业股票指数基本与基准持平 减持:减持:预计行业股票指数明显弱于基准 公司评级公司评级 买入:买入:预计股价超越基准 15%以上 增持:增持:预计股价超越基准 5%1
62、5%持有:持有:预计股价相对基准波动在-15%5%之间 卖出:卖出:预计股价弱于基准 15%以上 暂停评级:暂停评级:已暂停评级、目标价及预测,以遵守适用法规及/或公司政策 无评级:无评级:股票不在常规研究覆盖范围内。投资者不应期待华泰提供该等证券及/或公司相关的持续或补充信息 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分,请务必一起阅读。17 汽车汽车 法律实体法律实体披露披露 中国中国:华泰证券股份有限公司具有中国证监会核准的“证券投资咨询”业务资格,经营许可证编号为:941011J 香港香港:华泰金融控股(香港)有限公司具有香港证监会核准的“就证券提供意见”业务资格,
63、经营许可证编号为:AOK809 美国美国:华泰证券(美国)有限公司为美国金融业监管局(FINRA)成员,具有在美国开展经纪交易商业务的资格,经营业务许可编号为:CRD#:298809/SEC#:8-70231 华泰证券股份有限公司华泰证券股份有限公司 南京南京 北京北京 南京市建邺区江东中路228号华泰证券广场1号楼/邮政编码:210019 北京市西城区太平桥大街丰盛胡同28号太平洋保险大厦A座18层/邮政编码:100032 电话:86 25 83389999/传真:86 25 83387521 电话:86 10 63211166/传真:86 10 63211275 电子邮件:ht- 电子邮件
64、:ht- 深圳深圳 上海上海 深圳市福田区益田路5999号基金大厦10楼/邮政编码:518017 上海市浦东新区东方路18号保利广场E栋23楼/邮政编码:200120 电话:86 755 82493932/传真:86 755 82492062 电话:86 21 28972098/传真:86 21 28972068 电子邮件:ht- 电子邮件:ht- 华泰金融控股(香港)有限公司华泰金融控股(香港)有限公司 香港中环皇后大道中 99 号中环中心 58 楼 5808-12 室 电话:+852-3658-6000/传真:+852-2169-0770 电子邮件: http:/.hk 华泰证券华泰证券(美国美国)有限公司有限公司 美国纽约公园大道 280 号 21 楼东(纽约 10017)电话:+212-763-8160/传真:+917-725-9702 电子邮件:Huataihtsc- http:/www.htsc- 版权所有2024年华泰证券股份有限公司