機(jī)器人行業(yè)研究：為什么智能機(jī)器人需要力控

內(nèi)容目錄一、機(jī)器人的力控都有哪些方式？ 51.1力覺屬于機(jī)器人感知系統(tǒng)的重要組成部分之一 5機(jī)器人的柔順力控有哪些方案？ 6歷史上不同力控方案的機(jī)器人都有哪些案例？ 8二、機(jī)器人的力傳感器的種類有哪些？ 11從檢測原理來看，電阻應(yīng)變式傳感器綜合性能更優(yōu) 11從感知維度來看，力傳感器主要感知一維、三維、六維力 11三、如何看待多維力矩傳感器的壁壘、成本、格局？ 13從核心元件看壁壘：應(yīng)變片性能要求高、安裝工藝門檻高 13從性能看壁壘：串?dāng)_、精度、準(zhǔn)度要求較高，定制化研發(fā)難度大 14六維力矩傳感器的成本主要來自于應(yīng)變片和人工加工成本 15空間：22年全球力矩傳感器市場規(guī)模達(dá)億美元 15廠商梳理：海外廠商性能優(yōu)異，國內(nèi)市場尚未出現(xiàn)龍頭 16四、投資建議 16柯力傳感：應(yīng)變式傳感器核心供應(yīng)商，盈利能力維持高位 16漢威科技：控股蘇州能斯達(dá)，拓展柔性微納傳感器 18瀚川智能：入股坤維科技，補強力傳感器能力 19中航電測：軍用智能測控龍頭，力傳感產(chǎn)品品類豐富 20五、重點公司估值 21圖表目錄圖表1：具身智能機(jī)器人的核心在于感知層、認(rèn)知層 5圖表2：機(jī)器人用傳感器分類 5圖表3：海尚機(jī)器人通過3D坐標(biāo)系實現(xiàn)機(jī)器人的位置控制 5圖表4：工業(yè)全自動打磨機(jī)械手 6圖表5：波士頓動力的Atlas在不規(guī)則雪地路面上行走 6圖表6：機(jī)器人的力交互控制的主要方式 6圖表7：被動柔順控制在機(jī)械臂的末端添加彈性裝置 7圖表8：導(dǎo)納控制與阻抗控制 7圖表9：導(dǎo)納關(guān)節(jié)控制框圖 7圖表10：坤維科技應(yīng)用在機(jī)器人手部的六維力矩傳感器 8圖表11：協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)環(huán)節(jié)使用的扭矩傳感器 8圖表12：StarlETH機(jī)器人腳部高阻尼元件 8圖表13：優(yōu)必選仿生機(jī)器人抵抗外力、具備抗性 9圖表14：優(yōu)必選仿生機(jī)器人通過阻抗實現(xiàn)柔順控制 9圖表15：HYQ機(jī)器人 9圖表16：HYQ機(jī)器人主動柔順控制的腿部結(jié)構(gòu) 9圖表17：ATI力控傳感器汽車座椅測試應(yīng)用 9圖表18：ATI力控在行業(yè)的裝配應(yīng)用 9圖表19：ABB的雙臂機(jī)器人YuMi 10圖表20：宇立和金恒通過力/位置混合控制打造的智能力控打磨方案 10圖表21：力傳感器不同檢測方法優(yōu)缺點對比 11圖表22：硅/箔電阻應(yīng)變式傳感器具有更強的綜合性能 11圖表23：一維、三維、六維傳感器作用示意圖 12圖表24：人形機(jī)器人力矩傳感器應(yīng)用場景全景圖 12圖表25：六軸力矩傳感器定價明顯高于單軸力矩傳感器 13圖表26：電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變片的形變導(dǎo)致其電阻的變化 13圖表27：ATI六軸力矩傳感器的內(nèi)部架構(gòu) 14圖表28：ATI六軸力矩傳感器人工安裝過程 14圖表29：HMB的應(yīng)變片產(chǎn)品在多項性能表現(xiàn)優(yōu)異 14圖表30：六維力矩傳感器的精度和準(zhǔn)度 14圖表31：海外龍頭廠商單個應(yīng)變片的價格高達(dá)180元/個 15圖表32：某六維力矩傳感器上需要32個應(yīng)變片 15圖表33：ATI不同系列六維力矩傳感器的價格 15圖表34：2022年全球力矩傳感器市場規(guī)模將達(dá)億美元 16圖表35：國產(chǎn)廠商力矩傳感器性能對比 16圖表36：柯力傳感營收規(guī)模穩(wěn)定增長 17圖表37：1Q23歸母凈利潤同比增長超60 17圖表38：柯力傳感費用管控有力 17圖表39：柯力傳感盈利能力維持高位 17圖表40：柯力傳感應(yīng)變式傳感器市占率長期保持在30左右 17圖表41：柯力傳感NJ系列扭矩傳感器 18圖表42：近5年營業(yè)收入穩(wěn)定增長 18圖表43：歸母凈利潤近三年持續(xù)增長 18圖表44：下游環(huán)保投資放緩，盈利能力短期承壓 19圖表45：漢威科技核心技術(shù)、產(chǎn)品及產(chǎn)線情況 19圖表46：漢威科技柔性傳感器下游應(yīng)用 19圖表47：瀚川智能營收加速增長 20圖表48：近年歸母凈利潤較為穩(wěn)定（除1Q23外） 20圖表49：瀚川智能持股常州坤維科技5.04股權(quán) 20圖表50：坤維科技六維力傳感器示意圖 20圖表51：中航電測過去5年營收情況 20圖表52：中航電測過去5年歸母凈利潤情況 20圖表53：中航電測具有傳感器所需的應(yīng)變片 21圖表54：中航電測具有多款扭矩傳感器 21圖表55：重點公司估值 21一、機(jī)器人的力控都有哪些方式？力覺屬于機(jī)器人感知系統(tǒng)的重要組成部分之一/圖表1：具身智能機(jī)器人的核心在于感知層、認(rèn)知層 圖表2：機(jī)器人用傳感器分類來源：具身智能機(jī)器人公眾號， 來源：《關(guān)于傳感器在機(jī)器人中的應(yīng)用分析》，力控是機(jī)器人實現(xiàn)柔順控制的前提圖表3：海尚機(jī)器人通過3D坐標(biāo)系實現(xiàn)機(jī)器人的位置控制來源：海尚工業(yè)機(jī)器人，比如：工業(yè)機(jī)器人：在工業(yè)機(jī)械臂表面拋光的場景下，表面處于不規(guī)則的狀態(tài)，需要嚴(yán)格地Atlas圖表4：工業(yè)全自動打磨機(jī)械手 圖表5：波士頓動力的Atlas在不規(guī)則雪地路面上行走來源：工業(yè)機(jī)器人， 來源：波士頓動力，機(jī)器人的柔順力控有哪些方案？根據(jù)南京航空航天大學(xué)段晉軍博士的分析來看，機(jī)器臂柔順控制方式分為被動柔順控制和主動柔順控制，主動柔順控制又分為直接力控、間接力控、混合位置/力控。圖表6：機(jī)器人的力交互控制的主要方式來源：南京航天航空大學(xué)段晉軍，小米科技，被動柔順控制：機(jī)械臂的被動柔順控制是在機(jī)械臂的末端安裝一個機(jī)械彈性結(jié)構(gòu)（彈簧、阻尼，通過機(jī)械臂的彈性來實現(xiàn)力控的功能。這類力控方式工藝簡單、成本低圖表7：被動柔順控制在機(jī)械臂的末端添加彈性裝置來源：小米科技，間接力控：導(dǎo)納：導(dǎo)納控制廣泛應(yīng)用于實現(xiàn)機(jī)器人的主動柔順從而完成拖動示教，其主要原因是阻抗：阻抗控制是將控制器等效為阻抗系統(tǒng)，輸入位置輸出力。是由Hogan1985圖表8：導(dǎo)納控制與阻抗控制 圖表9：導(dǎo)納關(guān)節(jié)控制框圖來源：《協(xié)作機(jī)器人一體化關(guān)節(jié)力矩感知與柔順控制研究》， 來源：智星崛起公眾號，直接力控：電流環(huán)：電機(jī)以恒定的電流運轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生恒定的加速力矩，這類力控?zé)o需額外的傳感器，但是力矩精度差?；谝痪S力傳感器：在機(jī)械臂的末端加裝一維力傳感器感知外力，僅適用于的控制一個方向的力，相對更好的控制精度?；诹S力矩傳感器：精度遠(yuǎn)高于一維力傳感器。圖表10：坤維科技應(yīng)用在機(jī)器人手部的六維力矩傳感器 圖表11：協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)環(huán)節(jié)使用的扭矩傳感器來源：坤維科技， 來源：泰科電子，混合位置/力控：通過位置反饋回路對力反饋回路進(jìn)行調(diào)節(jié)進(jìn)而控制末端執(zhí)行器與環(huán)境的交互力，并將該算法應(yīng)用于磨拋任務(wù)當(dāng)中。歷史上不同力控方案的機(jī)器人都有哪些案例？被動柔順控制案例：StarlETH（，進(jìn)而實現(xiàn)力控，StarlETHStarlETHETHStarlETHIMU圖表12：StarlETH機(jī)器人腳部高阻尼元件來源：《StarlETH:aCompliantQuadrupedalRobotforFast,Efficient,andVersatileLocomotion》，HYQ優(yōu)必選：優(yōu)必選仿生機(jī)器人通過提取關(guān)節(jié)力矩或電流計算機(jī)器人末端受到的一個六維力和力矩，通過阻抗控制即可實現(xiàn)機(jī)器人的柔順效果。圖表13：優(yōu)必選仿生機(jī)器人抵抗外力、具備抗性 圖表14：優(yōu)必選仿生機(jī)器人通過阻抗實現(xiàn)柔順控制來源：人工智能學(xué)家， 來源：人工智能學(xué)家，（接觸點的運動和接觸點力之間的關(guān)系HYQ圖表15：HYQ機(jī)器人 圖表16：HYQ機(jī)器人主動柔順控制的腿部結(jié)構(gòu)來源：《基于模型的動態(tài)機(jī)器人液壓阻抗控制》， 來源：《基于模型的動態(tài)機(jī)器人液壓阻抗控制》，六維力矩傳感器在機(jī)器人實現(xiàn)力控圖表17：ATI力控傳感器汽車座椅測試應(yīng)用 圖表18：ATI力控在3C行業(yè)的裝配應(yīng)用來源：機(jī)器人大講堂， 來源：機(jī)器人大講堂，電流環(huán)實現(xiàn)力控案例：ABBYuMiABB的雙臂機(jī)器人輕質(zhì)合金手臂均具有7軸自由度，能模擬人類肢體動作，在大幅提升空ABB圖表19：ABB的雙臂機(jī)器人YuMi來源：SunyaTech，力/位置混合控制：IGrinder20/位混合控圖表20：宇立和金恒通過力/位置混合控制打造的智能力控打磨方案來源：機(jī)器人在線，總結(jié)：用力傳感器收集力反饋的信號，力/力矩傳感器為各類機(jī)器人實現(xiàn)柔順控制的核心部件，因此下文我們將重點分析力/力矩傳感器的各個種類、成本、格局。二、機(jī)器人的力傳感器的種類有哪些？從檢測原理來看，電阻應(yīng)變式傳感器綜合性能更優(yōu)圖表21：力傳感器不同檢測方法優(yōu)缺點對比檢測方法方法描述優(yōu)點缺點·動態(tài)測量范圍大·非線性誤差較大電磁式基于霍爾效應(yīng)在力/力矩作用下產(chǎn)生與之相應(yīng)的磁通量的變化·功耗小·互換性較差·系統(tǒng)簡單可靠·分辨率不高光電式基于光電效應(yīng)在力/力矩作用下產(chǎn)生與之相·可靠性高·測量范圍廣·價格昂貴·對測試環(huán)境要求高應(yīng)的光學(xué)量的變化·動態(tài)響應(yīng)好在力/力矩作用下產(chǎn)生與之相應(yīng)的電感量的·高靈敏度和高分辨率·不適用于動態(tài)測量電感式變化·線性度好·可靠性不高·重復(fù)性高在力/力矩作用下，應(yīng)變片形狀會發(fā)生變·精度高、技術(shù)成熟·存在非線性誤差電阻應(yīng)變式化，電阻會隨著應(yīng)變片的形變而增大/減·測量范圍廣、成本低·信號輸出微弱小，進(jìn)而檢測力的大小·頻響特性好可變電容壓力傳感器由兩個電容板組成，·高靈敏度和高分辨率·調(diào)理電路復(fù)雜電容式壓力的變化會導(dǎo)致兩個之間間隙變窄/變·頻率范圍寬，結(jié)構(gòu)簡單·寄生電容影響大寬，從而改變電容，進(jìn)而識別力的變化·環(huán)境適用性強來源：《機(jī)器人多維力傳感器》，硅//金屬箔電阻應(yīng)變式傳感器在穩(wěn)定性、剛度、信噪比等多個方面具有優(yōu)勢，有望在人形機(jī)器人中得到應(yīng)用。圖表22：硅/箔電阻應(yīng)變式傳感器具有更強的綜合性能來源：leaderobot，從感知維度來看，力傳感器主要感知一維、三維、六維力OZF0ZFPOFFx、Fy、FzFPFx、Fy、FzMxMyMz圖表23：一維、三維、六維傳感器作用示意圖來源：坤維科技，感器、其他關(guān)節(jié)可以適用關(guān)節(jié)扭矩傳感器。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)（手部、腳部）---六維力矩傳感器：由于人形機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要為其他關(guān)節(jié)---關(guān)節(jié)扭矩傳感器：特斯拉人形機(jī)器人旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)類似協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)，而圖表24：人形機(jī)器人力矩傳感器應(yīng)用場景全景圖來源：《Force-TorqueSensinginRobotics》，TeslaAIDay，三、如何看待多維力矩傳感器的壁壘、成本、格局？圖表25：六軸力矩傳感器定價明顯高于單軸力矩傳感器34557435345574353500030000單位：元25000單位：元20000150001000050000ATI六維力

單軸力矩傳感器來源：e-motionsupply，京東，從核心元件看壁壘：應(yīng)變片性能要求高、安裝工藝門檻高（也叫撓曲件）上，當(dāng)施加到外力時，金屬體充當(dāng)“彈簧”輕微變形，進(jìn)而帶動應(yīng)變片實現(xiàn)形變，應(yīng)變計的形變會改變電阻，實現(xiàn)電信號的反饋。圖表26：電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變片的形變導(dǎo)致其電阻的變化來源：Futek，安裝難度大：從六維力矩傳感器每個維度需要至少4個應(yīng)變片，數(shù)十個應(yīng)變片的安裝對工藝提出較高要求。ATI430-40圖表27：ATI六軸力矩傳感器的內(nèi)部架構(gòu) 圖表28：ATI六軸力矩傳感器人工安裝過程來源：ATI， 來源：ATI，圖表29：HMB的應(yīng)變片產(chǎn)品在多項性能表現(xiàn)優(yōu)異應(yīng)變極限疲勞壽命（次）使用溫度范圍應(yīng)變系數(shù)HBM2.5010^7-200°-300°2.2中航電測210^7-50°-150°2來源：HBM，中航電測官網(wǎng)，從性能看壁壘：串?dāng)_、精度、準(zhǔn)度要求較高，定制化研發(fā)難度大精度：該指標(biāo)衡量了測量結(jié)果之間的重復(fù)性。圖表30：六維力矩傳感器的精度和準(zhǔn)度來源：坤維科技，六維力矩傳感器的成本主要來自于應(yīng)變片和人工加工成本成本端：我們判斷六維力矩傳感器的成本核心在于應(yīng)變片、加工成本。2430-40HBM100-2005000-6000806040200HBM國產(chǎn)圖表31：海外龍頭廠商單個應(yīng)變片的價格高達(dá)806040200HBM國產(chǎn)1801018010來源：HBM，華蘭海電測， 來源：MDPI，注：紅色、藍(lán)色為應(yīng)變片安裝的位置。10。價格端：目前海外六維力矩傳感器龍頭ATI產(chǎn)品價格4000-8000美金之間。圖表33：ATI不同系列六維力矩傳感器的價格ATI不同系列六維力矩傳感器價格87005150870051504695900080007000單位：美元6000單位：美元500040003000200010000GAMMAIP68 MINI45 NANO43來源：ATI，50空間：2280億美元2028137imarcgroup822028137GAGR8.9。圖表34：2022年全球力矩傳感器市場規(guī)模將達(dá)80億美元13782137821401201008060402002022

… 2028E來源：imarcgroup，3.5廠商梳理：海外廠商性能優(yōu)異，國內(nèi)市場尚未出現(xiàn)龍頭全球六維力矩傳感器的龍頭為zoominfoATI8820圖表35：國產(chǎn)廠商力矩傳感器性能對比公司產(chǎn)品型號維度準(zhǔn)度（F.S）非線性（F.S）滯后（F.S）重復(fù)性（F.S）ATIAxia80六維0.50.50.5/柯力傳感NK-SS100N-1000N（微型）//0.50.50.5昊志機(jī)電DSA-16050六維/0.50.5/宇立儀器M37XX六維/0.50.5/力準(zhǔn)傳感器LF-303M-60A三維/0.50.30.3敏芯股份MST701（MEMS力傳感器）//5/5坤維科技KWR36系列六維0.50.50.50.1常州瑞爾特T521六維力傳感器六維0.10.03-0.350.1-0.30.1-0.2漢迪科技力傳感器-FN7178-2三軸0.50.50.5/來源：各公司官網(wǎng)，注：準(zhǔn)度包含了串?dāng)_、滯后、非線性等因素導(dǎo)致的測量誤差四、投資建議4.1柯力傳感：應(yīng)變式傳感器核心供應(yīng)商，盈利能力維持高位2018-22/歸母凈利潤從7.1/1.4億元提升至10.6/2.6億元，期間GAGR達(dá)10.6/16.5。系高端產(chǎn)品放量1Q230.660。圖表36：柯力傳感營收規(guī)模穩(wěn)定增長 圖表37：1Q23歸母凈利潤同比增長超60營業(yè)收入（億元） 歸屬母公司股東的凈利潤（億元） 1210864202018 2019 2020 2021 2022

25%20%15%10%5%0%

2018 2019 2020 2021 2022

70%60%50%40%30%20%10%0%來源：iFind， 來源：iFind，費用管控有力盈利能力穩(wěn)定柯力傳感銷售費用率/管理費用率從2018的8.0降至22年5.4/7.1，期間降幅為2.6pct/1.0pct，費用管控有力。盈利能力端：近3年凈利率、毛利率持續(xù)提升，從38.3、24.8提升至40.8、26.5。圖表38：柯力傳感費用管控有力 圖表39：柯力傳感盈利能力維持高位銷售費用(%) 管理費用(%)9%8%7%6%5%4%3%2%1%0%2018 2019 2020 2021 2022

50%45%40%35%30%25%20%15%10%5%0%

銷售毛利率(%) 銷售凈利率(%)2018 2019 2020 2021 2022來源：， 來源：，302022336.71122.630。圖表40：柯力傳感應(yīng)變式傳感器市占率長期保持在30左右28.9%30.0%28.9%30.0%30.7%30.4%30.2%30%28%26%24%22%20%2018 2019 2020 2021 2022來源：柯力傳感公告，華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院，柯力傳感在電阻應(yīng)變式傳感器積累深厚，具有拓展至機(jī)器人力矩傳感器新藍(lán)海市場的潛力。17圖表41：柯力傳感NJ系列扭矩傳感器來源：柯力傳感官網(wǎng)，風(fēng)險提示：力傳感器研發(fā)不及預(yù)期、力傳感器導(dǎo)入人形機(jī)器人不及預(yù)期。4.2漢威科技：控股蘇州能斯達(dá)，拓展柔性微納傳感器收入穩(wěn)步增長，歸母凈利潤扭虧轉(zhuǎn)盈。漢威科技近5年來營收穩(wěn)步增長，2022年實現(xiàn)收入24.0億元，同比增長3.4。2020年以來，漢威科技積極調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，增強管理，歸母凈利潤實現(xiàn)扭虧為盈，2022年實現(xiàn)歸母凈利潤2.8億元，同比增長4.9。圖表42：近5年營業(yè)收入穩(wěn)定增長 圖表43：歸母凈利潤近三年持續(xù)增長營業(yè)收入（億元） 歸屬母公司股東的凈利潤（億元） 3025201510502018 2019 2020 2021 2022

25%20%15%10%5%0%-5%

210-0.5-1.5

400%2018 2019 2020 2021 2022 1Q23300%2018 2019 2020 2021 2022 1Q23200%100%0%-100%-200%-300%來源：， 來源：，受下游投資放緩，盈利能力短期承壓。202228.45.1pcts、3.5pcts。圖表44：下游環(huán)保投資放緩，盈利能力短期承壓銷售毛利率(%) 銷售凈利率(%)20182019201820192020202120221Q2335%30%25%20%15%10%5%0%-5%-10%來源：，控股蘇州能斯達(dá)，拓展柔性傳感器。漢威科技戰(zhàn)略眼光較為前瞻，201656.5581000柔性壓力傳感器柔性壓電傳感器柔性織物柔性應(yīng)變傳感器八大柔性產(chǎn)品系列柔性溫濕度傳感器柔性熱敏傳感器柔性電容傳感器柔性汗液傳感器描述類別圖表45：漢威科技核心技術(shù)柔性壓力傳感器柔性壓電傳感器柔性織物柔性應(yīng)變傳感器八大柔性產(chǎn)品系列柔性溫濕度傳感器柔性熱敏傳感器柔性電容傳感器柔性汗液傳感器描述類別1條年產(chǎn)1000萬支柔性傳感器的超凈印刷產(chǎn)線線和組裝線來源：蘇州能斯達(dá)公眾號 來源：漢威科技公告，瀚川智能：入股坤維科技，補強力傳感器能力20221.8-0.4規(guī)模擴(kuò)張期，費用均攤較高所致。圖表47：瀚川智能營收加速增長 圖表48：近年漢威科技?xì)w母凈利潤情況營業(yè)收入（億元） 141210864202018 2019 2020 2021 2022

90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%

0.80.60.40.20.0-0.2-0.4-0.6

歸屬母公司股東的凈利潤（億元）

2018 2019 2020 2021 2022 1Q23500%2018 2019 2020 2021 2022 1Q230%-500%-1000%-1500%-2000%-2500%-3000%來源：， 來源：，持有坤維科技