機(jī)械行業(yè)市場(chǎng)前景及投資研究報(bào)告：特斯拉Gen-2發(fā)布,產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展變化

%%%%從特斯拉Gen-2發(fā)布看產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展有哪些新變化？2024-01-09%%1%%%%%%目

錄01

特斯拉機(jī)器人今年以來情況梳理02

傳感器運(yùn)用數(shù)量和品類有望持續(xù)提升03

靈巧手關(guān)注諧波方案的運(yùn)用%%3%%%%%01特斯拉機(jī)器人今年以來情況梳理%%4%%%%%%01

特斯拉人形機(jī)器人23H1進(jìn)展?基于較強(qiáng)的感知、控制、學(xué)習(xí)能力，Optimus能力提升迅速。感知層面，Optimus可以發(fā)現(xiàn)并記憶周邊環(huán)境；運(yùn)控控制方面，Optimus電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制能力強(qiáng)，可以操縱關(guān)節(jié)觸碰雞蛋而不打碎，對(duì)各種物體抓取自如，還能用雙手完成復(fù)雜任務(wù)。具備較強(qiáng)的學(xué)習(xí)功能，AI算法可以識(shí)別人類動(dòng)作并復(fù)制到Optimus。感知：走路時(shí)，Optimus可以通過視覺，發(fā)現(xiàn)并記憶周邊環(huán)境；控制：Optimus電機(jī)力控能力強(qiáng)，可以操縱關(guān)節(jié)觸碰雞蛋而不打碎步行姿態(tài)也更加自然學(xué)習(xí)：采用動(dòng)捕方式，AI算法識(shí)別人類動(dòng)作（如抓取動(dòng)作），并將動(dòng)作遷移到Optimus。各類物體靈活抓取，雙手可進(jìn)行一些復(fù)雜任務(wù)。資料：Tesla，長江證券研究所%%5%%%%%%9月進(jìn)一步展示優(yōu)秀的運(yùn)控控制能力和邏輯判斷能力01?通過視覺+位置傳感器實(shí)現(xiàn)手臂和腿的校準(zhǔn)。?靈巧手表現(xiàn)非常靈活。抓取動(dòng)作自然，視覺+運(yùn)控下對(duì)物品的操作更加精細(xì)。?邏輯判斷與識(shí)別校準(zhǔn)能力增強(qiáng)。包括對(duì)不同顏色方塊的分類擺放、位置不正方塊的重新矯正、對(duì)人為干擾的修正（比如人為改變方塊位置）。?單腳站立顯示大腿零部件較強(qiáng)的負(fù)載能力、小腦運(yùn)控能力、平衡控制。資料：Tesla

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X，長江證券研究所%%6%%%%%12月視頻顯示傳感器使用量提升且有較大減重01新增2自由度，提升30%的步行速度，整體減重10kg。圖：視覺+傳感器配合下的雞蛋二次傳遞??新的優(yōu)化：小腿、腳掌仿生設(shè)計(jì)：行走時(shí)前足腳跟先落地，后足設(shè)計(jì)鉸鏈結(jié)構(gòu)，腳跟抬起，腳前部提供支撐，或可增大步幅，行走姿態(tài)更加擬人。?傳感器用量提升：足部配有力和力矩傳感器，或采用多維力傳感器。靈巧手有觸覺傳感器，布置于指尖顯示受力情況。??“下蹲運(yùn)動(dòng)”再次展示Optimus良好的身體平衡和全身關(guān)節(jié)控制能力。靈巧手為11自由度的新一代產(chǎn)品，手指關(guān)節(jié)表現(xiàn)靈活，在每個(gè)手指均有觸覺傳感器，展示二次傳遞雞蛋的動(dòng)作，充分展現(xiàn)視覺+傳感器配合的精細(xì)操作能力。圖：腿足部配有力和力矩傳感器且實(shí)現(xiàn)后腳跟先著地圖：展示下蹲動(dòng)作圖：指尖傳感器使用示意圖資料：Tesla

Optimus

X，長江證券研究所%%7%%%%%%02傳感器運(yùn)用數(shù)量和品類有望持續(xù)提升%%8%%%%%%02

人形機(jī)器人傳感器運(yùn)用具有必要性?特斯拉強(qiáng)調(diào)端對(duì)端控制、精確運(yùn)動(dòng)控制，目前視覺模組、壓力傳感器、位置傳感器和編碼器等已應(yīng)用于特斯拉人形機(jī)器人。我們認(rèn)為，隨著人形機(jī)器人智能化水平提升，對(duì)傳感器需求的品類、數(shù)量將持續(xù)提升，明年IMU、視覺模組、壓力傳感器、位置傳感器等將率先在人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈實(shí)現(xiàn)運(yùn)用。???人機(jī)協(xié)作力控，檢測(cè)到交互力后，還要使機(jī)器人表現(xiàn)柔順特性，僅靠末端安裝彈性裝置的被動(dòng)柔順控制無法滿足要求，要采用主動(dòng)柔順策略。主動(dòng)柔順分為力/位置混合控制和阻抗控制策略。為力/位置混合控制分別設(shè)計(jì)力和位置單獨(dú)控制回路，匹配環(huán)境信息，多有誤差。尤其是運(yùn)動(dòng)空間向任務(wù)空間過渡會(huì)與接觸環(huán)境相撞，由于接觸時(shí)間極短，控制器無法及時(shí)作出反應(yīng)，可能對(duì)機(jī)器人本身或接觸環(huán)境產(chǎn)生損壞。阻抗控制策略用阻抗衡量末端位置與接觸力的關(guān)系，并通過阻抗調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)的相互作用。比如可以通過力控制外環(huán)將傳感器實(shí)際反饋力與期望力之間的誤差作為依據(jù)，閉環(huán)控制調(diào)整位置變量，從而實(shí)現(xiàn)末端接觸力的柔順控制。因此，人機(jī)交互力傳感器具備必要性。??近年來對(duì)人形機(jī)器人的力控進(jìn)一步形成自適應(yīng)力控制目標(biāo)。在環(huán)境模型位置或系統(tǒng)參數(shù)動(dòng)態(tài)變化時(shí)，跟蹤系統(tǒng)特性變化，并隨時(shí)修正控制器參數(shù)。智能算法+阻抗控制策略相結(jié)合，進(jìn)一步提高控制器精確度和魯棒性。圖：基于位置的阻抗控制及基于力的阻抗控制原理資料：《基于六維力傳感器的機(jī)器人力控研究》（王夢(mèng)含），長江證券研究所%%9%%%%%02

廣義的“皮膚”分為3類???廣義的觸覺傳感器通常分為3類：硬質(zhì)皮膚、電子皮膚（柔性皮膚）、內(nèi)接觸式觸覺傳感器。硬質(zhì)皮膚：主要包含力/力矩傳感器、力敏電阻傳感器、加速度計(jì)和變形傳感器等，可用來檢測(cè)碰撞、測(cè)量接觸力和接觸位置等，分布于機(jī)器人手腕、腳踝等。電子皮膚（柔性皮膚）：大多被排列成矩陣，組成陣列觸覺傳感器，部分或全部覆蓋于機(jī)器人等復(fù)雜的三維載體表面，通過接觸表征出被測(cè)物體的性質(zhì)（表面形貌、重量、力、溫度等），空間分辨率可達(dá)毫米級(jí)。電子皮膚在保證其精度、靈敏度等指標(biāo)的同時(shí)，還需具備高柔性和高彈性等。從傳感器類型看，包括壓阻型、壓電型、電容型、液態(tài)金屬型等，性能對(duì)比各有優(yōu)劣，發(fā)展趨勢(shì)向柔性化、透明化、可擴(kuò)展性、輕量化和多功能化等方面發(fā)展。電子皮膚還可大面積用于人形機(jī)器人的表面，具有大面積感知、測(cè)量表面受力的優(yōu)勢(shì)。??內(nèi)接觸式觸覺傳感器：用來檢測(cè)機(jī)器人的各部分狀態(tài)，而不是檢測(cè)被測(cè)對(duì)象周圍的外部信息，如工業(yè)機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)/力矩傳感器等。表：不同類型觸覺傳感器功能對(duì)比圖：電子皮膚可廣泛覆蓋在人形機(jī)器人關(guān)節(jié)表面?zhèn)鞲衅黝愋碗娮栊蛢?yōu)勢(shì)劣勢(shì)靈敏度高，檢測(cè)范圍廣，

電阻受溫度影響，壓敏材兼具動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)

料不易集成不利于靜態(tài)檢測(cè)，需要電荷放大器，電路繁雜壓電型電容型動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好，靈敏度高靈敏度高，響應(yīng)速度快，

受外界電磁干擾嚴(yán)重，信結(jié)構(gòu)簡單號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生物兼容性差，器件封裝要求極高液態(tài)金屬型柔性最佳且可拉伸資料：《面相機(jī)器人觸覺反饋的新型柔性電子皮膚研究》（王銘炯），《電子皮膚觸覺傳感器研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)》（曹建國等），長江證券研究所%%10%%%%%%02

電子皮膚：向彈性化、柔性化方面繼續(xù)優(yōu)化?電子皮膚可用于機(jī)器人全身包括肩部、肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等部位，由于表面形狀和尺寸在機(jī)器人工作過程中易發(fā)生變形，電子皮膚需具有高柔性和彈性。電子皮膚常用材料包括無機(jī)半導(dǎo)體材料和金屬材料及其化合物但抗應(yīng)變能力差，柔性能力較弱。無機(jī)半導(dǎo)體材料如Si，在拉伸和彎曲等變形條件下容易發(fā)生脆斷，斷裂極限應(yīng)變約為1%。金屬材料及其化合物如銀、銅、ITO等，亦將在應(yīng)變1%時(shí)發(fā)生斷裂失效。??解決方向1：薄膜化（納米級(jí)）+附著柔性基板。任何材料在足夠薄的情況下都是柔性的，如納米級(jí)厚度帶、導(dǎo)線或薄膜均具有柔性。同時(shí)附著在柔性基板上的金屬薄膜斷裂極限更高（如附在聚酰亞胺薄膜上的銅箔可承受2%的應(yīng)變且附著越良好可承受的應(yīng)變程度將更高）。以柔性PDMS或聚酰亞胺薄膜作為柔性基底+薄膜化的應(yīng)變片組合有望成為電子皮膚發(fā)展的重要方向。?解決方向2：基板預(yù)拉升形成周期性波狀幾何結(jié)構(gòu)。比如將條帶狀硅薄膜轉(zhuǎn)印到預(yù)拉伸PDMS彈性基底，釋放基底所受預(yù)拉伸變形，產(chǎn)生屈曲結(jié)構(gòu)硅薄膜，器件延展性提高5%-10%。圖：不同粒徑薄膜附著在柔性基板基板上應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖：預(yù)拉升PDMS彈性基地制備波狀硅薄膜資料：《機(jī)器人柔彈性仿生電子皮膚研究進(jìn)展》（邱瀾等），長江證券研究所%%11%%%%%%02

電子皮膚：向彈性化、柔性化方面繼續(xù)優(yōu)化圖：壓阻橡膠、薄膜電極制作流程??解決方向3：設(shè)計(jì)新型材料和結(jié)構(gòu)一體化。典型案例：設(shè)計(jì)多孔PDMS和基于納米銀/PDMS電極的新型“三明治”式壓力傳感器陣列結(jié)構(gòu)。中間層PDMS在上下電極的交叉點(diǎn)處制作一定直徑的通孔，將壓電橡膠插入孔中，組成柔性多孔PDMS中間層。當(dāng)壓阻橡膠受力壓縮時(shí)隧道效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)電填料之間就會(huì)形成導(dǎo)電通路，從而壓阻橡膠出現(xiàn)導(dǎo)電現(xiàn)象。???納米線電極制備可包括模具制造、銀納米線層制備、導(dǎo)電薄膜制備等工藝過程。封裝時(shí)，按壓多孔PDMS層，壓電橡膠圓片與上下電極交叉節(jié)點(diǎn)完全重合。涉及到的復(fù)雜工藝包括納米制造、電子束蒸鍍、磁控濺射、氧等離子處理、3D打印、仿生設(shè)計(jì)和有限元仿真等先進(jìn)制造技術(shù)。圖：電子皮膚微觀三明治結(jié)構(gòu)及陣列觸覺傳感器實(shí)物圖圖：電子皮膚樣品，展示高柔彈性當(dāng)壓阻橡膠受力壓縮時(shí)隧道效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)電填料之間導(dǎo)電通路資料：《電子皮膚觸覺傳感器研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)》（曹建國等），《機(jī)器人仿生電子皮膚陣列觸覺傳感器研究》（曹建國等），長江證券研究所%%12%%%%%02

典型運(yùn)用：電容式電子皮膚針對(duì)碰撞前的檢測(cè)??在協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域，有碰撞前控制安全技術(shù)和碰撞后控制安全技術(shù)。碰撞后安全技術(shù)主要靠優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、碰撞力抑制算法等方法降低碰撞后傷害。而碰撞前安全技術(shù)主要通過視覺、激光、接近覺等手段來提前預(yù)測(cè)和防止碰撞的發(fā)生。一般而言，碰撞前安全技術(shù)基于視覺避障對(duì)光照環(huán)境、障礙遮擋等十分敏感?；陔娮悠つw的機(jī)器人避障控制能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人部分和全部包覆，使得機(jī)器人在運(yùn)行過程能感知到接近物體，從而保證機(jī)器人安全和更好的人機(jī)交互。表：電容式電子皮膚對(duì)金屬和部分非金屬材料均有較好的反饋材料人手材料有效面積/Cm2感應(yīng)能否停止有效感知距離/Cm基準(zhǔn)203030303030303030OKOKOKOKOKOKOKOKOK100.20.22ABS亞克力防靜電袋木材非金屬3鋁合金不銹鋼3146??典型電容方案：當(dāng)導(dǎo)體（比如人手）與電容接近覺傳感器極片接近時(shí)，導(dǎo)體與極片間會(huì)形成接近電容，根據(jù)接近電容的大小來準(zhǔn)確計(jì)算人手與傳感器的距離。從實(shí)際感應(yīng)測(cè)試結(jié)果來看，針對(duì)部分非金屬和金屬均有較好的感知能力。4金屬6銅薄片2圖：協(xié)作機(jī)器人安全技術(shù)圖：電容式電子皮膚原理資料：《基于電子皮膚的協(xié)作機(jī)器人碰前安全方案研究》（姜宇等），長江證券研究所%%13%%%%%%02

電子皮膚：當(dāng)前運(yùn)用或?qū)⒙涞?，期待后續(xù)國產(chǎn)降本提效方案?我們判斷當(dāng)前人形機(jī)器人的電子皮膚產(chǎn)業(yè)化運(yùn)用或?qū)⒙涞亍Ｒ环矫?，以特斯拉的Optimus為代表的人形機(jī)器人已經(jīng)在導(dǎo)入觸覺傳感器技術(shù)方案，有望引起行業(yè)的技術(shù)變革。另一方面，國內(nèi)能斯達(dá)等企業(yè)已經(jīng)具備類似產(chǎn)品的布局。?持續(xù)關(guān)注當(dāng)前電子皮膚的運(yùn)用難點(diǎn)。一方面，對(duì)柔性材料包括對(duì)碳納米管材料等的探索研究仍在推進(jìn)，考慮到柔性、彈性、高靈敏度等要求，材料仍未有標(biāo)準(zhǔn)化方案。另一方面，制造成本仍然高企，不論是材料成本、設(shè)備成本，導(dǎo)致電子皮膚在人形機(jī)器人的運(yùn)用或不具備性價(jià)比，期待后續(xù)國產(chǎn)降本提效方案。圖：能斯達(dá)產(chǎn)品系列資料：能斯達(dá)官網(wǎng)，長江證券研究所%%14%%%%%%02

硬質(zhì)皮膚：六維力傳感器??六維力傳感器具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低等優(yōu)點(diǎn)，

圖：六維力傳感器多種類型其結(jié)構(gòu)包括外圈法蘭、中心臺(tái)、浮動(dòng)梁、應(yīng)變梁等結(jié)構(gòu)。根據(jù)核心部件彈性體的結(jié)構(gòu)不同，分為十字式六維傳感器、豎直支撐六維力傳感器、圓筒形六維力傳感器、雙環(huán)型六維力傳感器、三梁式六維力傳感器等。不同彈性體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同，應(yīng)變片使用數(shù)量將有所差異且加工制造難度亦將不同，導(dǎo)致最終產(chǎn)品生產(chǎn)制造成本有所差別。圖：六維力傳感器在機(jī)器人手腕上的應(yīng)用圖：六維力傳感器可測(cè)量三個(gè)方向的力和力矩圖：六維力傳感器內(nèi)部架構(gòu)三梁式彈性體十字梁式彈性體三梁式彈性體浮動(dòng)梁外圈法蘭中心臺(tái)浮動(dòng)梁應(yīng)變梁固定臺(tái)十字梁資料：《一種三梁結(jié)構(gòu)六維力傳感器設(shè)計(jì)與研究》（汪志強(qiáng)等），裝配圖網(wǎng)，《雙十字梁組合式指關(guān)節(jié)六維傳感器》（宋愛國等），F(xiàn)utec，長江證券研究所%%15%%%%%02

六維力傳感器：從多個(gè)角度測(cè)量受力及力矩?工作原理：核心部件彈性體，彈性體的多個(gè)表面均貼裝有應(yīng)變片。應(yīng)變片是測(cè)量物體受力變形所產(chǎn)生的應(yīng)變的一種傳感器，常見的電阻應(yīng)變計(jì)能夠?qū)C(jī)械構(gòu)件上應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換為電阻變化，在外接電路的情況下，可以將形變信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。以三橫梁彈性體為例：??Step

1：當(dāng)力傳感器沿y方向的正向受力時(shí)，梁柱1-3側(cè)面S7、S10、S12受拉，S8、S9、S11受壓。當(dāng)力傳感器沿垂直于z方向的正向受力時(shí)，梁柱1-3的正面S1、S3、S5受拉，S2、S4、S6受壓。一般而言，處于對(duì)立表面的應(yīng)變片其受拉或者受壓的情況總是相反的。Step

2：外接電路連接對(duì)立表面（如S1/S2、S7/S8）的應(yīng)變片組，

《一種三梁結(jié)構(gòu)六維力傳感器設(shè)計(jì)與研究》采用惠通斯半橋電路，應(yīng)變片微小變化將轉(zhuǎn)為本身電阻的變化（比如受拉將增大電阻、受壓將減少電阻）。由于每次受力方向和大小均有變動(dòng)，不同梁柱的正背面、兩側(cè)面將測(cè)定不同的電壓方向和電壓差。實(shí)際上，通過應(yīng)變片電阻變化將受力信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。?Step

3：外力與各橫梁輸出的電壓差（力的大?。⒄?fù)向（力的方向）有一定線性關(guān)系，進(jìn)一步將電信號(hào)解耦（矩陣運(yùn)算），可以測(cè)量外力的大小和方向。圖：當(dāng)受到不同方向的力時(shí)，應(yīng)變計(jì)的彈性變化圖：不同電路產(chǎn)生的電壓方向及電壓差有差異梁柱1Z方向梁柱3梁柱2X方向Y方向應(yīng)變梁上下表面受力分析應(yīng)變梁側(cè)面受力分析%%資料：《一種三梁結(jié)構(gòu)六維力傳感器設(shè)計(jì)與研究》（汪志強(qiáng)等），長江證券研究所16%%%%%%02

壁壘體現(xiàn)know-how，賽道技術(shù)護(hù)城河明顯?壁壘1：標(biāo)定+檢測(cè)，建立傳感器信號(hào)與力和力矩的映射關(guān)系。在力控牽引過程中，六維力傳感器測(cè)量的力/力矩不僅取決于外部作用力/力矩，也受傳感器自身位置和姿態(tài)的影響。當(dāng)六維力傳感器隨機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)而不斷改變姿態(tài)，測(cè)得的力不僅包含實(shí)際輸入外力，還包括傳感器的零點(diǎn)偏差、螺釘緊固產(chǎn)生的力和傳感器及末端負(fù)載的聯(lián)合重力、重心偏移等信息。??零點(diǎn)、重心及零點(diǎn)誤差標(biāo)定：測(cè)量不同末端位姿下，六維力傳感器的多組數(shù)據(jù)，采用代入法，充分考量重力、重心及零點(diǎn)誤差等因素，構(gòu)建正確解耦矩陣。標(biāo)定設(shè)備為六維力聯(lián)合加載設(shè)備，是高精度六維力傳感器研發(fā)和生產(chǎn)的必要條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)力傳感器三個(gè)正交方向力和三個(gè)力矩方向力精確加載，用以構(gòu)建真值數(shù)據(jù)組。六維聯(lián)合加載設(shè)備目前不能直接采購，一般由六維力傳感器廠商自行研制，涉及空間光學(xué)定位、載荷位移補(bǔ)償、機(jī)電一體化等多項(xiàng)綜合技術(shù)，know-how特征明顯。若設(shè)備存在誤差或不能同時(shí)對(duì)六個(gè)方向同時(shí)加載力或力矩，將影響六維力傳感器標(biāo)定的準(zhǔn)確性。圖：解耦矩陣的求解圖：標(biāo)定設(shè)備為非標(biāo)設(shè)備測(cè)量值解耦矩陣（標(biāo)定）對(duì)力大小方向的描述，代入真值數(shù)據(jù)標(biāo)定%%資料：《一種三梁結(jié)構(gòu)六維力傳感器設(shè)計(jì)與研究》（汪志強(qiáng)等），坤維科技官網(wǎng)，長江證券研究所17%%%%%%02

六維力傳感器：從多個(gè)角度測(cè)量受力及力矩?壁壘2：保證低串?dāng)_、高精度和高準(zhǔn)確度。???串?dāng)_：用來衡量多維力傳感器各測(cè)量方向間耦合影響，是反應(yīng)誤差水平，體現(xiàn)產(chǎn)品性能的關(guān)鍵指標(biāo)。優(yōu)秀產(chǎn)品水平在1%FS左右，2-5%FS比較常見。精度：在同等測(cè)試環(huán)境，在額定載荷范圍內(nèi)，進(jìn)行多次重復(fù)聯(lián)合加載同一組載荷后，計(jì)算得到傳感器測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差/量程。準(zhǔn)度：反應(yīng)測(cè)量結(jié)果與真實(shí)數(shù)值的偏離程度，對(duì)傳感器進(jìn)行多組多維聯(lián)合加載，得到傳感器測(cè)量值與真實(shí)值之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差/量程。準(zhǔn)度涵蓋了滯后、線性、蠕變等誤差因素，更能體現(xiàn)產(chǎn)品綜合性能。?壁壘3：保持良好的數(shù)據(jù)采集能力。力傳感器要處理快速時(shí)變信號(hào)，比如機(jī)器人打磨拋光時(shí)的接觸力、物體高速運(yùn)動(dòng)過程中的稱重等，保持較高的數(shù)據(jù)采集頻率。表：串?dāng)_的衡量（測(cè)試結(jié)果與理論值對(duì)比）圖：精度、準(zhǔn)度概念對(duì)比載荷組標(biāo)定載荷（理論真值）Fy

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1.6%FS

1.7%FS

100.6%FS

2.5%FSFy

FzMz1234561.1%FSMxFx1.8%FSFxFyFz1.2%FS

99.7%FS

1.9%FSFy

Fz

Mx2.1%FSFx1.2%FSFxMxMyMz1.3%FS1.3%FS

2.5%FS2.3%FS2.6%FS

99.9%FS%%資料：坤維科技官網(wǎng)，長江證券研究所18%%%%%02

一維力、三維力傳感器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，使用場(chǎng)景受限??一維力和三維力傳感器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，但是在復(fù)雜的測(cè)量環(huán)境下，容易產(chǎn)生誤差，對(duì)測(cè)量方向或者力作用點(diǎn)有限制條件。圖：一維力、三維力、六維力傳感器對(duì)比一維力傳感器：當(dāng)力的方向和一維力傳感器的測(cè)量軸線完全重合，一維力傳感器才能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，若不重合，由于不能測(cè)量轉(zhuǎn)矩力，因而傳感器的測(cè)量結(jié)果將產(chǎn)生明顯偏差。??三維力傳感器：當(dāng)力的作用點(diǎn)離三維力傳感器較遠(yuǎn)時(shí)，其正交分解并平移至三維力傳感器的標(biāo)定點(diǎn)后，傳感器既要承受力Fx/Fy/Fz三分量的作用，同時(shí)又要承受Mx/My/Mz三個(gè)轉(zhuǎn)矩的作用，且轉(zhuǎn)矩越大，最終測(cè)量結(jié)果將更加失真。六維力傳感器不是一維力和三維力傳感器的疊加，非線性力學(xué)特征明顯，需考慮多通道信號(hào)的溫漂、蠕變、交叉干擾、數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性、六維聯(lián)合加載標(biāo)定的復(fù)雜性。一維力傳感器測(cè)量與測(cè)量軸線方向不重合的力將丟失轉(zhuǎn)矩力的測(cè)量圖：一維力、三維力傳感器使用場(chǎng)景有限制三維力傳感器在測(cè)量離標(biāo)定點(diǎn)較遠(yuǎn)的力時(shí)，將產(chǎn)生在X、Y、Z軸上的彎矩，彎矩越大，最終測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確傳感器類型一維力傳感器三維力傳感器力的方向要求與標(biāo)定坐標(biāo)軸重合無限制力的作用點(diǎn)要求位于標(biāo)定參考點(diǎn)位于標(biāo)定參考點(diǎn)無限制六維力傳感器無限制資料：坤維科技官網(wǎng)，長江證券研究所%%19%%%%%%02

運(yùn)用場(chǎng)景逐漸豐富，六維力傳感器是高成長賽道?市場(chǎng)規(guī)模：根據(jù)GGII，2022年國內(nèi)六維力/力矩傳感器銷量為8360套，同比增長57.97%。其中，機(jī)器人行業(yè)銷量4840套，同比增長62.58%，預(yù)計(jì)2027年中國六維力/力矩傳感器銷量有望突破84000套，復(fù)合增長率超過60%。其中機(jī)器人行業(yè)銷量有望突破42000套。???2022年國內(nèi)六維力/力矩傳感器市場(chǎng)規(guī)模2.39億，同比+52.04%，預(yù)計(jì)2023年突破3億，2027年超過15億需求規(guī)模，2023-2027年復(fù)合增長率超過45%?？傮w而言國內(nèi)六維力傳感器市場(chǎng)基數(shù)相對(duì)偏小，亦未形成明顯規(guī)模效應(yīng)，后續(xù)高增催化包括國內(nèi)廠商產(chǎn)品矩陣完善、產(chǎn)品降本及國產(chǎn)化率提升等。六維力傳感器在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域運(yùn)用底座或末端，目前市場(chǎng)應(yīng)用的六維力/力矩傳感器大部分是基于應(yīng)變片式的測(cè)量，在協(xié)作機(jī)器人等領(lǐng)域已有較多運(yùn)用。在人形機(jī)器人領(lǐng)域，可應(yīng)用于手腕、腳踝、手指等部位。圖：六維力傳感器在機(jī)器人行業(yè)銷量有望保持快速增長

圖：國內(nèi)六維力傳感器市場(chǎng)規(guī)模及預(yù)測(cè)（銷售額）圖：國內(nèi)六維力傳感器市場(chǎng)規(guī)模及預(yù)測(cè)（銷量）資料：高工機(jī)器人，長江證券研究所%%20%%%%%%02

六維力傳感細(xì)分賽道國產(chǎn)設(shè)備企業(yè)明顯發(fā)力?力傳感器國產(chǎn)化率有待提升，六維力傳感器賽道梯隊(duì)劃分明顯，國產(chǎn)企業(yè)持續(xù)發(fā)力。??總體來看，根據(jù)GGII，2022年中國力傳感器市場(chǎng)依然以外資品牌為主導(dǎo)，國產(chǎn)份額低于30%。目前全球六維力/力矩傳感器主要分為日韓品牌、歐美品牌和國產(chǎn)品牌三大陣營。國產(chǎn)六維力/力矩傳感器與外資主流傳感器在靈敏度、串?dāng)_、抗過載能力及耦合誤差等方面仍存在差距。國產(chǎn)廠商逐步發(fā)力，在部分細(xì)分賽道已占據(jù)較大份額，且入局者越來越多，坤維科技和宇立儀器或逐步確立頭部地位，除此之外，鑫精誠、海伯森、藍(lán)點(diǎn)觸控、神源生智能、瑞爾特測(cè)控等均有六維力傳感器的產(chǎn)品布局。根據(jù)GGII，在協(xié)作機(jī)器人細(xì)分賽道，2022年坤維科技、藍(lán)點(diǎn)觸控、宇立儀器位列國產(chǎn)TOP3且坤維科技出貨量高于ATI。?

ATI作為全球龍頭，經(jīng)驗(yàn)多年積累，應(yīng)用面相對(duì)更廣。宇立儀器在工業(yè)機(jī)器人磨拋行業(yè)和汽車碰撞測(cè)試行業(yè)應(yīng)用更多；坤維科技在協(xié)作機(jī)器人、醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人、醫(yī)療檢測(cè)機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人、航空航天等領(lǐng)域具備核心競爭力。鑫精誠憑借蘋果供應(yīng)商的身份將產(chǎn)品導(dǎo)入3C，同時(shí)在機(jī)器人行業(yè)和醫(yī)療行業(yè)有布局。圖：協(xié)作機(jī)器人細(xì)分賽道，2022年坤維科技銷售量TOP1圖：2022年國內(nèi)力傳感器賽道仍以外資為主導(dǎo)表：全球六維力傳感器主要廠商地區(qū)主要生產(chǎn)商Robotous、Sintokogio、WACOH-TECH、Aidin日韓RoboticsATI、Interface、Honeywell、OnRobot、國產(chǎn)外資、

、

、SCHUNK

Robotiq

Bota

Systems

AG歐美中國NordboRobotics、ME-Me?systeme

GmbH、AMTI、Kistler坤維科技、宇立儀器、柯力傳感、鑫精誠、海伯森、藍(lán)點(diǎn)觸控、神源生智能、瑞爾特測(cè)控、重慶魯班機(jī)器人技術(shù)研究院、昊志機(jī)電、埃力智能等資料：高工機(jī)器人，長江證券研究所%%21%%%%%03靈巧手關(guān)注諧波方案的運(yùn)用%%22%%%%%%03

如何理解微型諧波的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)？?微型諧波傳動(dòng)相比其他方式特點(diǎn)是體積小、傳動(dòng)比大、運(yùn)動(dòng)精度高、傳動(dòng)緊湊、傳動(dòng)效率高、回差小、能夠?qū)崿F(xiàn)零回差傳動(dòng)，適用于光學(xué)、醫(yī)療設(shè)備、光通信、醫(yī)療設(shè)備光通信、半導(dǎo)體、機(jī)器人、激光技術(shù)、生物技術(shù)、測(cè)量機(jī)、飛機(jī)、航天器等領(lǐng)域。?典型的運(yùn)用案例：德國宇航中心研制的DLR-Ⅰ和

DLR-Ⅱ靈巧手，其中DLR-Ⅱ采用優(yōu)化的電機(jī)+微型諧波模組方案替代原電機(jī)+行星齒輪箱方案，直徑相對(duì)更大，但驅(qū)動(dòng)模組的長度、質(zhì)量均大幅減小，輕量化、小體積特征明顯。表：DLR-Ⅰ和

DLR-Ⅱ靈巧手硬件方案變革體現(xiàn)在體積縮小、質(zhì)量更輕圖例靈巧手方案類型直徑（mm)高度（mm）重量（g）無刷直流電機(jī)163531DLRHandI行星齒輪1625.310.42815無刷直流電機(jī)21.2DLRHandII微型諧波2013.615資料：《Multisensory

Five-Finger

Dexterous

Hand:TheDLR/HIT

HandII》（H.Liu等），長江證券研究所%%23%%%%%%03

如何理解微型諧波的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)？表：德國Micromotion微型諧波減速器減速比可達(dá)120、160、500?受致動(dòng)原理限制，目前微型電機(jī)轉(zhuǎn)速很難進(jìn)一步降低，因此在驅(qū)動(dòng)模組輸出扭矩時(shí)減速器傳動(dòng)比更大意味著靈巧手更大的輸出握力。而微型諧波減速器同樣具備一般諧波減速器的柔輪+鋼輪的嚙合結(jié)構(gòu)，在傳動(dòng)比上較行星方案具備優(yōu)勢(shì)。項(xiàng)目MHD-8IH齒廓MHD-10IH齒廓160

500

1000減速比16075008額定轉(zhuǎn)矩（mNm）瞬時(shí)峰值扭矩（mNm)5136445852010040??單級(jí)行星減速器減速比目前一般為3-10，可以采用多級(jí)結(jié)構(gòu)以獲得更高的傳動(dòng)比，但模組體積將會(huì)相應(yīng)增加，進(jìn)一步收縮結(jié)構(gòu)體積或?qū)⒋嬖谄款i。203070403575235090摩擦力矩（電機(jī)，μN(yùn)m）摩擦力矩（輸入軸，μN(yùn)m）兩個(gè)案例對(duì)比：1）德國Micromotion公司開發(fā)出了MHD8和MHD10兩個(gè)系列產(chǎn)品，外徑最小為8mm，傳動(dòng)比可達(dá)120、160、500。2）國內(nèi)上海交大開發(fā)的微3K-2型行星齒輪減速器減速比達(dá)44.2，減速器外徑4mm。8020、

20、

20、最大徑向載荷（靜態(tài)，N）15、5

15、55.55.55.5最大徑向載荷（動(dòng)態(tài)，N）最大軸向載荷（N）335.55.55.510、10

10、10

10、10

10、10

10、10MHD-8P齒廓

MHD-10P齒廓500

120

160

500

1000表：微型減速器種類、尺寸、性能參數(shù)及特點(diǎn)項(xiàng)目種類研究單位性能參數(shù)尺寸特點(diǎn)減速比1607微3K-2型行星齒輪減速比44.2輸出扭矩13μN(yùn)m結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、體積小、減速比大中國上海交通大學(xué)減速器外徑4mm額定轉(zhuǎn)矩（mNm）瞬時(shí)峰值扭矩（mNm)摩擦力矩（電機(jī)，μN(yùn)m）摩擦力矩（輸入軸，μN(yùn)m）1046357515736012555018

2482

11045

4085

80減速器323070塑料3K-II型微行中國大連理工大學(xué)-減速器外形尺寸10mm可實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)減速比小星齒輪減速器減速比100

90微擺線針輪減速器

美國Sumitomo公司

i=6,11,15,20,21,25等-20、

20、

20、

20、5.5

5.5

5.5

5.5最大徑向載荷（靜態(tài)，N）

15、5

15、5活齒半徑3mm，滾道深度1.8mm，主動(dòng)軸外圓柱面半徑22.8mm，殼體內(nèi)圓柱面半徑25.2mm，活齒圓周方向旋轉(zhuǎn)半徑24mm體積小、傳動(dòng)比范圍大、傳動(dòng)效率高、承載能力強(qiáng)、回差精度高、潤滑性能好圓柱三正弦活齒減

中國哈爾濱工業(yè)大最大徑向載荷（動(dòng)態(tài)，N）最大軸向載荷（N）335555減速比i=7速器學(xué)10、1010、1010、10

10、10

10、1010、10資料：《微機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)概述》（喬緒維等），《微型諧波齒輪傳動(dòng)概述》（莫瀚寧等），長江證券研究所%%24%%%%%03

微型諧波方案與行星方案對(duì)比?當(dāng)前靈巧手驅(qū)動(dòng)模組解決方案主要仍為空心杯電機(jī)+微型行星減速器方案。對(duì)比來看，空心杯電機(jī)+微型行星減速器方案相對(duì)成熟，已有頭部廠商送樣且取得較好的反饋。且產(chǎn)品性價(jià)比優(yōu)勢(shì)更加突出，有望在明年人形機(jī)器人產(chǎn)量釋放過程中率先成為主流方案。圖：Maxon展出小直徑空心杯電機(jī)+行星減速器驅(qū)動(dòng)方案圖：微型諧波方案與行星方案對(duì)比對(duì)比項(xiàng)目微型諧波方案行星減速器方案適配是否適配靈巧手適配低，可多級(jí)提升傳動(dòng)比但影響體積縮小傳動(dòng)比