制造产业人形机器人行业感知硬件专题：人形机器人的五类感官和硬件支撑

S1010521010007

IMU能力的汇川技术奥普光电禾川科技和昊志机电得关注，首次给予人形机器人行业“强于大市”评级。李越机械行业首席分析师S1010521010008

重点公司盈利预测及投资评级收盘价（元）22A（元）22A23E24E25E22A23E24E25E峰岹科技688279.SH104.631.681.842.392.9475574436-柏楚电子*688188.SH232.583.284.806.278.1472483729买入鑫宏业301310.SZ66.301.992.333.454.6144281914昊志机电300503.SZ16.080.07---225----禾川科技688320.SH35.590.651.081.602.0867332217-奥比中光688322.SH-UW31.99-0.77-0.52-0.160.21-49-62-200152-柯力传感* 603662.SH27.590.921.161.431.7731241916-汉威科技* 300007.SZ16.200.851.250.941.4320131711买入芯动联科 688582.SH41.470.340.430.630.88138966647-汇川技术* 300124.SZ67.311.621.982.432.8742342823买入奥普光电 002338.SZ32.480.340.841.171.62104392820-

EPS（元） PE评级纪敏制造产业联席首席分析师S1010520030002付宸硕国防与航空航天首席分析师S1010520080005

资料来源：，预测注：股价为2023年8月14日收盘价；柯力传感、汉威科技汇川技术、柏楚电子2023-25年数据为预测，其余公司2023-25年数据为一致预期人形机器人行业级 ）目录人形机器人加速发展，感知能力愈发重要 6人形机器人迅速迭代，国内外厂商加速布局 6人形机器人是具身智能的重要载体，AI发展赋能机器人感知 10人形机器人更加智能化，所需的感知硬件远多于传统机器人 15五类感官类比人体，相关硬件必不可少 19交互控制：人形机器人的“大脑” 19视觉传感：人形机器人的“眼睛” 23力控传感：人形机器人的“触觉” 27位移姿态传感：人形机器人的“小脑” 32运动控制传感：人形机器人的“末梢神经” 35风险因素 37投资策略 38插图目录图机器人迭代速度快 6图Bot和汽车共用AI系统、芯片及部分传动零部件 6图3：波士顿动力Atlas机器人发展历程 7图4：特斯拉在中国建厂后，我国新能源车销量快速增长 7图5：各大厂商的仿人形机器人产品 9图6：全球智能服务机器人产品及解决方案的市场规模 10图7：全球人形机器人市场规模 10图8：第一人称智能与第三人称智能 图9：PIE方案 图10：视觉与语言Transformer技术的演进 12图机器人根据用户的自然语言进行代码调试 13图12：ViT模型架构 13图13：RobotCat学习任务的过程 14图14：人工智能的三代系统范式 14图15：人形机器人与人体类似，主要分为控制、感知和执行三大系统 15图16：编码器在工业机器人中广泛使用 16图17：协作机器人用力矩传感器 16图18：3D视觉传感器在服务机器人、AGV中的应用 16图19：无人机、移动机器人使用IMU进行导航 16图20：以特斯拉Optimus为代表的人形机器人组成全景图及相关的国内上市公司 17图21：特斯拉人形机器人各组成部分成本占比测算 18图22：特斯拉人形机器人各零部件成本占比测算 18图23：ROBOT-Ⅰ的控制系统 20图24：人形机器人硬件架构的整体方案 21图25：人形机器人控制软件的整体方案 21图机器人的大脑BotBrain需用SoC芯片 22图27：伺服驱动器的组成结构示意 22图28：加入FPGA进行协同控制的机器人控制系统 22图29：智能控制器代表产品示意 23图30：PLC代表产品示意 23图31：FSD视觉感知神经网络架构 25图32：FSD视觉感知系统已嵌入特斯拉机器人 25图33：FSD系统为Optimus做路径规划 25图34：FSD为Optimus估计行动和姿势 25图35：中国机器视觉市场规模及预测 26图36：机器视觉系统成本拆分 26图37：机器视觉行业图谱 27图38：协作机器人做不规则表面抛光需要进行动态力反馈控制 27图39：特斯拉机器人可实现对四肢力量的精准控制 27图40：特斯拉机器人的力传感器 28图41：ARTEMIS机器人足部的力传感器 28图42：一维、三维、六维力传感器的选择 29图六维力传感器内部结构 29图44：硅基金属箔等电阻应变片具有更好的性能优势 29图45：柔弹性电子皮肤触觉传感器及其柔弹性展示 31图46：覆盖电子皮肤柔性触觉传感器的WENDY机器人 31图47：柔性传感器下游应用场景 31图48：能斯达ZNS-01手套型柔性薄膜压力传感器 31图49：IMU在机器人上的应用 32图50：IMU示意图 33图51：姿态传感器MPU6050 33图52：全球MEMS惯性传感器市场规模 33图53：中国MEMS惯性传感器市场规模 33图54：IMU等级划分及参考价格 34图55：MEMS陀螺仪内部结构示意图 34图56：芯动联科MEMS惯性产品主要用途 35图57：伺服系统结构示意 36图58：人形机器人旋转关节需用编码器 36图59：光栅位移传感器（光编码器）工作原理 36图60：磁编码器结构示意图 36图61：磁编码器因体积和抗干扰性优势更适用于双编码器方案 37图62：国内编码器市场竞争格局 37表格目录表1：各大主流机器人公司产品对比 8表2：部分国内外机器人创业公司推出人形机器人 9表3：特斯拉机器人硬件BOM成本表 17表4：人形机器人主要感知环节及其相关软硬件 19表5：控制器分类 19表6：机器人控制方式对比 20表7：机器视觉与人类视觉对比 23表8：3D视觉感知主要技术 24表9：主要人形机器人厂商所用3D视觉技术 26表10：不同类型力控方式原理及优缺点 28表全球和国内力控传感器部分参与企业 30表12：人形机器人相关（拟）上市公司 38表13：人形机器人相关感知硬件国产厂商市场空间测算 39▌人形机器人加速发展，感知能力愈发重要人形机器人迅速迭代，国内外厂商加速布局特斯拉机器人迭代迅速，历时8个月便可执行复杂动作。202210月，在特斯拉AIDayOptimus20233月的投资者日中，Optimus便展现了步行以及组装机器人的工作20235月的股东大会上，Optimus已经可以实现对物品的抓取等复杂动作。马斯克提出，OptimusOptimus量产实现。图1：Tesla机器人迭代速度快资料来源：2022特斯拉AIDay、2023特斯拉投资者日、2023特斯拉股东大会，特斯拉强大的供应链及解决方案有望加速人形机器人量产进程。目前人形机器人商业化量产的瓶颈主要可归结为技术、成本和应用场景三个方面。但特斯拉在三大瓶颈方面均有特有优势。1）FSDDOJOD1超级计算芯片的特斯6形机器人提供巨大的试验田，早期版本的机器人将在工厂中进行大量训练，并不断迭代，解决了大多数厂商早期寻找应用场景这一大难题。图2：TeslaBot和汽车共用AI系统、芯片及部分传动零部件资料来源：特斯拉官网Atlas为例，根据波士顿动力官网，Atlas40年的发展历史，1983年-2013LegLab走Atlas基本完成了简单的肢体动作和行走能力，2016Atlas开始具有简单的物体搬运功能，并且没有灵巧手，2019Atlas40Atlas200万美元以上。图3：波士顿动力Atlas机器人发展历程资料来源：波士顿动力官网，特斯拉或在机器人行业再次带来鲇鱼效应。回顾新能源汽车在中国市场的发展史，特斯拉这条“鲇鱼”对于我国新能源汽车升级与降本带来巨大推动作用。201911Model3售价下调，35.5829.9图4：特斯拉在中国建厂后，我国新能源车销量快速增长0

新能源车销（万） 新能源车渗率68926%35213%7868926%35213%781261211373%4%5%5%

30%25%20%15%10%5%0%资料来源：，ASIMOAtlasAgilityRobotWalkersCyberOneOptimusAgilityRobot2022年B+轮融资的投资者中，出现了亚马逊及索尼。国内外巨头纷纷下场加码人形机器人，人形机器人有望迎来快速发展。身高130cm150cm158cm身高130cm150cm158cm130cm177cm173cm体重48kg75kg45kg63kg52kg56kg应用场景展览搜索、救援、军事物流、工业检测教育、展览暂无家务、工业等本田ASIMO波士顿AtlasAgilityRobotDigit优必选Walkers小米CyberOne特斯拉Optimus国家日本美国美国中国中国美国开发时间2000年2013年2015年2018年2022年8月2022年10月价格300-400万美元200万美元+几十万美元几十万到几万 成本60-70万元量产价2万美元元人民不等 人民币特点产业化水

楼梯

可跳舞、后空翻

20196

具有室外行走能力，量产能力

具有行走能力

拥有人类灵活双手，AI技术强原型机公布，预计平示意图

未产业化 实验室

目前几十台

已商业落地 未商业化

年量产资料来源：各公司官网，注：AgilityRobotDigit、特斯拉Optimus预测信息来自于其官网或发布会国内外机器人创业公司也纷纷推出人形机器人或产品。国内机器人行业创业公司如追觅科技、达闼科技等先后推出自己的双足人形机器人，国内四足机器人领先企业宇树科技也在加入到人形机器人的研发中，腾讯RoboticsX实验室推出自研机器人灵巧手“TRX-Hand”和机械臂“TR-m68.7亿元。国外方面，OpenAIA21XTechnologies，旨在将其强大的AIAGI的发展奠定基础。表2：部分国内外机器人创业公司推出人形机器人公司 公司介绍 产品图示20172023年3月，追觅推出其人形机器人该款通用人形机器人实现了高度仿生，身高追觅科技

4463AI大型语言模型，具备高质量的对话沟通能力。达闼科技达闼科技2019Ginger人形机器人，唯一可规模化量产、可双手工作的人形智能机器人。CEO20221XTechnologies1XTechnologies成立于2014年，原名HalodiRobotics，专注于开发具有高度灵活性和可扩展性的人形机器人。1XTechnologies的旗舰产品是EVE，一款拥有两臂、1XTechnologies 1XTechnologies还在研发一款名为NEO的双足机器人。2023年3月被OpenAI于A2轮融资领投。RoboticsX2018腾讯RoboticsX机器人”。实验室2023年4月，发布了灵巧操作研究成果，并推出自研机器人灵巧手“TRX-Hand”和机械臂“TRX-Arm”。资料来源：各公司官网，2021320228Max2021820227月发布首款四足机器人。此外一些在机器人领域深耕多年的创业公司也拥有A1X20E系SpotIITHyQReal。（1）仿生步态下运动能力较传统履带/四轮双轮机器人大幅提升（（3）依靠算法能力实现复杂环境识别并实施决策。图5：各大厂商的仿人形机器人产品资料来源：各大公司官网，预计到2027年，全球人形机器人市场规模将达到141亿美元。根据优必选招股书，2026676亿美元，2021年到2026年CAGR达到25%。而根据StratisticsMarketResearchConsultng7年达到10年到CAGR58%。图6：全球智能服务机器人产品及解决方案的市场规模（亿美元）智能个人/家庭务机人 智能专服务器人0资料来源：弗若斯特沙利文（转引自优必选招股书，含预测），

图7：全球人形机器人市场规模（亿美元）资料来源：StratisticsMarketResearchConsulting（含预测），人形机器人是具身智能的重要载体，AI发展赋能机器人感知ITFWorld2023与物理世界互动的智能系统。具身智能是具有身体体验的智能。1950年，图灵在他的论文“ComputingMachineryandIntelligence”中首次提出了具身智能的概念。之后的几十年里，大家都觉得这是一个1963就变成了第一人称的智能，也就无限接近于人类。图8：第一人称智能与第三人称智能资料来源：卢策吾在机器之心AI科技年会上发表的《具身智能》演讲教授在机器之心I科技年会中提出了IE方案，即具身感知（erceton、具身想象（manton）和具身执行（xecuton。IE整的碎片，机器人总是能成功抓取。图9：PIE方案资料来源：卢策吾在机器之心AI科技年会上发表的《具身智能》演讲充分利用与学习。“GTIG-4G-4OpenAI发布的大型多模态模型，它不仅能与用户一起生成、编辑，完成创意的迭代GPT的主要TransformerTransformer技术，GPT-112层，而到GPT-396层。GPT-4增加了额外的视觉语言模块，理论上具有更大的模型尺寸和输入窗口。图10：视觉与语言Transformer技术的演进资料来源：陈巍《GPT-4模型特征与训练信息最新解读》ChatGPTSaiVempralaChatGPT的目标是让非技术用户参与到修正过程中，通过高级语言命令与语有望帮助编写新代码和规范来纠正机器人的行为，因此允许了不懂技术的广大用户提供反馈，轻松地与机器人互动，图11：机器人根据用户的自然语言进行代码调试资料来源：SaiVemprala、RogerioBonatti、ArthurBucker&AshishKapoor“ChatGPTforRobotics:DesignPrinciplesandModelAbilities”统一了CV和NLP模型将语言模型的trafomerCNNCV和NLP年0sonasfomrTCNNrasfomr结构应用于视觉模型也可以很好地执行图像分类任务。Transformer将句子中的每个词（token）MLP层将编码器的输出转化为不同分类的概率。图12：ViT模型架构资料来源：AlexeyDosovitskiy、LucasBeyer、AlexanderKolesnikovetal.“AnImageisWorth16x16Words:TransformersforImageRecognitionatScale”如谷RoboCatGatoGatoRoboCat次任务的RoboCat可被移植到新的机械臂上，对新的机械臂进行微调后执行相同的任务，RoboCat在几小时内观察1000次人工演示后，可以灵巧的指挥新手臂抓取齿轮，成功率高达86%。RoboCat的出现为未来更加通用的机器人出现打下基础。图13：RobotCat学习务的程 资料来源：：KonstantinosBousmalis、GiuliaVezzani,、DushyantRaoetal.“RoboCat:ASelf-ImprovingFoundationAgentforRoboticManipulation”AI着感知，第二代系统“模型”对应着思考，第三代系统“行动”对应着实现，目前GPTBot发展离不开感知能力的不断提升。图14：人工智能三代统范式 资料来源：陆奇《我的大模型世界观》人形机器人更加智能化，所需的感知硬件远多于传统机器人包括器官、神经、大脑皮层等，在人形机器人中体现为各类传感器；执行类似于骨骼肌，包括线性执行器、旋转执行器、灵巧手等。图15：人形机器与人类似主要分控制感知执行大统 资料来源：工控网，坤维科技官网，特斯拉官网，星网宇达官网，对于传统机器人而言，除编码器外，多数工业机器人不需要其他的感知硬件，部分特定种类的机器人仅需要单一感知硬件，而人形机器人则集成使用类各类感知硬件。编码器3D移导航，IMU（惯性测量单元）为无人机等无人移动系统提供导航和姿态控制等。图16：编码器在业机人中泛使用 图17：协作机器用力传感器 资料来：《控机结构理应用》陈子） 资料来：坤科技网图18：3D视觉传器在务机人、AGV中的用 图19：无人机、动机人用IMU进行导航资料来：奥中光网，GGII《2023年机器觉产发展皮书》 资料来：欣特科官网Optimus为例，其感知系统至少需要视觉传感器、力（力矩）传感器、IMU（惯性测量单元、编码器及主控芯片等感知硬件。2022AIDay2023年投资者交流日信息，Optimus的旋转执行器由无框力矩电机+谐波减速器+双编码器+制动器+力矩传感器+低压驱动+轴承等组成，直线执行器由无框力矩电机+行星滚柱丝杠编码器+力矩传感器+驱动器+轴承等组成，灵巧手由空心杯电机+手指紧握执行器+低压驱动+编码器组成，均需要使用大量DevelopmentandReal-TimeOptimization-basedConrolofaFul-siedHumaodforDnamcWakngadRunng（Mnunghn，UCL所示的rtms（半直驱图20：以特斯拉Optimus为代的人形器人成全图及关国内上公司 资料来源：特斯拉官网，各公司官网，“DevelopmentandReal-TimeOptimization-basedControlofaFull-sizedHumanoidforDynamicWalkingandRunning”（MinSungAhn，UCLA），绘制注：图中公司仅表示其在相关业务上有布局，不代表实际供货以特斯拉人形机器人Optimus为例进行硬件BOM分拆成本测算，我们认为2万美我Optimus测算后可得当前单台机器人的硬件的总成本约为7万元人民币（约合4万美元，该2万美元的降本目标实现可期。不包括旋转和线性执行器，仅感知交互系统自身硬件，就占总硬件成本的IMU案。表3：特斯拉机器人硬件BOM成本表（货币：人民币）组成分类组成数量零部件名称零部件数量零部件平均价值量单个机器人总价值（元）量（万元）谐波减速器110001.4无框力矩电机110001.4力矩传感器120002.8旋转执行器14编码器25001.4轴承3500.21低压驱动器15000.7制动器12000.28组成分类组成数量零部件名称零部件数量零部件平均价值量单个机器人总价值（元）量（万元）其他及总成10001.4无框力矩电机110001.4行星滚柱丝杠110001.4力矩传感器130004.2线性执行器14编码器15000.7轴承2500.14低压驱动器15000.7其他及总成10001.4空心杯电机610001.2低压驱动器65000.6灵巧手2紧握执行器52000.2编码器65000.6其他及总成-10000.2摄像头及相机240000.8SoC芯片150000.5感知交系统

IMU 1 2000 0.2通信线缆 - 1000 0.1其他控制硬件及总成

- 5000 0.5动力系统1动力线缆动力系统1动力线缆-10000.1其他1其他结构件-100001.0总计BOM成本24.73资料来源：测算注：零部件种类和数量来自于特斯拉AIDAY，成本为当前非量产下国内主要公司相关产品参考价格，不含软件、研发及供应链成本以及量产规模降本图21：特斯拉人机器各组部分成占比算 图22：特斯拉人机器各零件成本比测算8%2%4%线性执器 旋转执行器 灵巧感知交系统动力系统 其他8%2%4%

力矩传感器无框力电机 编码器 3%低压驱动 3%谐波减速及制动器

31%11%

37%

38%

滚柱丝杠 5%空心杯视觉传感 6%主芯片及IMU轴承 7%动力电池紧握执器 线缆其他控制及结构件

12%

12%资料来源：测算注：测算依据同上 资料来源：测算注：测算依据同上▌五类感官类比人体，相关硬件必不可少人形机器人的感知环节主要可以分为交互控制、视觉传感、力控传感、位移姿态传感及执行环节的运动控制传感，均涉及相关软件算法和硬件零部件。人形机器人各个零部件环节可以形象地看作人类的“大脑”、“眼睛”、“触觉”、“小脑”、“末梢神经”等，且感知环节各部分均包含软硬件算法，从硬件端来看，均在整体BOM中占据一定价值量，主要包括力矩传感器、视觉传感器、IMU等，且我国厂商有望在硬件制造端持续发力。表4：人形机器人主要感知环节及其相关软硬件交互控制 视觉传感 力控传感 位移姿态传感 运动控制传感算法算法、控制算法法硬件算法算法、控制算法法硬件主控芯片、控制器3D视觉传感器（光源、镜头、相机、（惯性测量单元柔性压力传感 编码器光栅尺采集卡、处理器等）器（电子皮肤）

图像识别与处理算

解耦算法 姿态解算法 闭环控算法（IMU）资料来源：交互控制：人形机器人的“大脑”PLCIPC+PLC由于其优秀的集成封装和二次开发特性，非常适用于一般的工业运动控制；PC-based表5：控制器分类分类 组成 特点 应用 图例单片机为核心的专用控制器PLC制器

单一芯片集成基本计算机系统自控技术与计算机集成工控系统

智能电计算机通用平计算机通用平IPC+PC-based台与实时软件运动控制卡系统集成系统通用性强，构建速度快，能够满足复杂运动的算法要求，抗干扰能力和开放性强，缺点是外部接入，不方便移动工业机器资料来源：工控网，华联电子官网，信捷电气官网，维宏股份官网，（力矩（力矩工业机器人的控制方式主要有（T（C（力矩控制方式，（力矩多和要求更高的控制器。表6：机器人控制方式对比分类 特点 应用工业机器人上下料、搬运、点焊点位控制方式力（力矩控制方式智能控制方式

只要求工业机器人能够快速、准确地在相邻各点之间运动，对运动轨迹则不作任何规定对工业机器人末端执行器在作业空间中的位姿进行连续的控制，要求其严格按照预定的轨迹和速度在一定的精度范围内运动，而且速度可控、轨迹光滑、运动平稳，以完成作业任务原理与位置伺服控制原理基本相同，输入量和反馈量不是位置信号，而是力（力矩）信号采用智能控制技术，使机器人具有较强的环境适应性及自学习能力。智能控制技术的发展有赖于近年来人工神经网络、基因算法、遗传算法、专家系统等人工智能的迅速发展

等只要求目标点处保持末端执行器位姿准确的作业中工业机器人弧焊、喷漆、去毛边和检测作业机器人都采用这种控制方式打磨、装配等具有协作和力反馈特性的机器人具有智能特性的人形机器人资料来源：Ofweek网，主控、协调和分布控制有望成为人形机器人最主要的控制方式，因此硬件方面需要主控芯片及控制器、通信线缆以及关节分部控制器等。特斯拉投资者开放日所展示人形机器OptimusSOC主控芯片，因此，不同于其他机器人，人形机器人有望采用主控、协同和分布控制对的方式，ROBOT-图23：ROBOT-Ⅰ的控制系统资料来源：张月《双足人形机器人步态规划和稳定性研究》芯片。展示了人形机器人的软硬件架构方案，其硬件最底层即为反应层，包含各类感知传感器，传感器接受到相关信号后交由思考层进行决策处理，软件执行层进行动作规划，最后通过AIAIDojoDojoVenkataramananDojoAIDojoAI算法的重任，就是特斯拉自研神经网络训练芯片——D1芯片。图24：人形机器人硬件架构的整体方案资料来源：李沁泠《人形机器人设计及步行控制研究》

图25：人形机器人控制软件的整体方案资料来源：李沁泠《人形机器人设计及步行控制研究》SOC（System-on-a-chip）芯片作为机器人大脑集成了多项功能，解决了混合式软件和分级控制硬件的多项功能，可以视为单片机在人形机器人中的进化。SOC（System-on-a-chip）即系统级芯片，是模仿计算机系统，微缩成了一个微系统，相当于MCUSOCSOCBotBrain，用于收集、处理及输出信息。UCLAArtemisSOCSOCSOC芯片已在服务机器人图26：Tesla机器人大脑BotBrain需用SoC芯片 资料来源：2022年特斯拉AIDayFPGA（现场可编程门阵列）进行协调控制，FPGA也是一种FPGA之于主控芯DSP（数字信号处理）CPU，都是用来解决核心芯片应对复杂进程处理成驱控一体化。主控芯片一般采用微控制单元（MCU，FGA进行辅助，以解决驱控一MCUARMCortex-M电子，国内峰岹科技拥有完整自主知识产权芯片内核（ME内核）及技术体系。当前FPGA芯片市场由国际企业主导，如赛灵思、英特尔、莱迪思等，国内市场规模较小，如安路科技、复旦微电、紫光同创（紫光国微）FPGA市场。图27：伺服驱动的组结构意 图28：加入FPGA进行协同的机器控制统 资料来：电发烧友 资料来：《构师术联》信公众号基于单片机的智能控制器厂商、可编程逻辑控制器（PLC）厂商及机器人通信线缆厂商随着人形机器人放量和技术路线的迭代同样有可能受益。将CPU集成到单块集成电路出接口等也全部集成在一起则形成了单片机，内主要厂商有拓邦股份、和而泰、和晶科技、朗科智能、华联电子（联创光电、振邦智能、朗特智能等。PLCMCUMCU基础上进行控制器开发的能力，、雷赛智能、信捷电气、埃斯顿、步科股份、新时达等。此外，人形机器人的分级控制需目前国内可从事机器人控制和通信线缆的代表厂商为鑫宏业。图29：智能控制代表品示意 图30：PLC代表品示意资料来：华电子网 资料来：信电气网视觉传感：人形机器人的“眼睛”视觉传感器也即机器视觉，希望通过引入机器代替眼睛来做判断和识别。机器视觉引入工业流程通常是希望通过提高效率（从而提高生产力、减少错误（从而提高质量）或中解放出来。表7：机器视觉与人类视觉对比性能指标 人眼视觉 机器视觉慢秒的视暂留人眼法清速度 快速运的目；人对图的理分析速度受多重因素影响，差异较大

快：快门时间可达到10微秒右，高速像机帧率可达1000观测精度 差：64灰度级，能分微小目标 强：256灰度级，观测米级目标弱：对环境温度、湿度的适应性差，很环境要求

多环境对人体有损害

强：对环境适应性强，可加防护装置客观性 低：数无法化，人而异 高：数可量，标统一可靠性 易疲劳，受情绪波动影响 强：可持续工作，效果稳定可靠资料来源：奥普特招股说明书，机器视觉在工业中的应用根据返回图像的维度可分为2D和3D视觉，目前机器视觉在工业中的应用主要以实现识别、测量、定位、检测四种功能为主。识别功能实现难度较低，其次为测量，再次为定位，检测功能实现难度相对最高。2D机器视觉技术可以获取x、y2D体积等三维信息，有易受光照变化影响、对物体运动敏感度高等局限性。3D机器视觉技术相对与2D技术提供了更丰富的被摄目标信息xz3D3D2D3D重构目前主要的技术有结构光、、、立体视觉、Lidar、工业三维测量等。表8：3D视觉感知主要技术技术 最佳测量距离 分辨率 测量精度 主要适用场景iToF<3.5m中低 机器人iToF<3.5m中低 机器人安防控、下3D结光等AR/VR、近距：中中距：高门禁等dToF<5m低近距：低距：高 手机后、平后置扫地器等立体视觉<15m高低 汽车侧、室机器、智安等Lidar<200m低汽车自动驾驶、汽车ADAS、低速物流近距：低远距：高车自动驾驶等工业三维测量20mm-30m极高极高 高精度业测，材、结检测

近距：高中远距：

手机前置、刷脸支付、刷脸门锁、服务资料来源：奥比中光招股说明书，特斯拉机器人Optimus视觉方案使用了自动驾驶解决方案拥有强大的感OccupancyNetworkFSDRegNetBiFPNHead中通过输出的二进制特征图判定每个位置是否有目标以及目标的属性，这里用到HydraNetsHeadOccupancyNetworkOptimusFSD的视觉感知系统。图31：FSD视觉感知神经网络架构资料来源：2021年特斯拉AIDay

图32：FSD视觉感知系统已嵌入特斯拉机器人资料来源：2022年特斯拉AIDayOccupancyNetwork对可视区域进行建模来处理未知不可见场景。目前FSDOptimus的姿势和轨迹。图33：FSD系统为Optimus做路径规划资料来源：2022年特斯拉AIDay

图34：FSD为Optimus估计行动和姿势资料来源：2022年特斯拉AIDay人形机器人视觉传感技术主要使用多目立体视觉和法，特斯拉和UCLA均使用3个3D相机即可实现多目立体视觉。3UCLA是指时间往返行程采用时间选通光子计数器或电荷积分器外表9：主要人形机器人厂商所用3D视觉技术厂商特斯拉Optimus优必选WalkerX小米CyberOne波士顿动力AtlasUCLAARTEMISToFiToFiToF立体视觉多目多目多目图示资料来源：各公司官网，《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》（Zhu.Taoyuanmin，UCLA），3D视觉市场空间逐渐打开，视觉传感器除相机外，还包含其他硬件及软件，其中成本占比较高的还有工控机（视觉控制器）和算法软件。国内3D视觉市场随着视觉要求的202578亿元。机器视觉系统中成本占比也较高。具有全栈开发能力的公司往往具备产业链优势，此外，AI图35：中国机器觉市规模预测 图36：机器视觉统成拆分0

3D机器视觉市场规模（亿元）2D视觉市场规模（亿元）

光源 镜头 相机 工控机 软件 其他15.06%19.88%27.11%18.07%10.84%15.06%19.88%27.11%18.07%9.04%资料来源：高工机器人（GGII，含预测）， 资料来源：GGII，目前国外企业占据机器视觉半壁江山，我国自主研发空间大，人形机器人需求较大，我国企业有望受益于3D相机放量。基恩士、康耐视等国外公司已经形成了较为全面的产品覆盖，也是目前机器视觉市场的标杆公司。上游高端核心零部件市场目前主要由国外公司主导，因此机器视觉核心环节自主研发需求迫切。由于3D相机将在人形机器人广泛使用，且软件及算法的门槛及价值量同样较高，我们认为具有全栈研发能力的奥比中光将受益于3D相机的放量，此外，建议关注布局相机的凌云光和海康机器，建议关注布局高端CMOS图像传感器的长光辰芯。图37：机器视觉业图谱 资料来源：前瞻产业研究院力控传感：人形机器人的“触觉”力（力矩）传感器（GGII）数据显示，20221.95万台，同比+4.71%GGII预计20266万台；202221.53亿元，同比+5.61%。人形机器人：GGII20200globalinformation202174.32027126.6亿美元。图38：协作机器做不则表抛光需进行态力馈控制 图39：特斯拉机人可现对肢力量精准制 资料来：睿课 资料来：Tesla官网（力矩（力矩机器人在NASA等。图40：特斯拉机器人的力传感器资料来源：2022年特斯拉AIDay

图41：ARTEMIS机器人足部的力传感器资料来源：《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》（Zhu.Taoyuanmin，UCLA）不同力控方式各有优劣，力矩传感器为最优方案。目前机器人力控方案大致分为三类，（弹性体和力矩维力矩/度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。表10：不同类型力控方式原理及优缺点类型 原理 优点 缺点电流环力控

成本低，不需要增长额外的感设备 精度较响较（体）力矩/力控

测量力矩

低成本、常用于高集成度场景精度高，频响快，可靠性好，寿命长

慢，适用场景有限成本高资料来源：高工机器人（GGII），根据特斯拉AIDAY，预计特斯拉机器人关节处使用单维力传感器，执行器末端使用六维力传感器。按照测量维度，力传感器可以分为一维、多维（三维、六维）力传感器。（为数百元XYZXYZ的干扰，应用于高端机器人和精密设备中，价格也十分昂贵（大多在数千元至上万元。图42：一维、三、六力传器的选择 资料来源：坤维科技官网六维力传感器性能全面，存在技术壁垒，应变片并非是成本居高不下的主要原因，标定设备、解耦算法研发等均需要高额资本投入。六维力传感器在力传感器中维度最高、力觉信息反馈最全面、技术和使用难度最大，最早应用于航空航天、国防领域，后逐步应用10MEMS1图43：ATI六维传感内部构 图44：硅基/金属箔电阻变具有更的性优势资料来：ATI官网 资料来：ATI官网力传感器需求受协作、霍尼韦尔等，中国市场上的高端传感器国产化率低。国内力传感器行业未上市公司实力较强，代表公司包括坤维科技（瀚川智能参股、宇立仪器、蓝点触控等，，部分力传感器已应用于工业机器人领域，正通过自主研发和加速并购的方式积极布局六维力传感器（力矩）传感器的厂商众多，具备六维力传感器生产能力的厂商完全具备一维力传感器生产能力。表11：全球和国内力控传感器部分参与企业企业 简介 主要传感器产国外ATI霍尼韦尔柯力传感（未上市）坤维科技（未上市）蓝点触控（未上市）

力矩传感器全球龙头，在工业机器人四大家族、UR等协作机器人中均有应用，此外还包括航空航天等世界著名的工业自动化品牌，主要产品包括传感器在内的各类工业自动化电子元器件国内DD直多轴力传感器领域优秀企业，是全球少数具有汽车碰撞模拟人力传感器生产能力的企业之一，是安川电机、KUKA、ABB的力传感器合作商。六维力传感器专业供应商，自主研发标定设备，供货给节卡、遨博、睿尔曼、越疆、思灵、大族等国内协作机器人厂商

六维力矩传感器一轴至六轴力传感器均有相应产品六维力传感器、关节扭矩传感器、力控应用软件包资料来源：各公司官网，柔性电子皮肤未来电子皮肤（柔性传感器）有望为机器人提供触觉，但更类似于人形机器人力控传感的“终极方案”。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)的柔性传感器，是贴在“皮肤”上的电子米级，接近人类的皮肤。电子皮肤在机器人领域的应用，旨在让其拥有人类的感知力，赋,人形机图45：柔弹性电皮肤觉传器及其弹性示 图46：覆盖电子肤柔触觉感器的WENDY机器人 资料来源：《电子皮肤触觉传感器研究进展和发展趋势》（曹建国，周建辉，缪存孝）

（）器厂商和硬件厂商相互独立开发，要完美实现贴合、传感器布线、组装都有难度。柔性传感器下游应用领域众多，除机器人外还包括医疗健康、消费电子等等，如脑机接口、足底感应、智能触控等。未来电子皮肤的成本不会是主要制约项，仍需要工艺进一步成熟推动大规模应用后方可降本。电子皮肤的成本主要由三部分组成，一是面积，二是精度（放在脚底和手上对精度要求不高，决定了材料和配方的使用，三是工艺复杂程度，和结构和贴合度有关。目前电子皮肤的成本主要有衬底材料和表面压力传感器矩阵构成，目前MEMS是与机械结构难以贴合、无法检测切向力、传感器密度与精度等问题。图47：柔性传感下游用场景 图48：能斯达ZNS-01手套型柔薄膜压传感器 资料来：汉科技网 资料来：能达官网电子皮肤国外公司主要有Interlink，国内汉威科技子公司能斯达为国内柔性传感器已产业化，目前已掌握柔性压阻、压电、温湿度和电容四大核心技术。目前国外产业化的有InterlinkHMI的触摸屏。国内为汉威科技的子公司能斯达，其不+采集系统+(柔性压力、压电、织物、应变、温湿度、热敏和电容传感器)，柔性微纳传感掌握自主知识产权，相关产品已在三甲医院进行临床实验。位移姿态传感：人形机器人的“小脑”以人形机器人为代表的足式机器人相较于其他类型机器人有较大优势，但是也对机器人稳定性提出了更高的要求。机器人按照运动方式可以分为：轮式机器人，履带机器人，足式机器人等。轮式机器人控制简单，能够在平坦的地形中快速平稳运动；履带式机器人UCLAARTEMIS3DMIMU用于保持平衡。图49：IMU在机器人上的应用资料来源：“DevelopmentandReal-TimeOptimization-basedControlofaFull-sizedHumanoidforDynamicWalkingandRunning”（MinSungAhn，UCLA）机器人位移姿态的检测的稳定性控制，主要依赖于IMU（惯性测量单元。IMU为惯性测量单元，是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置，大多用在汽车和机器MEMSIMU=MEMS陀螺仪+MEMSMEMSIMUIMU得到ROBOT-MPU6050。图50：IMU示意图资料来源：和讯康科技官网

图51：姿态传感器MPU6050资料来源：张月《双足人形机器人步态规划和稳定性研究》2021年，全球MEMS惯性传感器市场规模超30亿美元，中国MEMS惯性传感器市场规模136亿元，未来有望持续增长。根据Yole数据（转引自），预计2022年世界MEMS惯性传感器市场规模约35亿美元，2025年达到43亿美元，而针对战术级7.1亿美元（MEMS惯性传感器系统。根据头豹研究院公2022年中国MEMSMEMS惯性传感器市场136亿元，近几年增速快于全球平均增速，未来有望持续增长。图52：全球MEMS惯性传器场规模亿美） 图53：中国MEMS惯性传器场规模亿元）加速度计 陀螺仪 磁力计 惯性传组合4540353025201510502019202020212022E2023E2024E2025E

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2017 2018 2019 2020 2021资料来源：Yole（转引自，含预测）， 资料来源：头豹研究院，不同精度等级的IMU价格差异巨大，我们认为人形机器人所用IMU的要求至少要达到工业级&低端战术级以上。IMU精度主要由陀螺仪零偏稳定性来划分，不同精度量级的IMU价格差异巨大，精度从低到高分别为消费级、工业级&低端战术级、战术级、导航级IMU已达到工业级&IMU产品精度量级在工业级&IMU精度不会高于国防及航空航天所需的导航级及以上。图54：IMU等级划及参价格 资料来源：《惯性稳定平台中陀螺技术的发展现状和应用研究》（杨业飞，申文涛），芯动联科招股书，高性能MEMS惯性传感器技术壁垒高，市场仍大部分由国外公司占据。MEMS惯性传感器行业是多学科融合的高科技领域，高性能MEMS惯性传感器要做到稳定量产，需要在MEMS芯片设计及工艺方案、ASIC芯片设计、封装、测试等各个环节均具备相应的技术能力并建立完善的技术体系和工艺方案，技术壁垒高。MEMS陀螺仪和加速度计的核心都是一颗微机械（MEMS）芯片，一颗专用控制电路（ASIC）芯片及应力隔离封装，工作原理为在ASIC芯片的驱动控制下感应外部待测信号并将其转化为电容、电阻、电荷等信号变化，ASIC芯片再将上述信号变化转化成电学信号，最终通过封装将芯片保护起来并将信号输出，从而实现外部信息获取与交互的功能。根据Yole（转引自），高性能MEMS惯性传感器市场主要由霍尼韦尔、ADI、诺斯洛普-格鲁曼等寡头占据，CR3约为55%。市场集中度高的原因在于战术级以上市场容量较小，过去主要面向军工等领域，精度要求更高，工艺难度大，门槛高。我国上市公司与国际巨头公司相比整体规模较小，仍处于快速发展期。图55：MEMS陀螺仪内部结构示意图资料来源：芯动联科招股说明书MEMS惯性传感器产业链企业短期看配套能力，长期看芯片。MEMS惯性传感MEMS感（苏州固锝子公司）2）MEMS龙头或系统集成商，如华依科技、星网宇达等，后两者主要布局的是模块/IMU惯导系统环节。优劣带来的产品力差异带来的配套能力，长期看好具备芯片自研能力的芯动联科。芯动联科主要产品为高性能硅基MEMS平，复杂环境下适应性强。芯动联科主要产品为MEMS陀螺仪和加速度计，并提供MEMSMEMS惯性产品主要应用于战术级至IMU的第一梯队国产厂商。图56：芯动联科MEMS惯性产品主要用途资料来源：芯动联科招股说明书运动控制传感：人形机器人的“末梢神经”机器人线性执行器、旋转执行器和灵巧手均使用伺服系统解决方案，因素均需要编码器，图57：伺服系统结构示意资料来源：工控网

图58：人形机器人旋转关节需用编码器资料来源：金钢科技官网编码器主要分为光电编码器和磁性编码器，光电编码器在一般工业控制中更为主流，磁性编码器近年来快速发展。人形机器人采用闭环控制，电机均需配备编码器，主要分为光编码器和磁编码器。光编码器利用光线照射光栅标尺或码盘，将光学信号转化为电学信号，再进行整形电路输出；磁编码器采用外磁场角度变化产生磁电阻效应将变化着的磁场信号转化为电阻阻值的变化，经过后续信号处理电路的处理转化数字信号，实现磁旋转编码器的编码功能。光编码器因为不受电磁效应的影响，更适用于高精度要求对的场景，但其由于需要光栅照射而体积较大，密封性也不高；磁编码器具有高抗震能力、耐污浊、装配要求低、体积小等特点，因此近年来在小型机器人关节中的使用逐渐增加。图59：光栅位移感器光编器）工原理 图60：磁编码器构示图 资料来：数驿站网 资料来：中传动网Robotics人大小类似，并拥有多达40种的运动自由度，采用了雷尼绍提供的灵活小型的磁编码器方案。此外，人形机器人旋转关节普遍采用