力传感器生产项目可行性研究报告-高价值量零部件人形拉动广阔需求空间

北京智博睿项目管理有限公司北京智博睿项目管理有限公司力传感器生产项目可行性研究报告-高价值量零部件，人形拉动广阔需求空间1、力传感器助力人形机器人实现触觉感知及精准操作去年年底，特斯拉发布了关于其人形机器人Optimus最新的迭代升级，着重凸显了Gen2在操作技能上的显著提升。到今年5月，特斯拉又发布了Optimus在其工厂“打工”的演示视频，工作中Optimus仅依靠FSD、2D摄像头、手部的触觉和力传感器，就能够执行较为复杂、精细的操作任务，其先进的力感应技术大大增强了它在实际应用场景中的灵活性和稳定性。视频中有几处亮点同力传感器息息相关：精准抓握：OptimusGen2能够轻柔而精确地抓取和放下鸡蛋，这展示了它在精细操作方面的卓越能力。力传感器的应用使得机器人能够感知并调整握力，避免对易碎物品造成损害；物体传递：机器人能够流畅地将物品从一只手转移到另一只手，这一过程需要精确的力度控制和协调能力。力传感器帮助机器人在转移过程中感知和调整力度，确保物品的平稳过渡；深蹲动作：OptimusGen2能够执行标准的90度深蹲动作，这要求机器人的多个关节协同工作，保持身体的平衡。力传感器在此过程中协助机器人感知身体各部位的受力情况，以维持姿势的稳定；步态调整：机器人能够根据需要调整其行走速度，这表明它具备适应不同环境的能力。力传感器在此过程中监测足部与地面的接触力度，并帮助机器人调整步伐，以适应不同的行走条件；足部与腿部设计：OptimusGen2的足部和腿部设计模仿了人类的结构，这使得它能够在多变的地形上自如行走。力传感器在此帮助机器人感知地面的质地和凹凸不平，从而调整步伐和保持平衡。通过这些展示，OptimusGen2证明了其在力控制和感知方面的先进技术，预示着未来机器人在各种工作环境中的应用潜力。力传感器可以按照测量维度分为一至六维力传感器，能测几个维度就是几维力传感器。一维、三维和六维力传感器最常见，二维和五维的力传感器较少见。六维力传感器也是维度最高的力觉传感器，它能给出最为全面的力觉信息，因此六维力传感器的技术难度和使用难度都相对较大。人形机器人领域，六维力传感器已成为高性能人形机器人的标配，通常安装在手腕、脚腕、足底或手部，在运控规划、姿态调整、力度感知等中起到重要作用，以提升手部操作的灵活性以及脚部行走的稳定性，提升人形机器人在复杂环境中的自主性和适应性，可以实现在碎石、地砖、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。目前特斯拉Optimus、优必选WalkerX、达闼科技的小紫XR-4、美国宇航局的Valkyrie等，都已采用六维力传感器来提升机器人的性能。六维力传感器在人形机器人领域中主要作用有三方面：力控制——要求机器人的手臂能够精准地完成如抓取、组装和轻触等细致繁琐的力控制任务。六维力传感器能够检测并反馈手臂对物体施加的力和扭力并传输给机器人控制系统，确保“大脑”能够进行准确的调整。平衡稳定控制——在人形机器人行走时，为了维持稳定性，六维力传感器同样发挥着关键作用。它能够测量机器人脚部受到的地面反作用力，使控制系统能够相应地调整机器人的手臂和身体姿态，以保持平衡。安全防护控制——六维力传感器在安全防护系统中也扮演着重要角色，能够在机器人执行潜在危险操作或人类靠近时自动触发停止机制，以防止对人员造成伤害。此外，人形机器人还可能使用三维力传感器、关节扭矩传感器或一维拉力传感器，同时有些也会用到触觉传感器、电子皮肤等。多维力传感器的组合使用是指，人形机器人应用上同时使用三维力传感器、关节扭矩传感器或一维拉力传感器，以满足不同的控制需求。如特斯拉Optimus目前在各类执行器中均有应用一维或关节扭矩传感器，未来可能还会在脚趾部位增加一维力传感器，获取更多点信息，以便适应更加复杂的地面场景。除了力传感器，人形机器人还可能集成触觉传感器和电子皮肤，以提供更全面的环境感知能力。单台人形机器人可能应用4支六维力矩传感器以及30支（关节）一维力/力矩传感器，后续随着人形机器人规模上量，单价较贵的六维力矩传感器有望实现快速降本。结合系列报告中对于人形机器人总需求的预测数据，可得人形机器人量产后有望带给多维力传感器以巨大增量空间，2027E/2030E人形机器人产量突破20.27/122.36万台时，人形机器人领域带来力传感器的增量市场规模为141.70、560.81亿元。2、解析力传感器行业力/力矩/力觉传感器是一种检测和度量力/力矩的装置，它能够将作用在其上的力转换为电信号或其他形式的信号，以便于信息的收集、传输、处理、分析和显示。这里我们将力、力矩、力觉传感器统称为力传感器，力传感器在工业自动化、机器人技术、医疗设备、交通运输等多个领域都有广泛应用。力传感器主要包括本体单元和应变/形变检测系统两大部分，由力敏元件、转换元件和信号处理单元等具体元件组成，能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。当有力作用时，力施加于传感器本体单元上，并引起本体单元的应变或形变，检测系统（应变片或光学系统）可感知本体的应变或形变，通过电路将其转化为相应电压，继而通过测量电压值来表征力的大小，并转换成可用输出信号，最终实现力的测量。在组成元件中，力敏元件指力传感器中直接感受或相应被测量的部分，转换元件指力传感器中能将力敏元件感受或相应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。例如应变式力传感器的力敏元件是弹性敏感元件（弹性体），常见的弹性体材料有铝合金、合金钢和不锈钢，转换元件为贴在弹性体上的应变片（计），如电阻应变片，信号处理单元一般为电路，包括漆包线、PCB板等，应变片在电路中充当电阻。力传感器的设计和制造涉及力学、材料科学、电子工程等多个技术领域。以应变式传感器为例，力传感器产业链上游主要为材料类、元器件及组件类、生产或检测设备等细分行业，中游主要为力传感器的加工制造和封装检测，下游应用领域广泛，可应用于工业、消费电子、汽车电子、机器人、医疗、航空航天等领域。3、六维力传感器市场格局六维力/力矩传感器市场基数依然偏小，尚未形成明显规模效应。根据GGII数据显示，2022年中国市场六维力/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%。GGII预计，到2027年中国市场六维力/力矩传感器销量有望突破84000套，其中机器人行业销量有望突破42000套，复合增长率超过54%；2022年中国六维力/力矩传感器市场规模2.39亿元，同比增长52.04%，其中机器人行业六维力/力矩传感器市场规模1.56亿元，同比增长54.35%。GGII预计，2027年中国六维力/力矩传感器市场规模将超过15亿元，复合增长率超过45%。随着入局者的持续增加，叠加下游细分市场认知的逐年提升以及应用领域的拓展，六维力/力矩传感器有望进入高速成长期，期间将伴随多技术路线产品矩阵的完善、产品价格的下降以及国产化率的提升。从价值量较高的六维力矩传感器市场来看，国外老牌厂商众多，但受益于机器人市场需求催化，中国市场近年来入局者也在逐年增加。从代表企业的分布来看，全球六维力传感器主要分为日韩地区、欧美地区和国产地区三大阵营。外资六维力矩传感器厂商在国内市场占据主导，国产厂商逐步追赶。根据共研产业咨询数据来看，国内市场六维力传感器市场集中度较高，CR5占比超过50%。其中ATI（美国）占据绝对龙头地位，份额占比为22.4%，其次是宇立仪器（中国）占比12.2%、Epson（日本）占比6.4%、蓝点触控（中国）占比4.8%、坤维科技（中国）占比4.7%。目前，国产六维力传感器与外资主流产品在精准度方面已基本对齐，但在灵敏度、串扰、抗过载能力及维间耦合误差等方面仍存在差距，且真正具备批量化产品供应能力的厂商依然偏少。近几年国内品牌凭借供应链优势进一步降低成本，在保证性能的同时提供价格更低的产品以及优质的服务，国产化率逐步提升。但目前国产厂商市场份额仅仅略高于30%，国内六维力传感器市场仍以外资品牌为主，外资品牌在产品和应用上占有较大先发优势。六维力传感器成本构成主要包括材料的BOM成本、贴片及研发的人力成本和其他成本，其中BOM成本中的应变片占比最大。首先，作为六维力传感器的核心组成部分，高质量的应变片成本较高。根据焉知机器人的数据，单个六维力矩传感器所需要应变片的数量至少为24个，考虑到抗温漂、蠕变等需求，一般单个六维力矩传感器的应变片的数量约为30-40个，单个六维力矩传感器总的应变片成本大约在5000-6000元。其次，六维力传感器成品对于精度、准度要求极高，因此人工加工技术壁垒较高。尤其贴片与标定阶段，需要大量的技术工人进行精细操作，且短期无法实现自动化生产。未来，MEMS工艺可能是实现六维力传感器高效生产的主要方向，叠加生产自动化率提升将有助降本。六维力开发的难度和壁垒高，在市场基数较小的当下价格昂贵，远高于低维力传感器。以前文中的行业数据计算，六维力传感器产品的平均单价大约在3.23万元，其利润率较高，存在较大的降价空间。在六维力传感器下游应用中，工业自动化（包含传统机器人）领域应用规模占比最大，但人形机器人行业应用规模增速最快。在人形机器人量产加速、降价迫切的预期下，六维力传感器或将迎来降价潮。预期下游应用需求释放以及厂商之