2024年机器人传感器行业深度报告：感知能力决定机器人落地场景，各类传感器多方面赋能

一、人形机器人高速发展，传感器决定人形机器人可应用 场景

1.1 人形机器人快速发展，中国机器人市场空间广阔

人形机器人技术高速迭代，产业落地指日可待。近年来人形机器人行业发展迅速，以特斯 拉人形机器人为例，自特斯拉于 2021 年宣布进入人形机器人领域以来，特斯拉机器人 Optimus 已经具备独立行走、视觉定位、精准施力等能力，目前已经在工厂进行工作测试， 进化速度快，并有望快速实现量产。除此之外，国外 Figure 机器人、波士顿动力机器人， 国内优必选机器人、宇树机器人等也在持续提升性能中。随着各类人形机器人性能的不断 精进，人形机器人商业化速度正在加快。

中国机器人产业日益蓬勃发展，市场空间广阔。据 IFR（国际机器人联合会）统计，中国 拥有全球机器人最大的市场，2022 年工业机器人销量约占全球市场总额的 52.5%。中国 机器人销售总额从 2017 年的 64 亿美元增长到 2021 年的 142 亿美元，CAGR 达 22.05%， 预计 2024 年全国机器人产业市场规模可达 251 亿美元。近年来人形机器人集成人工智能、 高端制造、新材料等先进技术，有望成为继计算机、智能手机、新能源汽车后的颠覆性产 品，发展潜力大、应用前景广阔，是未来产业的新赛道。

1.2 传感器为机器人提供感知外界能力，为机器人迈向智能化的基础

人形机器人的运行离不开传感器。机器人的作用在于替代人类完成各项工作，与人类的工 作过程相似：人类在工作的过程中，需要通过眼、耳、鼻、舌和皮肤接触等方式获取外界 信息，经过脑部处理后，再通过手、脚等器官完成控制、把握、行走等动作，构成了一套 “检测-处理-执行”的流程。机器人在工作过程中，也需要完成同样的流程：通过特殊的 设备感知关键状态、经过微处理器、计算机或神经网络处理分析后，交由机械臂、轮子或 推进器等移动装置或加热设备、制冷设备等非移动装置执行相关工作。用于感知外部状态 或机器人自身状态的设备被称为传感器。它能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输 出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件感知并测量外界物理变 化，并产生信号，转换元件通过将敏感元件传输的信号转换为电信号，实现信号的获取与 输出。

传感器是人形机器人迈向智能化的基础。和传统机器人仅需单一感知硬件工作不同，人形 机器人需要集成使用多类感知硬件，如使用 3D 视觉传感器进行识别与避障，使用惯性传 感器进行位置导航与姿态控制，使用力、触觉传感器完成灵巧手的柔性操作等。特别是人 形机器人在智能化发展过程中，不断对感知、交互、运动和控制等多个模块提出更高要求， 而传感器在这些模块中发挥着重要作用。如特斯拉 Optimus 广泛使用高精度传感器，收集 大量数据的同时，实现复杂的动作控制和环境感知。要提高人形机器人智能化水平，必然 要求提升传感器应用程度与控制精度。传感器是机器人系统获取外界状态和自身状态的重 要途径，是机器人连接外部环境的重要接口，也是机器人迈向自主化、智能化的基础。

1.3 政策助力人形机器人，加快传感器等关键部位研发

国家发布众多政策鼓励人形机器人行业发展。2023 年工业和信息化部等十七部门印发 《“机器人+”应用行动实施方案》，加快推进机器人应用拓展，目标是 2025 年制造业机 器人密度较 2020 年实现翻番，服务机器人、特种机器人行业应用深度和广度显著提升。 2023 年 8 月发布《关于组织开展 2023 年未来产业创新任务揭榜挂帅工作的通知》，特别 推出人形机器人揭榜挂帅任务榜单，核心基础包括力传感器、MEMS 传感器和触觉传感器等。

同年 10 月，工信部印发《人形机器人创新发展指导意见》，要求夯实基础部组件，聚焦人 形机器人专用传感器，突破视、听、力、嗅等高精度传感关键技术，提升环境综合感知能 力。加速人形机器人低成本、灵活部署应用。在政策上鼓励人形机器人产业高质量发展， 强调了传感器在其中不可或缺的作用。

1.4 人形机器人感知要求进一步提升，多类传感器具备突破潜力

高精度多维传感器逐渐投入应用，提升人形机器人智控功能。国内外多款人形机器人推出 并更新迭代，其中传感器变化明显，为人形机器人实现更多功能提供可能性。如特斯拉第 二代机器人较第一代有了很大的改进，主要体现在指尖的触觉传感器和脚踝的六维力矩传 感器，六维力传感器让机器人在力触觉反馈方面有了稳步提升，增强机器人在行走过程当 中的柔顺性，提升行走的平稳能力；手部触觉传感器帮助实现两指捏起鸡蛋的精细操作， 力控能力进一步提升。波士顿动力与 Velodyne Lidar 合作选择采用 Velodyne 激光雷达传 感器为其高级移动机器人提供感知与导航功能，促使机器人自主、安全地运行，并为定位、 映射、目标分类与追踪提供实时 3D 感知数据。 根据下表中我们对人形机器人各类传感器的价值量以及用量进行的测算，预计一整台人形 机器人的传感器成本约为 23.8 万元，如以目前样机阶段一台人形机器人价值量 55 万元进 行测算，则各类传感器合计在人形机器人中成本占比在 43%左右。

二、力/力矩传感器：机器人运行基础，机器人性能需求提 升下六维力传感器空间广阔

2.1 力/力矩传感器测量力感信息，奠定机器人控制基础

力/力矩传感器是测量机器人末端操作器和外部环境相互接触或抓取工件时所承受力和力 矩的传感器，为机器人的力控和运动控制提供了力感信息，从而对完成一些复杂、精细的 作业，实现机器人智能化其着重要作用。 根据所测力的维数不同，力传感器可被分为单轴力传感器和多轴力传感器。常见的有一维、 三维和六维传感器，其中后两者属于多轴力传感器，且测量维数越多，收集数据越多，测 量结果越精确，研发难度越大。 一维力传感器，测量方向和作用点固定的力的传感器。若力的方向与一维传感器标定坐标 轴相同，可用于测量此方向上力的大小，如称重传感器，一般用于机器人关节处。但当力 的方向与一维力传感器测量轴线不重合时，测量结果将出现误差。 三维力传感器，测量方向在空间中发生变化但作用点不变的力的传感器。按照力的分解原 则，可以将空间中的力分解到笛卡尔坐标系中 x，y 和 z 轴三个方向，得到 Fx，Fy 和 Fz 三个正交分量。三维传感器分别在三个方向测量力的大小，将其合成，得到力的准确数据。 但当测量力作用点与传感器标定参考点偏移时，会在三个方向各产生力矩，对传感器精度 产生影响。 六维力传感器，测量方向和作用点都在三维空间中随机变化的力的传感器。空间中的力对 一个点的作用可分解为三个方向的力（Fx，Fy，Fz）和这三个方向的力矩(Mx，My，Mz)， 六维力/力矩传感器能同时检测三维空间的全部力信息，即三个力分量和三个力矩分量，是 多维力传感器中最完备的形式。但存在维间耦合的问题，对传感器测量精度产生严重影响， 需要采用非常复杂的解耦技术减小耦合误差得到准确测量结果。

力传感器根据其特点和功能，被使用在人形机器人的不同部位。人形机器人直线关节部分 需要感知的受力情况相对简单，可以使用一维力传感器，我们预计在直线关节部分使用 14 个。手部关节可能使用一维力传感器或力矩传感器 12 个。旋转关节部位由于产生转动， 需要使用力矩传感器，预计使用 14 个。机器人手腕与脚踝部位由于对力控要求高，力臂 变化大，一维、三维力传感器难以满足需求，故使用六维力传感器，预计一共需要使用 4 个。

2.2 六维力传感器有多技术路线，应变片式传感器为目前主流

根据敏感元件的种类，六维力传感器可分为电阻应变式、压电式、电容式、光学式四类。 电阻应变式传感器一般采用金属丝或应变片作为敏感元件，按结构可分为上环、下环、测 力梁和应变计，应变计牢固地粘贴在测力梁的表面。当上环和下环有相对受力时，首先测 力梁内弹性体发生变形，应变计随之发生变化，并将力以相应量的电阻阻值的变化输出， 最后通过转化电路把电阻变化转化成电压变化用于后期检测和处理。按期输出类型又可分 为耦合型（间接输出型）和无耦合型（直接输出型）两大类。其中耦合型电阻应变式传感 器是国内外应用最多、技术最成熟的多维力/力矩传感器，具有精度高、测量范围广、技术 成熟等优点，但动态响应差、桥路受外界因素影响较大。

电阻应变式传感器的电阻应变片分为金属应变片和半导体应变片。前者被划分为金属 丝式、箔式、薄膜式，后者具有高灵敏度的特点。金属箔式应变片将导线连接在金属 箔上，同时利用腐蚀、光刻等技术，将金属作为应变片覆盖在绝缘物质中。金属箔式 应变片测量精度高、性能稳定可靠，但变化量较小，在传感器测量过程中，应变片前 端输出的信号非常微弱。半导体应变片利用材料的压阻效应，依据材料加载后能带变 形引起的能带中载流子数量变化来改变材料的电阻值，这种压阻效应引起的明显电阻 变化大大提高了半导体应变片灵敏度系数。高灵敏度使半导体应变片式力矩传感器能 够运用于小载荷测量的场合，但也使其容易受到干扰因素的影响。

压电式传感器是一种电量型传感器。测量原理为压电材料具有的特殊现象：压电效应。受 外界压力后，压电材料表面会溢出电荷，作用外力变化时，表面电荷也发生变化，以此带 来输出信号即电压信号的改变。压电材料主要特点是具有高固有频率，适合动态测量，是 智能结构和机器人技术发展中最具发展前途的传感器之一。但具有不能长时间作用静态力 的缺陷。 电容式传感器通过设置多对电容，由极片间相对空隙变化来实现对多维力的测量。这类传 感器具有较高的灵敏度和分辨率，压力量程大，结构较简单，温度稳定性好。但自身抗干 扰性差，存在寄生电容等问题，实际应用中相对较少。 光学式传感器根据安装光学传感器的特殊弹性体结构来感应微小变形，从而测出六维力的 各个分量。其具有较高的灵敏度和空间分辨率，无滞后，且数据处理速度快，有较强抗电 磁干扰能力。但价格昂贵，工作温度范围相对较窄，体积大，难以集成应用到复杂机器人 结构中。

2.3 力传感器国内厂商奋力追赶，国产替代率升高

六维力传感器出货规模目前较小。根据 MIR 睿工业，2023 年中国六维力传感器出货量不 足万台，出货规模刚刚突破 2 亿元，主要应用于机器人、工业自动化和汽车等行业。《2024 中国六维力传感器市场报告》显示，2023 年中国六维力传感器市场集中度较高，TOP10 厂商占接近 70%份额，国产宇立仪器、蓝点触控分居第二、四位。

日韩地区六维力/力矩传感器厂商主要配套当地机器人本体厂商。其中，韩国企业 Robotous、Aidin Robotics 主要合作厂商包括 Doosan Robotics、Neuromeka 和 Rainbow Robotics；日本企业 Sintokogio 和 WACOH-TECH 主要合作厂商包括发那科、电装、三 菱、那智不二越、安川等。 欧美地区六维力/力矩传感器厂商可分为两类：一类是传统的传感器生产商，包括 ATI、Bota Systems AG、ME-Meßsysteme GmbH、AMTI、Kistler 等；另一类是全球知名的机器人 末端工具生产商，主要有 SCHUNK、OnRobot、Robotiq 等，欧美地区厂商合作企业以协 作机器人本体厂商为主，主要包括优傲机器人、达明机器人和欧姆龙等。 国内涌现六维力传感器产品，机器人行业国产率高。目前，我国已有少数公司研制出工业 机器人用力传感器并形成系列化产品，如坤维科技、宇立仪器等，并逐步开展特殊应用领 域多维力传感器的研究。根据高工机器人统计，2022 年国内协作机器人六维力传感器国 产化率近 80%。根据 GGII，2022 年国内市场销量前五分别为坤维科技、ATI、宇立仪器、 鑫精诚、蓝点触控，其中坤维科技市占率超 50%。

2.4 六维力矩传感器生产壁垒高，产品设计与工艺均为核心

目前，基于各种测力原理的单维力传感器技术相对较为成熟，但多维力传感器的维间耦合 问题亟待解决。维间耦合是指一个维度的输入不仅影响着该维度的输出，还会影响其他维 度的输出。耦合误差的产生有多种原因，如机械结构、加工精度的限制、应变片的横向效 应等。 维间耦合问题严重影响着传感器的精度，相应的解耦方法也是六维力/力矩传感器目前最大 的技术核心。针对维间耦合问题，可用硬件解耦方法和软件解耦方法来减少各维度之间的 耦合程度。

硬件解耦：硬件解耦即从传感器的设计上来消除或者抑制耦合，涉及传感器的制造工艺问 题，包括传感器结构设计和加工工艺两方面。 （1） 传感器结构设计：结构设计直接影响到传感器的灵敏度、线性度、维间解耦等关 键性能，需要设计出低耦合且结构简单的六维力传感器。六维力传感器能完整测 量三维空间全力信息，从结构上看，基本结构可分为竖梁式、平面横梁式、复合 梁式、Stewart 结构式、圆筒式和其它结构式等。竖梁结构采用上中下 3 层结构， 横向效应好，承载能力强，但竖向效应较差；平面横梁结构采用平面十字梁结构， 作用于传感器的六维力与力矩通过梁的弯曲应变获得；圆筒结构来源于对切削力 的测量，可以承受更大的载荷。

在目前六维力传感器的弹性体研制中，十字梁结构应用最为广泛。其结构对横向、竖向都 较为敏感，维间耦合可控，但存在动态性能和抗过载能力较差的缺点。应变片贴于弹性梁 上，根据梁的形变发生应变，并转换为能被识别的信号。

（2）贴片工艺：贴片工艺方面，传统的力传感器贴片时一般采用有机粘接剂（如硅胶、 环氧等）把金属或半导体应变计粘接在传感器弹性元件上。随着力传感器弹性元件的小型 化，有机粘接剂自身的厚度对传感器性能影响变得显著，并随工作温度升高而出现粘塑性 行为，增大了传感器的迟滞误差和输出信号的不稳定，大幅降低传感器的性能。需要研发 更加可靠的粘接技术。此外，因六维力传感器结构复杂，金属箔应变计的贴片壁垒较高， 通常靠熟练的人工完成，增大了贴片的误差率。

（3）应变片的加工工艺：在国内，传统的硅应变计一般是在 P 型硅片衬底上采用扩散法 或离子注入法掺杂 N 型杂质形成压敏电阻，通过光刻、腐蚀、引线键合等工艺形成应变计， 导致应变计批次间的阻值差异较大。应变计一致性不同易导致不同桥路输出差异大，不利 于其后续的温度与解耦信号处理与补偿，会给传感器的批量生产带来不便。国外有学者采 用外延生长技术（通过阳极将硅晶圆与具有高击穿电压和热膨胀系数的玻璃晶圆结合在一 起）制作了一种高性能硅应变计，可以改善外延层厚度的均匀性，提高电阻率的一致性， 减少各种微宏观缺陷以及控制衬底材料向外延层中的杂质反扩散等。因此，需要聚焦于硅应变计的外延生长材料和工艺参数的变化。

软件解耦：软件解耦是指通过采用合适算法计算传感器标定数据伪逆矩阵，以推导出六维 力传感器输入值与输出值的关系，涉及算法解耦和标定两部分。 （1）算法解耦：软件解耦算法分为线性解耦算法和非线性解耦算法。线性解耦算法多用 最小二乘法进行拟合来求得解耦矩阵，而传感器结构和电桥电路具有非线性性，最小二乘 法求得的结果误差较大，工业中多用非线性解耦算法来进行求解。非线性解耦最常用的是 机器学习算法，包括 BP 神经网络、随机森林和极限学习机等。 （2）标定与检测：标定指通过对六维样本空间中的样本点进行精确加载，建立传感器信 号与力和力矩的映射关系，获得解耦算法的数学模型和参数。它是六维力传感器研发过程 中必不可少极为重要的一环，结果直接影响使用精度。现有标定装置中，主要有测力环式、 双十字架式、砝码式和龙门式等。砝码绳索式标定装置是最常见的，但受限于本身结构和 绳索，量程较小，需多次调整。检测，即评价传感器的标定效果，所用设备与标定设备一 样。与一维力传感器比较，六维力传感器的工作量更大、设备要求更高、理论基础更深。

2.5 MEMS工艺加工效率高，玻璃微熔技术有望成为主流

MEMS 工艺适用于六维力传感器，可代替金属应变片测量力的变化。MEMS 传感器即微 机电系统，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。MEMS 传感器集微传感器、微执行器、 微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等 于一体，内部结构在微米甚至纳米级。它的主要组成部分包括 MEMS 芯片（即敏感元件） 和 ASIC 芯片（即转换与变换元件）。MEMS 芯片采用硅作为晶圆衬底材料，依次进行晶 圆清洗、光刻、蚀刻等前端工艺，再进行测试、封装和成品检测的后端封装工艺。MEMS 加工技术工艺，指在各类衬底上（硅衬底，玻璃衬底，石英衬底，蓝宝石衬底等）制作微 米级微型结构的加工工艺。MEMS 加工技术工艺制作的微型结构主要是作为各类传感器和 执行器，它将环境中的各种特征参数（温度、压力、气体、流量等）变化通过微型结构转 化为各种电信号（电压、电阻、电流等）的差异，以实现小型化高灵敏的传感器和执行器。

玻璃微熔技术适用于机器人传感器工作场景。常规的压力传感器一般采用有机黏接剂（如 环氧树脂、共晶焊料等）把应变敏感电阻粘接在基板上，可以满足一般的应用场合。但是 有机黏接剂的工作温度范围一般比较窄，并且随着温度的升高，会出现黏塑性现象，导致 压力传感器的迟滞增大。玻璃浆料具有可以高温工作、密封性能好、粘接强度高、与硅材 料和不锈钢材料兼容性好、易于批量化生产等优点。玻璃微熔技术指将高温熔化的玻璃纤 维作为黏合剂，将仪表（应变计）粘接到金属隔膜上的技术。它将应变计粘接在金属底座上，可以保证产品内部无密封件及焊接。电路及感应元件在膜片的一侧，测量介质在膜片 另一侧，与测量介质接触的为不锈钢材料。使用玻璃微熔技术连接的传感器，可以大大提 高传感器的工作温度环境，进而进一步提升传感器的耐压范围，并保证传感器在一定精度 内仍能保持线性输出特性，增强非线性校准能力。

2.6 人形机器人性能要求提升趋势显著，六维力传感器市场空间广阔

人形机器人脚踝及手腕部分有望使用六维力传感器。人形机器人为实现对人肢体运动的模 仿，需要精准测量手部关节受力情况。其间力臂变化复杂多样，普通一维、三维力传感器 无法满足需求，需要在手腕处安装六维力传感器。类似，为控制机器人运动姿态，需要在 脚踝处安装六维力传感器，测量落脚及运动时受力、力矩情况。 根据以下假设，对六维力传感器在人形机器人不同销量下市场空间进行预测： 1）每台人形机器人目前在手腕、脚踝部分共使用 4 个六维力/力矩传感器，未来随着六维 力传感器的技术成熟，在价格下降的同时用量有望提升； 2）六维力/力矩传感器单价随规模效应递减，2024 年单价约为 2.5 万，随产能增加，技 术提升，未来逐渐实现降本； 3）假设人形机器人 2024 年可实现出货 1000 台，2030 实现出货 100 万台。 根据以上假设，我们预测到 2030 年，人形机器人销量可达 100 万台，对应六维力传感器 市场空间可达约 307 亿元，2024-2030 年间 CAGR 为 159.78%。国内六维力传感器市场 尚处于探索阶段，一旦实现量产，产量与应用将快速增长，单价也随之下降，市场前景广 阔。

工业机器人六维力传感器需求增速同样较快，维系除人形机器人方面以外的增长空间。除 人形机器人行业外，工业机器人行业六维力传感器需求增速同样较快。据高工机器人产业 研究所（GGII）数据，2022 年中国机器人行业六维力传感器销量为 4840 套，同比增长 62.58%，预计 2023 年销量突破 6700 套，增速约 40%。

三、触觉传感器：感知外界关键部件，精细化手部工作基 础

3.1 触觉传感器模仿生物触觉，压阻式为现在主流选择

力和触觉是机器人重要信息来源。广义上，触觉是指压觉、滑动、冷热、接触等机械刺激 的总称；狭义上，指四肢与物体接触面上的力感。触觉传感器的功能是模仿生物的触觉感 受，当它与物体接触时，可以检测被检测物体的一些物理性质，如温度、形状、纹理、材 质等，并将检测到的物理性质进行反馈，以便机器人进行下一步操作。 机器人触觉传感器的研究始于 20 世纪 70 年代，随着机器人技术的发展而发展。有基于电 阻式、电容式、压电式、热释电式、电磁式、磁电式、力敏式、光电式、超声波、光纤等 的触觉测量方法。

压阻式触觉传感器：利用压阻效应制备的传感器。压阻效应是指压阻材料受到应力时，其 内部电阻率发生变化，采集电路通过将电阻的变化转化为便于测量的电信号来检测传感器 的受力大小。压阻式触觉传感器普遍具有负载能力强、鲁棒性好、电信号测量便捷等优点， 然而其延迟性大，不利于快速响应，并且其温漂大，线性度较差。 电容式触觉传感器：当电容式触觉传感器受到法向力时，其上下电极板的间距发生改变， 导致传感器的电容值发生变化；当传感器受到切向力时，上下电极的重合面积发生变化， 也会导致传感器的电容值发生变化。因此电容式传感器便于测量三维力的大小。电容式触 觉传感器的灵敏度与空间分辨率高，响应幅度宽，但其测量电路复杂，传感器易受电气干 扰的影响。 压电式触觉传感器：一种基于压电效应的传感器。压电效应指当晶体受到法向力时，内部 产生电极化现象，撤掉外力时，晶体又恢复到不带电状态。将压电式触觉传感器连接到电 荷放大器和测量电路上，采集其与所受外力相关的电信号，从而实现触觉检测。压电式触 觉传感器是一种自发电和机电转换传感器，不需要外部电源，因此这种传感器更便于携带， 且其材料刚度高，线性度好，响应灵敏，但它易受噪声干扰，其介电性会受温度影响。

光学式触觉传感器：将传感器所受压力映射为光信号强度、波长等性质的变化，通过检测 光学信号来检测传感器所受压力。光学式触觉传感器所依赖的传感原理包括光强调制、光 纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)技术和干涉测量检测，前两种传感原理已得到 广泛应用。基于光强调制原理的触觉传感器通过检测光纤中的光强或光功率的变化来检测 触觉力的大小及位置。基于 FBG 技术的光学式触觉传感器受力时会使光栅的间隔和折射 率发生变化，导致输出光的布拉格波长偏移，通过检测波长的偏移来检测传感器的受力大 小。由于不需要检测光强信号，因此 FBG 触觉传感器不存在强度波动的问题并且可以在 一根光纤中插入多根光栅来增加传感单元。光学式触觉传感器的分辨率高，无电气干扰的 问题，但易受到温度影响，且光纤的微弯曲会导致光损失，分析触觉信息的计算方法复杂。 电磁式触觉传感器：利用电磁感应原理把压力作用转换成线圈的自感系数和互感系数的变 化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出。它由微型磁铁和嵌入硅胶的霍尔传感器组 成。当微磁体的方向被外力改变，周围的磁场会发生变化，使用霍尔传感器检测磁场的微 分值。磁性触觉传感器具有结构简单、物理稳健性强、成本低、无线穿透性强的优点，但 嵌入坚硬的永磁体会削弱传感器的灵活性，使其在较大的外部冲击下容易损坏。 其中，压阻式和电容式是最常见的两种类型，广泛应用在工业自动化、医疗设备、机器人等领域。

3.2 压阻式触觉传感器为目前主流，MEMS压阻式传感器具备优势

压阻式触觉传感器由于灵敏度高、分辨率高、技术相对成熟且成本较低等优点，为目前的 主流选择。在这其中，MEMS 压阻式传感器为应用趋势。与传统的传感器相比，MEMS 传感器具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和 实现智能化的特点。同时，微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不 能实现的功能。

MEMS 是基于集成电路、微电子及微细加工等技术且紧密交叉的现代信息技术前沿研究领 域。因其内部单元为纳米级别且结构复杂，尺寸控制及其严格，所以对制备技术及加工工 艺要求极高。且“一类产品，一种制造工艺”的定律意味着每种产品都需要从头开始设计工艺。每一项工艺都需要经过工艺开发和优化的步骤。其核心关键技术在设计及其制备加 工环节。

3.3 目前多人形机器人手部已具备指尖触觉传感器，技术路线暂未统一

目前，诸多人形机器人和灵巧手都已经开始使用指尖触觉传感器。如特斯拉第二代人形机 器人 Optimus 的十指均搭载了手指触觉传感器，已经可以实现两指捏起鸡蛋的精巧操作， 且可以实现对指尖力的准确感知。Figure 机器人搭载神经网络系统，可以用快速灵巧的手 递苹果给测试员，并实现捏盘子等操作。

国内也已经有厂商研发出触觉传感器并将其使用在灵巧手中，使得灵巧手具有高力控精度 与多动作实现功能，包括： 帕西尼触觉灵巧手 DexH5：表面搭载 180 个多维多阵列触觉传感器，可实现捏、抓、按、 提、推等基础动作，及其复合动作（如转、扭等），力控精度高达 0.01N。 上海硅步 Shadow 灵巧手：搭载 100 多个传感器，运行频率高达 1KHz，重复定位精度 0.2mm，压力触觉传感器作为标准件安装在指尖上，拥有 20 个自由度，24 个动作。 瑞森可 freehandy 灵巧手：使用多阵列压力传感器（15*15mm 的面积上共 25 个感应点）， 利用 CMOS 工艺，组成复合传感结构，可实现触觉、滑觉的精准感知；共有 6 自由度， 可独立控制每根手指。

我们假设人形机器人在每个指尖分别使用一个触觉传感器，共计使用 10 个触觉传感器。根据爱采购数据，我们假设目前每个触觉传感器单价为 4000 元，至 2030 年人形机器人 销量 1000 万台，考虑到人形机器人降本等因素对触觉传感器市场空间进行测算，预计在 2030 年触觉传感器的市场空间可超过 104 亿元。

3.4 柔性电子皮肤：不受面积形状限制，机遇挑战并存

随着新材料、新工艺的发展，人们不再满足于利用触觉传感器采集力信息，也对模拟生物 皮肤复杂属性与功能(如皮肤自身的高柔性、自愈合、自清洁等属性以及皮肤对温度、湿 度、硬度、粘度的感知能力)产生了极大兴趣，于是进一步对触觉传感器展开了仿生研究， 即开展对电子皮肤的研究。 电子皮肤模拟人类皮肤，感知测量外界信息。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)的设备或系统。 是受人类皮肤启发的柔性电子设备和系统，具有各种传感功能的柔性电子网络，模拟人体 皮肤的功能，但不限于人体皮肤的功能。电子皮肤触觉传感器，又名新型可穿戴仿生触觉 传感器，是贴在“皮肤”上的电子设备，因而习惯性地被称为电子皮肤，或敏感皮肤 (SensitiveSkin)、智能皮肤(Smart Skin)、仿生皮肤(Bionic Skin)等。电子皮肤触觉传感器 大多被排列成矩阵组成阵列触觉传感器，空间分辨率可达到毫米级，接近人类的皮肤。

电子皮肤触觉传感器种类繁多，柔性化电子皮肤触觉传感器适用于大面积皮肤覆盖。大部 分早期研制的触觉传感器多为采用硅作为主要材料的微传感器，制造技术主要采用 MEMS 微机电系统技术，但硅微型压力传感器难以满足大面积覆盖需要的柔性化和可扩展性等要求。电子皮肤柔性压阻式阵列触觉传感器除电极之外的所有部件都由软性材料制作而成， 实现了柔性化。 目前，电子皮肤触觉传感器通过采用 PDMS(聚二甲基硅氧烷)、硅胶等本身具有柔性的材 料作为柔性衬底，实现了宏观结构上的柔性。同时通过力学结构设计将传统电子器件的材 料（如金属和半导体材料等）柔性化，最终得到可拉伸的电子皮肤。它通过柔性电子技术 将每种功能的传感器小型化，这些传感器通过排列、叠层的方式集成在一起，整体上实现 多种传感功能于一体。兼具高柔弹性、宽量程的高灵敏度与多功能的电子皮肤，可以更好 地模仿人类皮肤，同时实现多维压力、温度、湿度、表面粗糙度等多种参数的实时检测。 类似于人体皮肤的自愈能力，通过合成新型高分子材料等新材料，电子皮肤也可以在被划 伤或完全割裂后，一定条件下恢复原有功能和形状。

电子皮肤触觉传感技术经过近年来的快速发展，已经取得了一系列的成果，但其研究和开 发依然存在诸多难题： 1）电子皮肤阵列触觉传感器兼顾高柔性和高弹性难题。人们期待新型电子元件能够弯曲、 延展、挤压、扭转或变形成复杂的曲面形状。而电子皮肤阵列触觉传感器作为柔弹性 电子元件的一种，为了模拟人类皮肤能够覆盖于机器人等载体复杂的三维表面和活动 关节，必须具有很高的柔弹性。来自意大利技术研究所的研究结果表明，要想实现人 类手腕部位的拉伸，仿生皮肤的弹性范围应该在 30%左右。因此，优化仿生皮肤触觉 传感器的难点之一在于实现大拉伸率。 2）大面积电子皮肤触觉传感器可扩展性难题。人类皮肤是人体面积最大的器官，一个成 年人的皮肤展开面积约 2 平方米，质量约为人体质量的 1/20。为了模拟人类皮肤，电 子皮肤触觉传感器需要能够任意剪裁和拼接，这就必须具备良好的可扩展性。仿生机 器人的表面积通常比较大，电子皮肤触觉传感器或传感服装通常都需要设计成阵列传 感器的形式才能完成检测任务。扩展得到大面积电子皮肤，不仅要拼合电子皮肤触觉 传感器的电极层、触点位置，并根据实际形状对电子皮肤进行合理剪裁，还要求后续 的信号处理电路相对简单、易于阵列化，同时还要优化电极布线方式，解决传感器阵 列相邻传感单元间的信号串扰问题。 3）高灵敏度电子皮肤触觉传感器制造成本高。高灵敏度电子皮肤触觉传感器的制作通常 涉及聚合物微加工、氧等离子体处理、电子束蒸镀、磁控溅射等复杂工艺和技术，相 应设备价格高昂；另外，制作电子皮肤触觉传感器的材料比较昂贵，成本较高，限制 了电子皮肤触觉传感器的大批量生产。

目前人形机器人电子皮肤暂未形成批量出货，根据此前电子皮肤价格作为参照，我们假设 一台人形机器人目前需要使用的电子皮肤价值量为 0.9 万元。考虑电子皮肤降本因素，假 设 2030 年人形机器人销量达到 100 万台，则对应市场空间约为 36 亿元。从实际角度出 发，考虑到对于人形机器人性能要求的提升，电子皮肤覆盖面积有望同步提升，市场空间 有望超过我们的测算。

考虑 MEMS 触觉传感器具备高精度的特性，适用于指尖场景，我们看好指尖使用 MEMS 触觉传感器；机器人身体部分皮肤覆盖面积要求较大，同时柔性需求强，符合电子皮肤特 性，看好身体使用电子皮肤覆盖。

3.5 柔性触觉传感器目前主要由国外企业主导

目前柔性触觉传感器技术由国外企业领先，全球范围内生产商主要包括 Novasentis、 Tekscan, Inc.、JapanDisplayInc.、Baumer Group、Fraba Group、Syntouch、Canatu、 Sensel、FORCIOT、钛深科技等。根据研精毕智市场调研网，2022 年全球 CR5 约为 57.1%。

四、IMU惯性传感器：姿态控制、定位导航多重助力，用量 有望提升

4.1 惯性传感器测量物体运动状态，含多类组件

惯性传感器是一种用于测量物体运动状态的传感器，通常用于检测加速度和角速度。根据 测量的物理量，惯性传感器可以分为加速度传感器和陀螺仪。另外，也有一些传感器将加 速度计和陀螺仪结合在一起，称为惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，简称 IMU）。 目前惯性传感器在汽车电子、消费电子等下游均有应用。 加速度计：检测载体坐标系统独立三轴的加速度信号。加速度是速度随时间的变化率，因 此通过对加速度的积分可以得到速度，再积分一次得到位移。加速度计通常由质量块、阻 尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速过程中，通过对质量块 所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。结构包括由硅膜片、上盖、下盖， 膜片处于上盖、下盖之间，键合在一起。一维或二维纳米材料、金电极和引线分布在膜片 上，并采用压焊工艺引出导线。根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电 容式、压阻式、压电式等。

MEMS 技术使加速度计小型化发展，拓宽应用前景。传统机械加工方法制造的加速度计 因体积大、质量大、成本高，应用场合受很大限制。随 MEMS 技术的发展，国内外都将 微加速度计开发作为微机电系统产品化的优先项目。微加速度计与通常的加速度计相比， 具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等优点。可以广泛运用于航空航天、汽 车工业、工业自动化及机器人等领域，具有广阔的应用前景。

陀螺仪：检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，即物体绕其轴旋转的速率。通过对角 速度的积分可以得到角度。在陀螺仪中，选用两块物体，他们处于不断的运动中，并令他 们运动的相位相差-180 度，即两个质量块运动速度方向相反，而大小相同。它们产生的科 氏力相反，从而压迫两块对应的电容板移动，产生电容差分变化。电容的变化正比于旋转 角速度，由电容即可得到旋转角度变化。陀螺仪是导航系统中最核心的部件。一般惯导系 统也直接由陀螺仪传感器的类型进行分类。主流惯导系统分为挠性陀螺惯导系统、静电陀 螺管道系统、光纤陀螺惯导系统、激光陀螺惯导系统和微机械陀螺惯导系统几大类。 MEMS 陀螺仪的核心是一颗微机械（MEMS）芯片，一颗专用控制电路（ASIC）芯片及 应力隔离封装。其工作原理为：采用半导体加工技术在硅晶圆上制造出的 MEMS 芯片， 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。

磁力计：利用地磁场来定北极的一种器件，采用三个互相垂直的磁阻传感器，每个轴向上 的传感器检测在该方向上的地磁场强度，得到装置在 XYZ 各轴所承受磁场的数据，相关 数据汇入微控制器的运算器，以提供磁北极相关的航向角，利用这些信息可侦测地理方位。 按照磁场测量方式分为磁铁式磁力计、霍尔效应磁力计、磁电阻磁力计、磁感应磁力计、 SQUID 磁力计和磁力计网络等，在导航、地质勘探、医学影像和材料研究等领域有广泛 应用。在人形机器人领域一般使用磁阻力磁力计和磁感应计等。

IMU（惯性测量单元）：是一种测量物体三轴角速度和加速度的设备，通常包括三个单轴 的加速度计和三个单轴的陀螺仪，有时还包括磁力计。狭义上，一个 IMU 内在正交的三 轴上安装陀螺仪和加速度计，共 6 个自由度，来测量物体在三维空间的角速度和加速度， 就是“6 轴 IMU”；广义上，IMU 可在加速度计和陀螺仪的基础上加入磁力计，形成了“9 轴 IMU”。 3 轴 IMU 即只有 3 轴陀螺仪的 IMU，其因为只有一个 3 轴陀螺仪，所以只能感知载体 roll、 pitch、yawl 共 3 个自由度的姿态信息。6 轴 IMU 在 3 轴 IMU 的基础上加装了 3 轴加速度 计，因此在感知载体姿态的基础上，还能感知载体 3 个自由度上的加速度信息。9 轴 IMU 在 6 轴 IMU 的基础上加装了 3 轴磁力计，由于 3 轴陀螺仪只能估计载体自身的相对位姿 变化（通过加速度计也可获得载体的绝对 roll 和 pitch），单凭 3 轴陀螺仪无法获取载体的 全部姿态信息，而通过 3 轴磁强计就可以，本质上磁强计的感知原理类似于指南针。通过 这种方式，9 轴 IMU 能够提供更全面的运动信息，尤其是在需要确定物体在三维空间中的 方向时。

惯性传感器应用场景广泛。面向大众方面，运动手环等可穿戴设备中，可使用惯性传感器 进行步数计算。科研与训练方面，国外一些运动项目如滑冰、滑雪等，已经出现惯性传感 器产品并进行推广，将收集到的数据进行时域、频域分析和其他目的性算法，发现动作中 存在的问题、规律等。工业运输中，惯性传感器为自动驾驶设备提供准确的姿态和位置信 息来进行自主导航和操作。

4.2 国际厂商占据惯性传感器垄断地位，国产替代空间大

IMU 市场份额分布相对集中，国际厂商占据垄断地位。前三名国际厂商共占据近 80%市 场份额，前五名国际厂商共占据超 90%市场份额。BOSCH 以 33%的市场份额排名第一， ST 和 TDK 分别以 25%和 21%的市场份额紧随其后。

4.3 IMU在人形机器人领域应用广泛，市场空间可观

IMU 在人形机器人领域应用广泛，特别是在姿势跟踪、运动控制和导航方面。通过测量机 器人加速度与角速度，帮助跟踪机器人姿势和运动状态；提供实时运动数据并分析，实现 机器人运动轨迹、速度精确控制；检测机器人偏移与倾斜，进行实时姿态稳定和调整。在 结合算法后，IMU 提供的机器人运动信息，可用于估计机器人的位置，并根据机器人的运 动轨迹构建环境地图。帮助机器人进行环境感知并避开障碍物，规划安全路径。同时实现 路径规划、自主探索等智能导航功能。 由于 IMU 集成多种 MEMS 惯性传感器功能，且在功耗、尺寸和信号处理上更具优势，对 独立的陀螺仪等独立惯性传感器进行替代，全球 IMU 空间稳步扩大。据观研报告网统计， 2021 年全球 IMU 市场空间约为 18.3 亿美元，较上一年增长 21.43%，是前一年增长率的 七倍。 据芯谋研究，2022 年中国惯性传感器市场规模总量为 77.4 亿元，其中 IMU 是市场份额最大的品类，市场规模约 43.1 亿元，加速度计的市场规模约为 26.5 亿元，陀螺仪的市场规 模约 7.8 亿元。未来几年的主要增长驱动将来自下游自动驾驶汽车、机器人和工业设备市 场的起量。

根据以下假设，我们对 IMU 传感器在人形机器人不同销量下市场空间进行预测： 1） 当前每台人形机器人使用 1 个 IMU，未来随着人形机器人性能要求提升用量有望提 升； 2） IMU 价格差异大，我们假设人形机器人使用单价在 2024 年为 2000 元的 IMU，其单 价随规模效应递减； 3） 人形机器人需求量按照各行业劳动人口和人形机器人渗透率总和计算。 根据以上假设，我们预测到 2030 年，人形机器人销量可达约 100 万台，对应 IMU 空间达 31 亿元。事实上，复杂的人形机器人可能会配备多个 IMU，以提高运动跟踪和姿态控制 的精度。尤其是在需要更高级的运动控制和人机交互的场景下，多个 IMU 可以通过分布 在机器人不同部位，提供更全面和准确的姿势和运动数据，其未来空间有望比预测更加广 阔。

五、视觉传感器：助力机器人精准识别外界环境，准确导 入图像信息

视觉传感器是一种使用光电传感器件来获取物体图像的设备。它能够将物体图像转化为数 字信号，并且对图像进行处理和分析。视觉传感器可以用于各种应用，例如机器人、自动 驾驶车辆、安防系统、医疗图像、生产线质量控制等。通过使用视觉传感器，可以使机器 或设备具有类似于人眼的感知能力，从而实现更高效、精确和自动化的操作。

5.1 3D视觉提供多维信息，提高识别精度

智能视觉传感器可以分为量子视觉传感、3D 视觉传感器和仿生视觉图像传感器。而根据 图像信息获取维度、处理数据类型的不同，机器视觉可划分为 2D 视觉与 3D 视觉。 2D 视觉通过工业相机来获取平面图片，主要基于物体的一个平面特征进行后续分析，无 法获取物体的空间坐标信息。3D 视觉能够采集视野内空间每个点位的三维坐标信息，通 过算法获取三维立体成像，并根据这些数据信息分析得出有关目标对象在空间中的位置、 形状、体积、平面度等信息，以达到检测、引导、测量、定位等功能。 3D 视觉技术由于可以获取物体的空间维度信息，是更为理想的选择。3D 图像的生成有多 种技术，主流技术有：

1）立体视觉：使用两部相机从不同角度对准主体，并使用校准技术把相机和具体深度信 息之间的像素信息对齐，类似于人类脑部及目测距离的工作。完整的双目立体视觉系 统通常可分为数字图像采集、相机标定、图像预处理与特征提取、图像校正、立体匹 配、三维重建六大部分。具有高 3D 成像分辨率、高精度、高抗强光干扰等优势，而 且可以保持低成本。但是需要通过大量的 CPU/ASIC 演算取得它的深度和幅度信息， 其算法极为复杂较难实现，同时该技术易受环境因素干扰，对环境光照强度比较敏感， 且比较依赖图像本身的特征，因而拍摄暗光场景时表现差。 2）结构光线：把一个已知的光线图案投射到主体上，根据图案在主体上的扭曲状况计算 深度信息。 3）激光三角测量：通过将一部相机和一个激光光源配对，实现三维测量。系统根据激光 光源和相机之间已知的角度偏距，以三角几何理论量度出激光线的几何抵销(数值与主 体的高度成比例)，这是一项基于扫描主体的技术。 4）飞行时间（D-To-F）：一个光源与一个图像传感器同步，根据发出脉冲光线和光线反 射回馈到传感器的时间计算出距离。D-To-F 技术具有低功耗和微型化的重要优势，能 够满足便携式电子设备的需求，是目前三维成像视觉传感器的研究热点。

GGII 数据显示，2022 年中国机器视觉市场规模 170.65 亿元，同比增长 23.51%。其中， 2D 视觉市场规模约为 152.24 亿元，同比增长 20.21%，3D 视觉市场约为 18.40 亿元，同 比增长 59.90%。

从发展趋势看，AI 算法的持续改进，将提高物体检测、分割和跟踪的准确性，从而增强 3D 机器视觉系统的性能。通过人工智能加持，机器视觉领域正在进行底层技术突破，有 望降低图像处理门槛，提升识别精度，助力机器人识别环境，提升交互性。 机器视觉产品按照下游需求，可以分为消费级和工业级。其中工业级 3D 视觉传感器价格 高昂，国内价格在 5-7 万人民币，进口价格在 10 万元以上，消费级相对较便宜。考虑到 人形机器人对成本的控制以及量产推广需求，我们认为消费级 3D 视觉传感器或 2D 视觉 传感器会应用在人形机器人中。

5.2 人形机器人3D视觉传感器潜在市场空间较大，2D视觉传感器成本较低

假设人形机器人使用 3D 视觉传感器产品，参考奥比中光的 3D 视觉产品，售价在 1000 到 3000 元不等，我们以当前约 1900 元/台的价格对其市场进行预测。假设每台人形机器 人使用 2 台视觉传感器，考虑到机器人视觉传感器降价，预计当人形机器人销量达 100 万台时，机器人视觉传感器市场空间可达约 19 亿元。 假设人形机器人使用 2D 视觉传感器产品，以目前 180 元/台的市场价格进行预测，同样考 虑到降价等因素，预计 100 万台人形机器人对应的视觉传感器市场空间约 1.61 亿元。

编辑：火腿肠