人形机器人高速发展,传感器决定人形机器人可应用场景 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,产业落地格日可待。近年未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,进化违反快,并有望快速实现量产。[1][2] - 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。[21][22] 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 - 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,经过大脑处理后,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,其中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。[23][24] - 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。[24] 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 年工信部等十七部门印发《"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。[26][27] - 2023 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。[28] 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。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。[31] - 根据测算,目前各类传感器在人形机器人总成本中占比较高,约为 43%。[32] 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 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。[36] - 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。[37][38][39][40] 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。其中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。[44][45][46][47][48][49][50] 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,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。国内涌现出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。[51][52][53][54][55][56][57] 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。[59][60] - 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。硬件解耦包括传感器结构设计和贴片工艺,软件解耦包括算法解耦和标定。[61][62][63