圖 1 人形機(jī)器人三大構(gòu)成部分 （資料來源：Yole，廣發(fā)證券發(fā)展研究中心）

　　人形機(jī)器人的“神經(jīng)”——感知模塊

　　早在2021年，國家發(fā)布“十四五”規(guī)劃，在這份事關(guān)中 國未來5年經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要文件中，傳感器與高端芯片、操 作系統(tǒng)、人工智能關(guān)鍵算法等并列，是建設(shè)數(shù)字中國的關(guān)鍵 技術(shù)。

　　據(jù)國際機(jī)器人協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，至2030年，全球人形機(jī)器人 市場(chǎng)規(guī)模年復(fù)合增長率將高達(dá)71%。中國電子學(xué)會(huì)也預(yù)計(jì)， 到2030年，我國人形機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)約8700億元， 具備較大的增長空間。傳感器是人形機(jī)器人感知系統(tǒng)的核 心部件之一，人形機(jī)器人需要用到多種傳感器，大致上包括 視覺傳感器、位覺傳感器、運(yùn)控傳感器和觸覺傳感器。相 關(guān)分析認(rèn)為，人形機(jī)器人是傳感器市場(chǎng)發(fā)展的一次新機(jī)會(huì), 隨著人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)未來的迅猛擴(kuò)張，傳感器行業(yè)將進(jìn)一 步擴(kuò)容，全球傳感器市場(chǎng)規(guī)模有望超萬億。根據(jù)Statista的 研究數(shù)據(jù)，2022年全球傳感器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)2512.9億美元， 2022-2025年CAGR預(yù)計(jì)達(dá)8.04%。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù) 據(jù)，2020年國內(nèi)傳感器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)2494億人民幣，2020-2025年CAGR預(yù)計(jì)達(dá)20.0%(見圖2)。

圖 2 2020-2025 年全球及中國傳感器市場(chǎng)規(guī)模統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)（資料來源：Statista，東吳證券研究所）

　　按照傳感器檢測(cè)對(duì)象的不同，人形機(jī)器人的傳感器又 可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩大類，內(nèi)部傳感器：用來 感知機(jī)器人的自身狀態(tài)的傳感器，比如位置、速度、加速度 等;外部傳感器：用以感受機(jī)器人周圍環(huán)境、目標(biāo)物的狀態(tài)信息的傳感器，比如視覺、觸覺、聽覺、嗅覺、溫度、力 覺等(見圖3)。

圖 3 傳感器在人形機(jī)器人中的應(yīng)用 （資料來源：Yole，廣發(fā)證券發(fā)展研究中心 ）

　　例如，特斯拉OptimusGEN2人形機(jī)器人更聚焦于運(yùn)動(dòng) 與控制、行走、平衡、精細(xì)操作與感知，通過其視頻，有 媒體推測(cè)，新一代Optimus人形機(jī)器人新增了多項(xiàng)特斯拉 自研傳感器，包括：足部力&力矩傳感可能采用了六維力矩 傳感器;全新11自由度靈巧手可能增加了壓力感知、觸力 感知和柔性微壓力感知等傳感器;其強(qiáng)大的平衡感知能力 顯然搭載了IMU等慣性傳感器及感知算法;以及直接感知環(huán) 境作用的柔性觸覺傳感器/電子皮膚等等。

　　而從用量來看，MEMS壓阻式觸覺傳感器可能是最先 放量的一類產(chǎn)品。人形機(jī)器人用到的觸覺傳感器可以分為 兩大類， 一種是基于MEMS技術(shù)集成的觸覺傳感器，包括壓 阻式、電容式、光電式、電磁式;另一種是視覺+觸覺傳感 器。MEMS壓阻式觸覺傳感器的技術(shù)最成熟，且具有易于批 量生產(chǎn)、小型化、集成度高、成本低等優(yōu)勢(shì)，可提供精確 的運(yùn)動(dòng)控制和靈活的物體操縱能力所需的基本內(nèi)部扭矩和 力的反饋，因而應(yīng)用面較為廣泛。根據(jù)QY Research的調(diào)查 數(shù)據(jù)，2022年全球前五大廠商占據(jù)76%份額，分別為美國 Tekscan、Pressure Profile Systems、Sensor Products、 德國Weiss Robotics、美國Syn Touch。國內(nèi)企業(yè)規(guī)模尚 小，其中漢威科技子公司能斯達(dá)主要生產(chǎn)薄膜電容觸覺傳 感器，可應(yīng)用于機(jī)器人身體;初創(chuàng)型公司帕西尼致力于用 列陣式柔性觸覺傳感器應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域;此外，墨現(xiàn)科技、他山科技、埔慧科技、力感科技也有相關(guān)布局。

　　(1)力/力矩傳感器

　　力傳感器能夠幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)打磨、焊接等精密操 作，拓寬機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景，優(yōu)化國產(chǎn)廠商于搬運(yùn)、碼垛等 傳統(tǒng)環(huán)節(jié)的激烈競(jìng)爭(zhēng)格局。此外力傳感器在人形機(jī)器人中 亦有廣泛應(yīng)用，為模仿人類，人形機(jī)器人需精準(zhǔn)測(cè)量關(guān)節(jié) 受力情況，因此在手腕和腳踝處需搭載六維力傳感器。

　　相較于一維和三維，六維力傳感器優(yōu)勢(shì)突出，主要體 現(xiàn)在：①精度顯著提升;②結(jié)構(gòu)緊湊，適應(yīng)狹窄空間;③ 協(xié)調(diào)同步性好。但在性能突出的同時(shí)，六維力傳感器制作 難度也較高，其從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、解耦算法的復(fù)雜 性等多方面難度均高于一維和三維傳感器。

　　目前六維力傳感器處于起步階段，市場(chǎng)規(guī)模較小，但 未來隨著六維力傳感器在機(jī)器人行業(yè)的逐步放量，市場(chǎng)規(guī) 模有望迅速增長。根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)測(cè)算，中性假設(shè)下預(yù)計(jì)至 2030年人形機(jī)器人用力傳感器市場(chǎng)有望達(dá)125億元，其中 六維力傳感器市場(chǎng)空間有望達(dá)80億元，將為傳感器行業(yè)帶 來全新增量市場(chǎng)。

　　多維力傳感器技術(shù)壁壘高，海外廠商占據(jù)主導(dǎo)。海 外供應(yīng)商：國外成熟的多維力傳感器廠商主要有美國的 AMTI、ATI、JR3、FUTEK，瑞士的 BOTA，德國的HBM等公 司，已開發(fā)出多種商用六維力/扭矩傳感器。國產(chǎn)供應(yīng)商： 一維度力傳感器技術(shù)門檻不高，國內(nèi)生產(chǎn)商眾多;三/六維 度力傳感器受到技術(shù)限制， 目前國內(nèi)主要“玩家”包括坤 維科技、藍(lán)點(diǎn)觸控、宇立儀器等，上市公司玩家中東華測(cè) 試、柯力傳感等具備一定技術(shù)基礎(chǔ)，逐步開展多維力傳感 器的研發(fā)生產(chǎn)。

　　(2)慣導(dǎo)+視覺傳感器：實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高精度定位和導(dǎo)航

　　慣性傳感器是一種用于測(cè)量物體的加速度、角速度 和傾斜角度等參數(shù)的電子傳感器，包括加速度計(jì)、陀螺儀 和慣性測(cè)量單元(IMU) 三種， 其中IMU是市場(chǎng)份額最大 的品類。根據(jù)芯謀研究，2022年國內(nèi)IMU市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到 43.1億元，預(yù)計(jì)2027年達(dá)到75.5億元，年均復(fù)合增長率達(dá) 11.9%。

　　視覺傳感器是利用光學(xué)元件和成像裝置獲取外部環(huán)境 圖像信息的一類傳感器。從輸出維度的角度來看，基于視 覺傳感器的感知方法可以分為2D視覺和3D視覺兩種。在人 形機(jī)器人、自動(dòng)駕駛等高精度要求領(lǐng)域，3D視覺是目前的主要方向。

　　IMU和視覺傳感器具有互補(bǔ)性，能夠有效實(shí)現(xiàn)SLAM方 案(同步定位與建圖)，完成機(jī)器人定位和導(dǎo)航，未來均 有望受益于人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)。

　　國內(nèi)慣導(dǎo)傳感器(IMU)與視覺傳感器上市公司主要包 含芯動(dòng)聯(lián)科、敏芯股份、華依科技、奧比中光、舜宇光學(xué) 等，具備較強(qiáng)的研發(fā)與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

　　人形機(jī)器人的“小腦”——運(yùn)控模塊

　　從單臺(tái)特斯拉Optimus來看，其全身有40個(gè)執(zhí)行器， 是單臺(tái)多關(guān)節(jié)機(jī)器人的6～7倍，其中：身體關(guān)節(jié)部分采 用減速器/絲桿+伺服電機(jī)的傳動(dòng)方式，計(jì)28個(gè)執(zhí)行器; 機(jī)械手基于欠驅(qū)動(dòng)方案，采用電機(jī)+腱繩驅(qū)動(dòng)(Tendon - driven) 的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)， 單手6個(gè)電機(jī)、11個(gè)自由度。根據(jù) Testla AI Day， 特斯拉自主研發(fā)的六種執(zhí)行器中，旋轉(zhuǎn)關(guān) 節(jié)方案基本繼承了工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)，而線性執(zhí)行器和微 特電機(jī)是人形機(jī)器人的新需求。

　　在旋轉(zhuǎn)電機(jī)部分，不同廠家在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器零部件選用 的細(xì)節(jié)上各有不同。按照每個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)一套伺服系統(tǒng)來看 的話，有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，如果以伺服系統(tǒng)均價(jià)1000元計(jì)算，同 時(shí)結(jié)合市場(chǎng)預(yù)測(cè)的2030年全球人形機(jī)器人出貨量有望達(dá) 百萬臺(tái)，那么，2030年全球人形機(jī)器人用伺服系統(tǒng)的市場(chǎng) 規(guī)模將有望達(dá)到500億元人民幣左右。目前，國內(nèi)伺服驅(qū) 動(dòng)器市場(chǎng)以日系的松下、安川、本土的匯川、禾川等為代 表，而在微型大功率伺服方面，以色列ELMO、美國Celera Motion等則是這一特定領(lǐng)域內(nèi)的領(lǐng)先者。

　　在微特電機(jī)部分，空心杯電機(jī)為轉(zhuǎn)子無鐵芯結(jié)構(gòu)， 表現(xiàn)為無渦流損耗和磁滯損耗，具有低摩擦和良好的散熱 性，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的高效率;采用無刷結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提升 壽命、減少噪音，是人形機(jī)器人電池供電型設(shè)備的理想選 擇。根據(jù)專業(yè)機(jī)構(gòu)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，空心杯電機(jī)全球市場(chǎng)規(guī)模在 2022年超50億元人民幣，預(yù)計(jì)2022-2028年CAGR約為8% (圖4);如果考慮人形機(jī)器人放量，增速將顯著提升。

圖 4 2020-2028 年全球空心杯電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)

(資料來源：公開資料，華精產(chǎn)業(yè)研究院整理)(單位：億美元)

　　國 外 空 心 杯電 機(jī) 龍 頭 公 司 包 括 Max o n Moto r 、 Faulhaber、Portescap，其產(chǎn)品橫向、縱向布局均較為 完善，并且具有較強(qiáng)的小尺寸電機(jī)和無刷電機(jī)設(shè)計(jì)能力。 國內(nèi)空心杯電機(jī)龍頭公司為鳴志電器，拓邦股份、雷賽智 能、偉創(chuàng)電氣等研發(fā)及生產(chǎn)則是以點(diǎn)帶面，隨著國內(nèi)公司的能力不斷深化，空心杯電機(jī)未來存在廣闊的國產(chǎn)替代空 間。繞組設(shè)計(jì)與設(shè)備、產(chǎn)品矩陣及背書是空心杯電機(jī)的核 心壁壘。Maxon 馬鞍形線圈、Faulbaber斜繞式線圈，具 有專利優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)品品質(zhì)高;海外繞組設(shè)備 Merteor、田中精 機(jī)等研發(fā)能力、自動(dòng)化水平也均較高，并在航空航天、醫(yī) 療、機(jī)器人等領(lǐng)域深耕多年，有著很強(qiáng)的客戶背書和客戶 粘性。

　　無框力矩電機(jī)與機(jī)器人關(guān)節(jié)高度適配。無框力矩電機(jī) 無邊框設(shè)計(jì)，具有體積小、質(zhì)量輕、慣量低、結(jié)構(gòu)緊湊、 功率高、適配性強(qiáng)等特點(diǎn)，在機(jī)器人關(guān)節(jié)等領(lǐng)域具有廣泛 的應(yīng)用前景。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年力矩電機(jī)、無框電機(jī)全球 市場(chǎng)規(guī)模均超40億元人民幣，其中力矩電機(jī)全球市場(chǎng)規(guī)模 2022-2027年CAGR和無框電機(jī)全球市場(chǎng)規(guī)模2022-2029年 CAGR均約為8%(圖5)。從競(jìng)爭(zhēng)格局來看，海外企業(yè)仍處 于領(lǐng)先地位，海外龍頭制造商包括科爾摩根、威騰斯坦、 尼得科、派克漢尼汾等;國內(nèi)企業(yè)中，步科股份、昊志機(jī) 電也有較強(qiáng)的產(chǎn)品力。

圖 5 2022-2029 年全球無框力矩電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)
（資料來源：Valuates Reports，浙商證券研究所）( 單位：億美元 )

　　正向研發(fā)能力、匹配下游設(shè)計(jì)是核心壁壘。無框力矩 電機(jī)的壁壘體現(xiàn)在磁路和工藝設(shè)計(jì)，海外廠商具有悠久的 發(fā)展歷史和較強(qiáng)的正向研發(fā)能力，能夠通過產(chǎn)品和經(jīng)驗(yàn)積 累、模擬仿真軟件快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以滿足客戶需求。 無框力矩電機(jī)要比傳統(tǒng)的伺服電機(jī)定制化程度要高;很多 機(jī)器人廠商都在自研線性執(zhí)行器和旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器。從未來的 競(jìng)爭(zhēng)格局來看，無框力矩電機(jī)或?qū)⒈瓤招谋姍C(jī)更加分 散， 一體化程度更高。

　　減速器是連接電機(jī)和負(fù)載的中間裝置，用于降低電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速、提高輸出扭矩。機(jī)器人領(lǐng)域所使用的減速器 屬于精密減速器，主要包括諧波減速器、RV減速器、精密 行星減速器。

　　精密減速器是機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的核心零部件，人形機(jī) 器人產(chǎn)業(yè)化加速為精密減速器打開增量空間，目前人形機(jī) 器人的主流減速器方案為諧波減速器，部分機(jī)器人在下肢 采用了精密行星減速器。未來隨著人形機(jī)器人逐步放量， 精密減速器作為價(jià)值量占比較高的核心零部件，市場(chǎng)規(guī)模 有望大幅增長。以特斯拉發(fā)布的第二代Optimus機(jī)器人為 例，推測(cè)單臺(tái)機(jī)器人需要諧波減速器16臺(tái)，對(duì)應(yīng)價(jià)值量約 為1.6萬元;馬斯克曾在特斯拉Al DAY上預(yù)估Optimus機(jī)器 人產(chǎn)量將達(dá)百萬臺(tái)量級(jí)，在100萬臺(tái)Optimus機(jī)器人銷量的假設(shè)下，諧波減速器對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)空間約為160億元。目前在國內(nèi)，綠的諧波、中大力德等是本土精密減速器行業(yè)的佼佼者。

　　線性執(zhí)行器包括滾珠絲杠副和滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副等， 絲杠為人形機(jī)器人線性執(zhí)行器的關(guān)鍵，機(jī)器人需通過絲杠 將電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。絲杠具體可分為滑動(dòng) 絲杠、滾動(dòng)絲杠(滾珠絲杠&滾柱絲杠)、靜壓絲杠。其 中，滾珠絲杠可用于機(jī)器人傳動(dòng)裝置，特斯拉人形機(jī)器人 Optimus下肢腿部采用無框電機(jī)+行星滾柱絲杠的線性執(zhí) 行器;而人形機(jī)器人中使用的滾柱絲桿，目前在中國市場(chǎng) 上仍以日本、歐洲企業(yè)為主，國內(nèi)企業(yè)起步晚，競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力 距離國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家企業(yè)有較大差距，產(chǎn)品技術(shù)壁壘很 高，國產(chǎn)替代空間較大，國內(nèi)代表公司為貝斯特、鼎智科 技、恒立液壓、五洲新春等。

　　結(jié)語

　　在當(dāng)前AI人工智能+機(jī)器人技術(shù)高速發(fā)展的加持之下， 2024年，將會(huì)是人形機(jī)器人從樣機(jī)階段走向批量化生產(chǎn)和 應(yīng)用落地的關(guān)鍵期，對(duì)于未來的市場(chǎng)空間容量，人們也多 以樂觀態(tài)度看待?！案呖煽?、低成本、可量產(chǎn)”——是現(xiàn)階段 人形機(jī)器人在商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展上追求的首要目標(biāo)，這 尤其需要依靠全體產(chǎn)業(yè)鏈上下游的通力合作，其中也包括 運(yùn)動(dòng)控制核心部件廠商、各種技術(shù)路線的傳感器等等，來 共同建設(shè)圍繞人形機(jī)器人開發(fā)和應(yīng)用的創(chuàng)新發(fā)展生態(tài)圈。