机器人行业专题分析：为什么智能机器人需要力控？

（报告出品方：国金证券）

1.1力觉属于机器人感知系统的重要组成部分之一

机器人感知层是凭借感知技术通过获取和分析力觉、触觉、视觉、位置等信息，实现对于外部环境和状态的理解，为人机的智能交互和柔性作业提供决策依据，是目前机器人实现智能自主操作的关键技术。在众多的感知方式中，力触觉感知系统能检测机器人末端执行器操作工件时所产生的三维力/力矩、接触信息，为机器人提供力觉感知环境，是系统完成操作作业的重要条件之一。力觉传感器主要布置在手腕、关节等多部位。区别于垂直单方向压觉力感知，机器人力觉感知是指机器人作业过程中对来自外界大部分力的感知，是机器人主动柔顺控制必不可少的环节，它直接影响着机器人的力控制性能，分布在机器人的腕部、躯干关节、脚部、手指等部位。

1.2力控是机器人实现柔顺控制的前提

机器人的运动控制可以分为位置控制、速度控制、力控。工业界传统的机器人都使用位置控制，在位置控制下，工业机器人会严格按照预先设定好的位置轨迹进行活动，但是，若机器人的运动过程中受到了障碍物的阻拦，会导致机器人位置追踪误差变大，这种情况下机器人会“出力”追踪预设的运动轨迹，导致机器人与障碍物之间产生巨大的内力，无法完成柔顺控制。

1.3机器人的柔顺力控有哪些方案？

柔顺控制指机器人与环境进行物理交互时，通过采取一些新的柔顺元件，或者设计新的控制策略使得机器人具有柔顺性，采用相关柔性辅助元件使机器人展现柔顺特性的方式通常被称为被动柔顺，而通过设计相关柔顺控制策略作用于机器人使机器人展现柔顺特性的方式通常被称为主动柔顺。根据南京航空航天大学段晋军博士的分析来看，机器臂柔顺控制方式分为被动柔顺控制和主动柔顺控制，主动柔顺控制又分为直接力控、间接力控、混合位置/力控。

1.3.1被动柔顺控制：机械臂的被动柔顺控制是在机械臂的末端安装一个机械弹性结构（弹簧、阻尼），通过机械臂的弹性来实现力控的功能。这类力控方式工艺简单、成本低廉、对于机械臂无特殊要求，但是力控精度无法保证，机械臂拥有复杂的结构，有非线性的摩擦力、传动间隙，导致期望刚度无法精确获得，适用于对于力控精度要求较低的场景。

直接力控：相比于间接力控，直接力控更适合于不考虑人机交互安全性的场景，比如打磨场景，需要精确的力输出在某个表面。这种力控方式主要包括电流环、基于一维力传感器、基于六维力传感器、基于关节扭矩传感器这几种方式。1）电流环：电机以恒定的电流运转，以产生恒定的加速力矩，这类力控无需额外的传感器，但是力矩精度差。2）基于一维力传感器：在机械臂的末端加装一维力传感器感知外力，仅适用于的控制一个方向的力，相对更好的控制精度。3）基于六维力矩传感器：精度远高于一维力传感器。4）关节扭矩传感器：主要应用于机械臂的关节处，精度介于电流环和力传感器之间。

1.4历史上不同力控方案的机器人都有哪些案例？

被动柔顺控制案例：StarlETH机器人

被动柔顺控制指的是在力觉控制的末端执行器环节安装一个机械弹性结构（弹簧、阻尼），进而实现力控，StarlETH机器人属于这类力控方式，根据StarlETH机器人的相关论文表明，StarlETH内部的核心元件是高柔顺性系列弹性制动器，这种设计实现了扭矩的可控性，并且能够对接头角度、电机角度、弹簧的偏转实现精准测量。StarlETH机器人的关键元件为轻质高阻尼球型脚，通过内部的力敏电阻器感受力的变化，前端的传感器还包括IMU感受角速度和加速度来控制运动。

主动柔顺控制之阻抗案例：优必选、HYQ

1）优必选：优必选仿生机器人通过提取关节力矩或电流计算机器人末端受到的一个六维力和力矩，通过阻抗控制即可实现机器人的柔顺效果。

2）HYQ：为了实现机器人与外界环境进行交互，需要控制机器人的阻抗（接触点的运动和接触点力之间的关系），HYQ机器人通过控制阻抗实现了对于机器人的腿部控制。

六维力矩传感器在机器人实现力控

电流环实现力控案例：ABB的双臂机器人YuMi

ABB的双臂机器人轻质合金手臂均具有7轴自由度，能模拟人类肢体动作，在大幅提升空间利用率的同时，又能契合消费电子行业灵活敏捷的生产需求。ABB力控方式并没有使用力传感器，而是采用电流环的方式，所用的电机、减速机相对较小，产生的摩擦力也小，因此动力学辨识相对更准一些。但是由于没有力传感器，也就无法实现精准力控。

力/位置混合控制：IGrinder智能力控打磨解决方案

20年宇立仪器和江苏金恒联合开发出了智能力控打磨方案，该方案为典型的力/位混合控制案例，该方案集成了恒力控制和位置浮动功能，内置力传感器、位移传感器、倾角传感器和电气伺服控制系统，实时感知打磨力、浮动位置和磨头姿态等信息，能够自动补偿机器人姿态、轨迹偏差和磨料磨损，保证恒定的打磨压力，从而获得打磨效果的一致性。

2.1从检测原理来看，电阻应变式传感器综合性能更优

从检测方法来看，力传感器可分为电阻式、电容式、电感式，光电式等。电阻应变式、电容式两类检测模式优势明显，有望在人形机器人中得到应用。

硅/金属箔电阻应变传感器有望应用于人形机器人。从不同类型的力矩传感器在稳定性、刚度、动态特性等维度的比较后，硅/金属箔电阻应变式传感器在稳定性、刚度、信噪比等多个方面具有优势，有望在人形机器人中得到应用。

2.2从感知维度来看，力传感器主要感知一维、三维、六维力

从力传感器的感知维度来看，力矩传感器可以分为一维到六维，测量维度的数量越多，产品难度越大、档次越高；从主流的传感器的测量维度来看，一、三、六维力矩为常见产品的，二、五维力矩传感器相对较少：

一维力传感器：标定坐标轴为OZ轴，如果被测量力F的方向能完全与0Z轴重合，那么此时用一维力传感器就能完成测量任务；比如称重传感器，只能测量垂直于地面的力，就属于一维力矩传感器。三维力传感器：力F的作用点P始终与传感器的标定参考点O保持重合，力F的方向在三维空间中随机变化，这种情况下用三维力传感就能完成测量任务，它可以同时测量Fx、Fy、Fz这三个F的分力。六维力传感器：空间中任意方向的力F，其作用点P不与传感器标定参考点重合且随机变化，这种情况下就需要选用六维力传感器来完成测量任务，同时测量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz六个分量。六维力传感器内部的算法，可以实现解耦各个方向的力和力矩的干扰，使得测量的力矩更为准确；这类传感器更适用于参考点的距离较远，且随机变化情景，测量精度要求较高。

从人形机器人的工作原理来看，我们判断未来人形机器人的手腕、脚踝环节需六维力矩传感器、其他关节可以适用关节扭矩传感器。末端执行机构（手部、脚部）---六维力矩传感器：由于人形机器人末端执行机构主要为手部和脚部，执行的过程中力臂在几十到几百毫米之间，力臂较大且属于随机变化；而对于这两类环节的力也要求实现精确处理，因此这两类关节所受的力并非简单的一维、三维力，我们判断这个关节需要适用六维力矩传感器。其他关节---关节扭矩传感器：特斯拉人形机器人旋转执行机构类似协作机器人关节，而线性执行机构也通过滚珠丝杠完成直线运动，整体对于力的感知相对简单，我们预计其他关节需单轴力矩传感器。

根据前文的分析，机器人手部、脚部需要使用六维力矩传感器，而其他关节需要使用单轴扭矩传感器；相比单轴力矩传感器，六维力矩传感器定价较高，若人形机器人未来想要实现商业化落地，力矩传感器的降本为必不可缺的一环，我们将重点分析六轴力矩传感器的技术壁垒进而对于该产品的降本进行展望。

3.1从核心元件看壁垒：应变片性能要求高、安装工艺门槛高

安装难度大：从六维力矩传感器每个维度需要至少4个应变片，数十个应变片的安装对工艺提出较高要求。从全球龙头六维力矩传感器公司ATI的产品内部构造来看，六维力矩传感器的内部为内轮毂，通过梁与外壳来连接，每个维度具有至少4个应变片，考虑到抗温漂等性能需求，单个六维力矩传感器的上可能需要30-40个应变片，而组装的关键环节贴片、组桥、配平、温度补偿均需人工在极其狭小的空间内完成，安装工艺具有较高技术壁垒。

应变片性能直接影响传感器性能：应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件，其原理是在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应地发生变化，因此应变片的性能直接决定了多维力传感器的灵敏度、量程、分辨率、刚性等静动态性能指标。

3.2从性能看壁垒：串扰、精度、准度要求较高，定制化研发难度大

研发难度大：六维力矩传感器的研发并非将一个三维力和三个扭矩传感器结构的简单叠加，它的非线性力学特征明显，要考虑多通道信号的温漂、蠕变、交叉干扰、数据处理的实时性，再加之六维联合加载标定的复杂性，六维力矩传感器的难度远超过单维力矩传感器的研发难度。性能要求高：根据坤维科技公众号，多维力矩传感器的核心性能指标为串扰、精度和准度，国内外该指标差距较大。串扰：该指标用来衡量多维力传感器各测量方向间的耦合影响，可以反映测量误差水平，是体现产品性能的关键指标之一。精度：该指标衡量了测量结果之间的重复性。准度：测量结果与理论真值的偏离程度。准度其实涵盖了滞后、线性、蠕变等误差因素，更能体现产品的综合性能，是多维力传感器最为核心的技术指标之一。

3.3六维力矩传感器的成本主要来自于应变片和人工加工成本

成本端：我们判断六维力矩传感器的成本核心在于应变片、加工成本。应变片：根据前文分析，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；根据淘宝价格，海外应变片头部厂商HBM单个应变片的价格在100-200元，因此单个六维力矩传感器应变片的成本在5000-6000元。

加工成本：六维力矩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，短期无法实现自动化生产，我们预计六维力矩传感器人工成本超过10%。价格端：目前海外六维力矩传感器龙头ATI产品价格4000-8000美金之间。

展望：根据前文分析，六维力矩传感器的超50%的成本来自于应变片和人工费用，我们认为随着国产应变片的参数持续突破及加工能力提升，以及人形机器人需求爆发后，未来降本空间充足。

3.4空间：22年全球力矩传感器市场规模达80亿美元

2028年全球力矩传感器市场规模将达137亿美元。根据imarcgroup数据，2022年全球力矩传感器市场规模为82亿美元，预计2028年将达137亿美元，期间GAGR达8.9%。

3.5厂商梳理：海外厂商性能优异，国内市场尚未出现龙头

国内厂商宇立仪器、坤维等厂商部分指标对标海外产品。全球六维力矩传感器的龙头为ATI，根据zoominfo数据，22年ATI收入达到8820万美元，而国内多数厂商尚未形成大规模收入。从产品性能来看，分辨率、灵敏度、抗干扰能力强是机器人力觉传感器的主要性能要求，国内厂商已在部分指标对标海外头部厂商。

4.1柯力传感：应变式传感器核心供应商，盈利能力维持高位

柯力传感近年营收规模、归母净利润稳定增长。2018-22年，柯力传感营业收入/归母净利润从7.1/1.4亿元提升至10.6/2.6亿元，期间GAGR达10.6%/16.5%。系高端产品放量，1Q23归母净利润增长至0.6亿元，同比增长60%。

费用管控有力，盈利能力稳定。柯力传感销售费用率/管理费用率从2018的8.0%/8.1%降至22年5.4%/7.1%，期间降幅为2.6pct/1.0pct，费用管控有力。盈利能力端：近3年净利率、毛利率持续提升，从38.3%、24.8%提升至40.8%、26.5%。

应变式力传感器龙头，市占率达30%。柯力传感2022年应变式传感器产量为336.7万只，根据华经产业研究院数据，22年中国应变式传感器产量为1122.6万只，柯力传感市占率达30%。

柯力传感在电阻应变式传感器积累深厚，具有拓展至机器人力矩传感器新蓝海市场的潜力。应变式传感器精度高、技术成熟成本低、测量范围广，有望在机器人力矩传感器中使用。柯力传感作为国内电阻应变式传感器龙头，产品囊括17个品类，其中包括两款扭矩传感器。我们认为，柯力传感在电阻应变式传感器有较深厚积累，有进入机器人力矩传感器新蓝海市场的潜力。

4.2汉威科技：控股苏州能斯达，拓展柔性微纳传感器

收入稳步增长，归母净利润扭亏转盈。汉威科技近5年来营收稳步增长，2022年实现收入24.0亿元，同比增长3.4%。2020年以来，汉威科技积极调整产品结构，增强管理，归母净利润实现扭亏为盈，2022年实现归母净利润2.8亿元，同比增长4.9%。

受下游投资放缓，盈利能力短期承压。汉威科技2022年受下游环保行业投资放缓，需求较差，营收增长缓慢导致盈利能力短期承压，毛利率、净利率为28.4%、11.5%，同比下降5.1pcts、3.5pcts。

4.3瀚川智能：入股坤维科技，补强力传感器能力

瀚川智能营收加速增长，规模效应有望提升盈利能力。2022年开始，瀚川智能营收加速增长，截至1Q23，营业收入达1.8亿元，同比增长83.5%，同期归母净利润达-0.4亿元，系规模扩张期，费用均摊较高所致。

持有坤维科技5.04%股权，进一步完善传感器领域的技术布局。瀚川智能于2020年11月通过全资子瀚川智能皓星投资入股常州坤维科技，截至目前，持股比例达5.04%。坤维科技是国内六维力传感器核心供应商，该产品在协作机器人末端附件领域市场占有率位居国内前列，瀚川智能有望通过股权关系加深彼此合作，进一步完善传感器领域技术布局。

4.4中航电测：军用智能测控龙头，力传感产品品类丰富

中航电测为国内智能军民用智能测控龙头。18-21年，中航电测营收、归母净利分别从13.9/1.6亿元增长至19.4/3.1亿元，期间CAGR分别达到11.8%/25.3%。22年中航电测受到乘用车检测行业政策调整影响，并加大研发投入，营收、净利润有下滑。

中航电测具有多款应变片、压力传感器、扭矩传感器。根据中航电测22年年报披露，中航电测传感控制业务开始进军机器人业务，未来有望受益人形机器人产业链对于力传感器需求放量。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）