机械设备行业灵巧手专题系列报告2：传感器，从第一性原理出发，灵巧手如何获得多模态“感觉”

灵巧手专题系列报告2：传感器：从第一性原理出发，灵巧手如何获得多模态“感觉”评级：推荐(维持)证券研究报告2025年05月19日机械设备张钰莹(证券分析师)S0350524100004zhangyy03@ghzq.com.cn相对沪深300表现表现1M3M12M机械设备8.2%-1.6%18.8%沪深3002.8%-1.6%5.4%最近一年走势相关报告《机械行业专题报告：摩托车行业2025年2月海关数据更新（推荐）*机械设备*张钰莹》——2025-03-30《灵巧手专题系列报告1：从灵巧手专利拆解出发：看驱动及传动路径如何？（推荐）*机械设备*张钰莹》——2025-03-11《锂电设备行业深度报告：乾坤未定竞角逐，产业趋势渐明晰——固态电池专题系列1（推荐）*专用设备*张钰莹》——2025-03-11-40%-20%0%20%40%60%80%100%120%2024/032024/062024/092024/122025/03人形机器人指数沪深300请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 2● 我们认为，灵巧手传感器需要实现两个核心功能：1）触觉-机械刺激：由触觉传感器实现，包括单维力（即接触力）和三维力（接触力+切向拉力）；2）位置-本体刺激：由六维力传感器实现。● 1）触觉-机械刺激：触觉感知是仿人机器人与外部环境交换信息的核心途径之一，使机器人能够展现出物体识别、灵巧操作和刺激响应等类人行为，通过不同原理（压阻/电容/压电/光学式方案/磁性传感），触觉传感可以用于估计接触力、粗糙度、纹理和重量等信息，补充传统的视觉信息（如位置、形状和颜色）。● 2）位置-本体刺激：高维的空间感知和模拟接触物理世界。如何实现空间感知仍然是灵巧手传感器方向的主要挑战。六维力传感器可以在一个笛卡尔坐标中提供三个方向的力和三个力矩。我们认为，目前柔性触觉传感器在单维力和三维力测量中可以和力矩传感器实现功能替代，但六维力传感器可以进行空间位置的测量和感知，在灵巧手应用中实现高维的空间感知，即位置-本体刺激功能。● 此外，我们梳理了不同公司的触觉传感器方案和六维力传感器产品，其中，触觉传感器方案包括帕西尼的磁性传感器、戴盟机器人的光学式传感器、他山科技的触觉传感器方案、途见科技的一种压电式传感器专利、能斯达的一种压电式传感器专利等；六维力传感器产品涉及的厂商有ATI、柯力传感、宇立仪器、坤维科技和蓝点触控。● 行业评级及相关标的：我们维持灵巧手所在的人形机器人行业“推荐”评级。我们认为人形机器人目前处于技术突破、商业化落地初期，建议关注灵巧手相关硬件的核心标的：1）电机：兆威机电、鸣志电器等；2）腱绳及材料：南山智尚、大业股份等；3）传感器：柯力传感等；4）柔性皮肤：汉威科技等；5）微型丝杠及驱动器：恒立液压、汇川技术、信捷电气等。● 风险提示：人形机器人行业进展不及预期风险；中美贸易摩擦超预期风险；灵巧手核心技术迭代不及预期的风险；重点关注公司业绩不及预期风险；报告中使用的公开资料滞后性风险。请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明 3请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明4资料来源：顾一丁《智能感知机械手柔性触觉传感器的研究》，国海证券研究所● 人体皮肤可以感知到的信息：机械刺激、温度刺激和本体刺激等。其中：机械刺激主要由四种机械感受器（小体）负责，分别捕捉低频振动力、静态接触力、静态切向拉力和高频振动力；温度刺激由温度受体实现；本体刺激指对自身空间位置的感知，由本体感受器实现。● 对应地，在传感器实现拟人化皮肤方面，机械刺激可以由触觉传感器实现；温度刺激可以由温度传感器实现；本体感受可以由六维力矩传感器实现。因此，本报告试图从第一性原理出发，基于人体皮肤的生物学功能，讨论传感器如何在灵巧手上实现类人感知。● 1）触觉-机械刺激：由触觉传感器实现，包括单维力（即接触力）和三维力（接触力+切向拉力）；● 2）位置-本体刺激：由六维力传感器实现；● 3）视觉：一种手部传感器的补充方案。图：不同生物学原理的灵巧手传感器方案Meissner小体-低频振动Pacinian小体-高频振动Merkel触盘-静态接触Ruffini小体-静态切向拉力位置传感器视觉-一种可能的补充方案一、柔性触觉传感器：实现灵巧手信息识别+力检测+力控制请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明6资料来源：孙富钦等《柔性仿生触觉感知技术：从电子皮肤传感器到神经拟态仿生触觉感知系统》，CCF智能机器人专委公众号，国海证券研究所● 触觉传感在灵巧手上的功能主要分为输入和输出两大类，1）输入端：识别、输入信息，如：操作对象的状态和形状、大小和刚度等特征；灵巧手和操作对象的接触状态；检测操作对象的物理性质；2）进行力的检测；3）输出端：实现力的控制。装配触觉传感器后，灵巧手可以实现更复杂的操作任务，实现输出力（做功）+根据力的反馈做精细运动。如：“拖地”这一操作需要识别拖把本身和拖把的大小，还需要用力拖地；抓取拖把时需要判断和控制抓握力的大小，如果抓握力过小，拖把可能会滑落；如果抓握力过大，可能会损坏物体。● 分类：基于不同的工作原理，可以将触觉传感器分为压阻式、电容式、压电式、光学式和磁触觉感知式等。图：不同原理的触觉传感器方案电容式压阻式光学式磁触觉感知分层式非分层式压电式请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明7资料来源：徐菲《用于检测三维力的柔性触觉传感器结构及解耦方法研究》，宇树科技官网● 触觉传感器的柔性化：使传感器从物理特征上像皮肤一样柔软，并可以在任意载体表面进行测量，不受面积和结构影响。● 触觉传感器的柔性化有三种主要的途径：● 1）触觉传感器中的敏感元件单元为刚性，利用柔性材料如硅橡胶作为传播媒介，接触面不携带传感功能，仅靠刚性传感器硬件获取信息。如，将六维力传感器放置在由硅橡胶组成的柔软皮肤内部，制成灵巧手的指尖；● 2）敏感元件为刚性，由柔性组织结构组合而成，如使用网状设计，将各类电子线路嵌入柔软的薄膜上，如，可以形成网格状的集成阵列，或集成温度和触觉等（如，一种阵列式柔性传感器，薄膜的一面是半导体温度传感器，另一面是导电聚合物触觉传感器）；● 3）触觉传感器自身是柔性材料，如具有压阻特性的压力敏感导电橡胶和具有压电特性的材料（如PVDF聚偏二氟乙烯等）。图：硅橡胶媒介+内置六维力的传感器柔性化方案图：宇树科技灵巧手柔性传感器图：集成温度和触觉的阵列式柔性传感器图：具有压阻特性的压力敏感导电橡胶请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明8● 1）信息识别-Step 1：纹理感知。通过纹理可以反映接触表面材料的属性和制造工艺，将信息反馈给算法计算层，实现对物体的识别。● 2）信息识别-Step 2：力的读取。力的读取分为单维触觉传感功能（垂直于表面的接触信息）和三维触觉传感能力（精准测量xyz三个方向作用力，即法向力+切向力）。● 其中：● 单次触摸基于压力分布或接触面积来测量纹理，优点是简单直观；缺点在于测量区域局限，不利于大面积或长距离测量，以及较难获取纹理微观结构的形状特征和高度信息。● 滑动触摸：优点是相较单次触摸能够获取更多测量参数，可以测量的参数包括：仅测量合力（法向力和摩擦力的总和）、仅测量法向力（压力