机器人力传感器行业专题报告：机器人高精度力控方案核心部件

（报告出品方/作者：民生证券，李哲、罗松）

1 多维力传感器设计涉及多学科交叉，技术壁垒高

1.1 力传感器可分为一维传感器和多维传感器

1.1.1 传感器的分类

根据感力原件的不同，传感器主要分为三类：应变式力传感器、光学式传感器 以及压电式力传感器。

应变式力传感器，采用的是硅应变片或金属箔，本质是材料本身发生形变进而 转化为阻值变化； 光学式传感器则是通过光栅反映形变，再转化成力； 压电式传感器是将被测物理量变化转换成压电材料因受机械力产生静电电荷 或电压变化的传感器，可分为电容和压电两种，电容是通过极距的变化导致电压变 化，压电则是通过形变改变电荷。

经过稳定性、刚度、动态特性、成本与信噪比五个维度的比较可知，硅应变 传感器和金属箔传感器之间，硅应变片在稳定性、信噪比以及动态特性方面要更优， 两者刚度上相差不多，但成本上金属箔要优于硅应变片；电容传感器和压电传感器 之间，电容传感器成本最优，其他几项弱于压电传感器；光学传感器在动态特性方 便明显具有优势。

应变力传感器：电阻应变式传感器的灵敏元件主要是应变片，他是一种用来测 量物体应变的测试工具。大多数通用力传感器内部都有应变片。应变片作为电导体 牢固地附着在基片上。当基底被拉伸时，应变片将会变长。反之被压缩时，应变片 将会缩短。结果是导致应变片电阻产生变化。这就是应变测量原理，通过应变电阻 产生变换来确定应变大小。为了生产力传感器，除了应变片外还需要一个弹性体例如采用不锈钢等。应变片将牢固地黏贴在弹性体上，二者一起发生形变，因此应 变片将产生和弹性体一样的变形，这将导致电阻产生变化。惠斯通电桥输出信号将 提供这些变形信息。这样就可以计算出作用在应变片上的力的大小。这就是力传感 器的工作原理。

力传感器是机械、电子、算法、计量融合的复杂交叉学科，技术壁垒较高。 多维力传感器能够实现更精细的工作需求，在机械加工，如磨削，去毛刺，打磨和 抛光中，让机器人来完成这些工作曾经是非常复杂的，需要根据空间体积进行大量 的编程，而且也需要花费大量时间来进行纠错。但是集成了多维力觉传感器后，利 用传感器的路径记录功能，操作员可以简单地抓住臂端装置并进行预期的移动。传 感器记录操作员施加的力和方向，然后机器人就可以重复操作员的动作。这将极大 地提高工作效率，同时将有助于保障操作工人的安全。

1.1.2 力传感器的生产工艺

力传感器的重要部件包含弹性体和应变片，弹性体制造质量直接影响到传感 器的测试性能指标，因此，弹性体的制造是力传感器生产的重要环节。力传感器的 生产流程主要包含弹性体加工及后处理工艺。

弹性体设计与制造：指弹性体钢杯的结构设计与机械加工，去应力热处理。 此环节将确定弹性体膜片基本参数，基本决定了溅射薄膜式压力传感器的输入一 输出关系。弹性体建模与计算过程非常重要，将在下一节重点阐述。 研磨与抛光：对合格的弹性体钢杯进行研磨、抛光，使表面达到光洁度要求， 然后再作进一步的减薄处理。 打磨、划线：打掉弹性体上加工产生纹路及电镀层，活化金属表面，改善贴片 区表面的微观凸凹不平。划线目的为对应变计的粘贴位置进行定位，作为贴片时的 基准线。 贴片：将敏感元件粘贴在弹性元件上，通过金属机械变形改变阻值，获得电信 号的改变（△R→△U）从而得到一个应变量。

固化、老化：将贴片后的弹性体放入一定的温度环境中，将贴片胶烘干，使应 变计与弹性体紧密粘合。老化是通过人为升温降温来消除应变计、胶水的残余应力， 以达稳定的目的。 组桥走线：连接敏感元件（应变计），组成惠斯通电桥，将电信号有效地输入 输出。 零点补偿、零点温度补偿：平衡桥臂电阻温度系数，使其输出满足特定要求。 焊线：通过导线连接，介入外部的输入、输出。 初测：测出传感器满量程的灵敏度，并进行补偿达到一个统一的标准值，以满 足多个产品互换灵敏度的一致性及便于组秤使用时角度调整。 封胶、焊封：通过传感器贴片孔、补偿孔的密封，隔离外界，形成独立的内部 气候环境。 重测：检测产品各项特性或指示是否符合或满足国际的要求或企业的内部控 制指标（非线性、重复误差、滞后误差、蠕变、灵敏度、零点等）。 在应变式传感器工作过程中，一般由弹性体首先把被测定的重量变换成易于 转换成电量的应变量，然后配合应变计及测量电路，把应变量转换成电量，即把输入的重量转换成为输出的电量，所以弹性体在称重传感器中起着重要的作用，其制 造质量好坏直接影响到传感器的测试性能指标。

弹性体在加工中会产出各种加工应力，其加工应力的积蓄与大小会影响到传 感器的测试性能指标。因此在加工中应注意采用少应力加工工艺方法，尽量避免加 工应力积蓄或减少加工应力。 在贴片、组桥、补偿、调试、封胶这几个环节上要控制环境温度、湿度、洁净 度和流程节拍。可靠性、稳定性是本产品最重要的性能，一个极小的缺陷就可能导 致产品的失效，因此要对每一个环节加强检验，才能提供给用户优质的产品。 一般而言，力传感器厂商外购加工好的弹性体及应变片，因此，主要需要完成 焊接加工这一环节的工艺，目前六维力传感器等多维传感器依然以人工显微镜下 的手动贴片为主，低端的一维传感器等，部分企业积极探索自动化生产。

1.2 弹性体和应变片是力传感器的核心零部件

应变片和弹性体是力传感器的主要结构组成和成本组成部分。 电阻应变片主要分为以下几类，箔式电阻片是最主要的应变片：

1)丝绕式：用电阻丝盘绕电阻片称为丝绕式电阻片，目前广泛使用的有半圆弯 头平绕式，这种电阻片多用纸底和纸盖，价格低廉，适于实验室广泛使用，缺点是 精度较差，横向效应系数较大。

2)短接式：这种电阻片的制作比较容易，在一排拉直的电阻丝之间，在预定的 标距上用较粗的导线相间地造成短路。短路接式电阻片的优点是几何形状比容易 于保证而目横向效应系数近于零。

3)箔式电阻片： 它是在合金箔(康铜箔或镍铬箔)的一面涂胶形成胶底，然后在箔面上用照相腐 蚀成形法制成的，所以几何形状和尺寸非常精密，而且由于电阻丝部分是平而薄的 矩形截面，所以粘贴牢固，丝的散热性能好，横向效应系数也较低。该类应变片的 敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚度一般在 0.003-0.01mm 之间。箔 式应变片与丝式应变片比较其面积大，散热性好，允许通过较大的电流。由于它的 厚度薄，因此具有较好的可绕性，灵敏度系数较高。箔式应变片还可以根据需要制 制成任意形状，适合批量生产. 应变片的核心性能指标是灵敏系数和疲劳寿命，国内外生产的应变片主要技 术差异体现于此。一般而言，国内的应变片价格，根据中航电测招股说明书披露的 数据计算，大约在几元左右，而海外进口应变片的价格可达百元以上。 应变片的灵敏系数是指:当应变计粘贴在处于单向应力状态的试件表面上，且 其纵向(敏感栅纵线方向)与应力方向平行时，应变计的电阻变化率与试件表面贴片处沿应力方向的应变(即沿应变计纵向的应变)的比值 应变片的疲劳寿命是指:在恒定幅值的交变应力作用下应变计连续工作，直至 产生疲劳损坏时的循环次数。

（1）掩模板制作：利用高精度制版设备，制作所设计的应变计图形掩膜版（底 版）。掩模版制作质量的高低直接影响应变计生产的成品率和可靠性。 （2）基底胶备：通过化学反应，将高分子化工原材料合成为应变计胶粘剂。 （3）箔材热处理：通过热处理炉，使敏感栅材料的内部晶体结构重新组合， 调整应变计敏感栅材料的合金成分配比以及金属的冷轧率和电阻温度系数， 从而满足应变计的性能要求，减小应变测量误差。 （4）基底成形：将基底胶粘剂涂覆在敏感栅材料上，通过热固化使之成为应 变计基底。（5）光刻：利用光刻胶的感光特性，在金属箔材表面上涂覆光刻胶，通过紫 外线感光，将掩膜版的图形转移到光刻胶中，对光刻胶进行显定影，形成所需 要的应变计图形。 （6）蚀刻：用蚀刻液将转印到金属箔材上的应变计图形刻出来。 （7）半成品检验：对蚀刻后应变计敏感栅的质量状况进行检验。 （8）阻值调整：通过机械抛光和化学腐蚀的方式，按应变计标称电阻的要求 对应变计电阻进行调整。

应变片用专用粘合剂粘接到测量对象上。测量位置上发生的应变通过粘合剂 和树脂基转移到应变传感元件。为了准确测量，应变片和粘合剂应与测量材料和操 作条件（如温度等）兼容。 应变引起的电阻变化非常小。因此，对于应变测量，形成惠斯通电桥以将电阻 变化转换为电压变化。

此外，在传感器的内部有一种元器件叫做弹性体，弹敏元件是传感器的核心部 分，要求弹性元件具有较高的弹性储能般用弹性材料存储变形功而不产生永久变 形。一般优质的弹性体制作的传感器会具有优良的机械加工、热处理、抗压强度等 特性。由于受温度影响较小等特点，适当选择单性敏感原件和应变计是提高应变传 感器性能的重要途径。

1.3 多维力传感器的技术壁垒更高，高精度、抗干扰能力强

力传感器是将力的量值转换为相关电信号的器件。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。 从后端信号输出的方式来看，可分为模拟量输出的传感器和数字量输出的传 感器，数字量输出的传感器是在模拟传感器输出的信号基础上增加放大器和后端 算法进行进一步的优化。 模拟传感器工作原理：各系列称重传感器以贴有应变片的弹性体为敏感原件， 在外接激励电源后，输出与外加负荷（力）成正比例的信号。如果外部载荷作用在 传感器上，测量体将产生变形，应变计的电阻也随之改变。这样，通过电阻的变化 可测量出载荷大小。这不仅适用于扭矩传感器，也适用于称重传感器、力传感器和 其他类型的传感器。然而，扭矩传感器有一些特殊功能。

一维力传感器又称为拉压力传感器，指测量单一维数方向上的力或力矩，同理 多轴力传感器就是可以检测多个维数方向上的力或力矩。常见的一维力传感器主 要是称重传感器，可广泛用于汽车衡、配料衡、包装秤等各种电子衡器和自动称重 系统。此外，还可以选用不同形式的配套仪器，以满足计量、检测、调节及控制等 其它应用要求。 此外，用于机器人关节内部的扭矩传感器区别于一般的扭矩传感器，相当于一 个简化版的六维力传感器，扭矩传感器一般分成采用内外圈结构，内外圈相对受扭力时，传感器发生弹性变形，传感器内部的应变计电阻发生变化，进而转换成电压 信号输出。

力传感器的性能指标： 1）串扰：当在传感器其它方向的加载力（扭矩）至某个值（轴向力、径向力、 弯矩）时，扭矩传感器的输出除以扭矩满量程的百分比。 机器人传感器抗扰能力最重要，如几个维度之间的最大串扰是多少，国内厂商 普遍能够达到 1%~2%，这一指标越小越好。 2）模拟量输/数字量输出：能够采用模拟量直接输出表明六维力传感器的机械 设计水平高，不需要后续的算法对原始信号进行处理，当然也有方便客户使用而增 加数字量输出的情况。 3）过载能力：传感器抵抗过载的能力。宇立的产品一般是传感器额定量程的 1.5 倍至 3 倍。过载指标越大越好，安全过载一般能做到 150%~200%，达到 200% 以上说明技术水平较优。机器人高处摔下，传感器为最主要承力部件。在安全过载 量程之内，传感器不会发生损坏，但零点会出现漂移，需重新标定。 4）迟滞：在同一个负载下，加载和卸载时的信号输出在相等加载点上的最大 偏差除以满量程的百分比，这一指标越小越好。 5）零点：在“零状态”时传感器的输出。零状态由客户定义，如可定义为传 感器水平放置时为零状态，也可定义为传感器竖直放置时为零状态。 6）精度：传感器输出值的准确程度，通常用非线性、迟滞和串扰指标衡量。

多维力矩传感器相比于单轴力矩传感器技术壁垒更高，因为多维力传感器除 了要解决对所测力分量敏感的单调性和一致性问题外，还要解决因结构加工和工艺误差引起的维间（轴间）干扰问题、动静态标定问题以及矢量运算中的解耦算法 和电路实现等问题。六维力/力矩传感器指的是一种能够在笛卡尔坐标系中同时测 量力和力矩并且可以各三个分量的转换成为电信号的器件，用于精密装配、运动医 疗、智能制造等领域，能够实现检测、预防、测量、过程控制、示教、保护等功能。 在工业自动化的趋势下，越来越需要使用机器人机械手来执行安装、焊接、研磨、 去毛刺、物体抓取/移动等工作。对操作灵活性和有效控制的需求使得必须检测机 器人机械手与其环境的相互作用力。测量的力信号不断输入机器人系统的控制单 元，并由相关执行器采取必要的措施来优化性能。多维力传感器能够进一步提升机 器人的灵敏度，从而提升执行任务的准确性，并且拓展更加精细的工作内容。

六维力传感器的工作原理：六维力传感器的每一个力对应一个矢量，它们既有 大小又有方向，它的标定都是假设传感器系统是一个线性系统，即传感器静态数学 模型满足 F=CV。V 是它的 6 路原始输出信息(列信息，单位是 V)，F 是经过计算 的 6 路力信息(列信息，力的单位是 KN，力矩的单位是 KNm)。 利用施加在六维力传感器上的广义力矢量组 F 和通过数据采集上采样得到的 传感器 6 个输出信号矢量组 V 求出标定矩阵 C，传感器的输出信号是一个 6 路电 压信号组成的矢量。在不考虑传感器的非线性因素影响下，只要给传感器施加 6 个 线性无关的力矢量，并测得对应 6 个力矢量的传感器的输出电压信号矢量 V，就 可以得到一个唯一解 C。

六维传感器的标定和检测： 标定是指，通过加载理论值的载荷并同时记录传感器输出的对应原始信号的方式，获得六维力传感器内部算法的各个参数。也就是建立传感器原始信号和受力 之间的映射关系。辨识与标定方法可分为静态标定与动态标定。静态标定中，让机 器人运动到几个姿态并停止，根据稳定时力矩传感器的数值与最小二乘法来标定 负载参数及传感器自身参数。这种方式忽略了运动惯性的影响。 检测是指，通过加载已知理论真值的载荷并同时记录传感器测量结果的方式， 统计、比较测量结果和理论真值的差异，获得传感器的精度和准度，也就是测试传 感器的准确性。简单来说，标定是获得传感器固件参数，检测是获得传感器的精准 度。

对于六维力传感器而言，标定需要同时考虑六个维度，复杂度高，非线性效应 显著。在六维力传感器标定过程中，采用三个方向的力和三个方向的力矩同时加载 的方式，就叫做六维联合加载标定。标定解耦是六维力传感器提高精度的主要方法， 一维力传感器，比如拉压力传感器，仅仅只需要 9 个样本点来标定。同样是每个 维度取 9 个样本点，六维力传感器的样本空间就包含 531441 个样本点。 使用这么多样本点进行六维联合加载标定会带来三点优势： 1、交叉样本点可以使传感器的受力情况模拟更加接近于真实的使用情况。 2、这样标定便于考察传感器在多维载荷同时作用下的非线性力学特性，可以 有效改善传感器结构的设计。 3、这是基于传感器的非线性力学特性做的标定，可以大幅优化解耦算法的数 学模型。

例如“串扰”这个指标，他能反应六维力测量误差水平，市场上比较常见的品 牌标准值基本居于 2~5%FS，达到 1%FS 已然为优秀水准，而海伯森 HPS-CF025 的轴间串扰可做到<1%FS，可应用于精度要求高、量程要求低的场合，比如医疗 领域的手术机器人或触觉腹腔镜仪器等。除此之外，海伯森六维力产品系列均通过算法和结构的双重优化实现了低温漂、高精度和高静态过载保护，在 2000Hz 测 量频率下迟滞仅为 0.1%FS，有效提升了机器人作业的精度和稳定性，除了医疗辅 助、运动力检测和风洞测试等一些特殊的服务和应用，还可用于工业精密装配、柔 性打磨抛光等。 总之，采用六维力联合加载标定，才能使传感器的准度更好、串扰更低。六维 力传感器在承受多个维度的力的同时作用时，非线性特性非常显著，六个维度的线 性模型叠加是无法精准描述这种非线性效应的。 动态标定：即考虑负载运动速度等对力矩传感器的影响。这种处理方式与机器 人的动力学参数辨识类似，让机器人数个轴连续地运动，采集力矩传感器的数值与 关节角度，完成对负载及零漂的辨识。

在六维传感器中，其中的弹性力传感部件起着关键作用。应变片作为一个整体 牢固地粘合到该杆件的适当位置，形成至少六个桥式电路，从电压输出中，通过矩 阵计算确定三个力和三个力矩的大小和方向。就各种桥式电路的输出与六个力分 量的应用之间的关系而言，六维力传感器可以是耦合或解耦的。对于前者，任何力 分量的存在通常会在多个桥中产生输出。因此，这种传感器中存在交叉灵敏度，因 此校准矩阵相对复杂。至于后者，对应于特定力分量的电桥的输出不受任何其他力 分量的影响。如果是这种情况，则用于计算六个力分量的校准矩阵是对角线，其对 角线中只有非零元素。当然，由于力传感部件通常是单片的，因此在现实中无法获 得完全解耦的传感器。每个传感器都在某种程度上是耦合的。然而，在交叉灵敏度 不显著（例如，低于 2%）并且全部被忽略的情况下，可以将传感器视为具有可接 受精度的解耦传感器。

六维力传感器的内部算法，会解耦各方向力和力矩间的干扰，使力的测量更为精准。高精准度的军用六维力器，可以确保在六维度联合承载的情况下，测量值偏 差在量程的 0.3%FS 以内。所以，需要精准测量的情况下，六维力传感器的效果更 佳。

2 力传感器市场空间巨大，新兴应用开拓市场

2.1 力传感器需求不断增长，以称重传感器需求为主

从传感器整体市场现状来看，据华经产业研究院统计，2016 年以来我国传感 器整体规模表现为快速扩张远高于全球增速，占比全球市场份额持续提升，2021 年我国传感器市场规模达 2975.1 亿元。市场结构占比方面，以中低端传感器为 主，压力传感器和图像传感器占比稳步提升，2021 年分别占比 17.9%和 10.3%， 是目前国内占比最高的两种传感器。 从市场规模来看，国内应变式传感器市场规模稳健增长。据华经产业研究院统 计，2021 年中国应变式传感器市场规模为 26.4 亿元，同比增长 15.2%，预计 2022 年中国应变式传感器市场规模将达到 30.57 亿元，2016-2022 年间 CAGR 为 14%。

供需方面，我国应变式传感器需求量大于产量。据华经产业研究院统计，2021 年我国应变式传感器行业产量为 948.9 万只，需求量为 1032.1 万只；据华经产 业研究院预计，2022 年产量及需求量分别达到 1122.6/1211.2 万只。

从市场需求组成来看，由于医疗机器人、人形机器人、工业领域运用的协作机 器人发展时间还相对较短，市场需求量相比于传统的称重传感器小的多。以国内的 常规传感器供应商柯力传感为例，公司在称重传感器产品基础上拓展称重物联网 市场，称重物联网指的是其感知层的传感器主要测量物体或过程的重力信息的物 联网，主要由数字电子衡器（轨道衡、汽车衡、电子皮带秤等）、红外摄像仪、数 据/视频通讯模块、GPRS 模块、数据服务器和计算机应用软件组成。其产品根据 弹性体材料分类包括钢质传感器和铝质传感器两大类。合金钢为钢质传感器的主 要应用材质，钢质传感器广泛适用于环境较为恶劣的各类工业生产及室外场合，如 冶金、化工、矿山、煤矿、公路交通超限检测、汽车安全检测等；铝质传感器适用 于环境较好、腐蚀性小的场合，广泛用于各类商用衡器、天平、医疗设备、汽车保 养、工业及实验室计量。 根据高工机器人产业研究所（GGII）数据显示，2022 年中国市场六维力/力 矩传感器销量 4840 套，同比增长 62.58%。GGII 预计，2023 年中国市场六维 力/力矩传感器销量有望突破 6700 套，同比增速 40%左右。 从当前出货量来看，目前六维力/力矩传感器市场在整体传感器市场中占比依 然较低，尚未形成明显规模效应。随着国内参与研发厂商的持续增加，叠加下游应 用场景不断扩张，对六维力/力矩传感器的市场需求有望进入高速成长期，将伴随 着多技术路线、产品矩阵的完善、产品成本的下降以及国产化率的提升。

从国内市场看，目前国内企业在衡器等领域应用的中低端占据绝大部分市场 份额，其中宁波柯力传感科技股份有限公司、中航电测仪器股份有限公司为我国应 变式传感器龙头企业，2016 年分别占据我国应变式传感器市场 20.21％、16.22% 的份额。 从力传感器的核心零部件市场来看，据 GIR(GlobalInfoResearch)调研，2021 年全球电阻应变片收入大约 133.8 百万美元，预计 2028 年达到 150.8 百万美元。 全球市场主要电阻应变片生产商包括 Vishay、HBM、NMB、KYOWA 和 TML 等。 国内中航电测是重要的电阻应变片供应商。

2.2 力传感器相比于电流环传感方案精度更高

力传感器是机器人力感知的关键部件。ABB、安川、KUKA 等企业的机器人， 能够广泛应用于仿生、医疗、打磨、装配、抓取及人机共融等领域中，持续开发拖 动示教、人机交互等功能，除开本身具备高柔性、高自动化等优点，力传感器的作 用不可忽视。 从仿生视角来看，想要让机器人实现人的肢体操作，例如机器手，在进行抓取 等动作时，可以拆分为两个步骤，皮肤感知到物体，随后手执行抓取，而对应于机 器人的关节构成，是由布置在末端执行器与机器人之间的力传感器感知到物体，将 其反馈到机器人监控中，随后末端执行器执行抓取的动作。通过电流环、关节扭矩、 六维力传感器或电子皮肤等方式可以实现对机器人的自适应柔性控制，提高机器 人运动的安全性。

多维力矩/力传感器力控是当前力控的最佳方案，电流环传感方案难以满足人 形机器人等精细工作场景需求。目前机器人力控方案大致有 3 类，分别为电流环力控、多维力矩/力传感器力控、被动力控（弹性体），其中多维力矩/力传感器力 控是当前力控的最佳方案，其硬件包括关节部位的单轴力矩传感器和机器人执行 器末端的 6 轴力传感器。关节力矩传感器感知能力相比于电流环感知能力更优。

电流环力控是一种不增加力反馈的传感器，而用伺服电机的电流环的电流反 算每个关节的反作用力，弊端是机械臂的减速比要比较小，轻负载，精度差（低精 度要求场景下的协作机器人可能运用)。 被动力控的方案是末端执行器加弹性体，原理是位移控制，加上弹性体可以用 恒定的力之后，能够实现抓取目标物体，避免损坏；主要适用于低成本环境。 力矩传感器、六维传感器-ATI/Robotiq 机器人采用的模式。基于力和力矩， 控制精度好，感知精度高，完全独立，控制的电流波动都能感觉到。 通过力矩 传感器，施加在连杆上的外力能够很快的传导到传感器上，而电流环则是通过 K 传 感器后持续向后传递到减速器端，当外力矩增大到超过减速器的最大静摩擦力时， 减速器转动再向电机传导信号，在这之后，电流环才能够感知到外力矩。 从力矩传感器和电流环信号对外部推力增加的信号变化来看，从由于减速器 的静摩擦力，需要较大的外力，才能使电流环检测到，而力矩传感器能够较快的检 测到外力的变化，在对于性能追求大于成本控制追求的情形下，力矩传感器是更优 的传感方案。

2.3 人形机器人等新技术有望带来六维力传感器需求提升

2.3.1 人形/医疗机器人市场需求有望快速增长

六维力传感器及关节扭矩传感器主要应用于高端领域的机器人，人形机器人 市场空间大，增速迅猛。人形机器人下游应用领域按最终用户可以划分为涵盖了教 育、医疗、酒店、公共设施、住宅、零售和其他。 根据 StratisticsMarketResearchConsulting 的数据，2020 年全球人形机 器人市场估计为 5.6 亿美元，而到 2027 年预计市场规模将达到 141 亿美元， CAGR 达 58.5%。其中，2027 年中国人形机器人市场有望达到 23 亿美元，CAGR 达 56.4%。

力矩传感器也在协作机器人场景中广泛运用，例如国内广东省深圳市大族机 器人有限公司推出的 MAiRA 系列协作机器人助手，配有 3D 视觉传感器，利用六 维力控制技术提高机器人的智能性。珞石(北京)科技有限公司的柔性协作机器人 xMateCR系列，每个关节内置力矩传感器，具有超高的安全性能和运动控制能力， 采用图形化编程技术简化操作，可实现汽车零部件、3C 等不同工业场景的人机协 作生产。 医疗领域的机器人市场需求同样可观。目前，协作机器人+六维力传感器的组 合已广泛应用于手术机器人、康复机器人、按摩理疗机器人、医疗检测机器人（如 核酸检测机器人、远程 B 超机器人等）等形式的医疗康养行业智能化解决方案。 手术机器人的力感知可作为力反馈的依据以提升手术的安全性。当手术机器 人拥有力反馈功能，医生就可以精确感知机器人末端工具（或末端执行器）和人体 的相互作用力，区分健康组织和病变组织，并进行精准力输出控制，从而避免因用 力过大造成缝合处的二次损伤。因此，六维力传感器产品已成为类似应用场景中的 刚需。

根据 Frost&Sullivan 的预测，全球手术机器人市场 2020-2026 年预估复合 增长率为 26.2%。中国手术机器人行业处于早期发展阶段，增长潜力较大。2020 年国内手术机器人市场基数为 4 亿美元，2015-2020 年复合增速 35.7%，至 2026 年预期年复合增速 44.3%，达到 38 亿美元。 根据宇立 SRI 的公开数据，公司在医疗机器人领域的应用已经取得大额订单。 2014 年 Medtronic 开始研发 HugoRAS 手术机器人，2015 年 SRI 开始为 HugoRAS 提供关节扭矩传感器，2021 年美敦力获欧洲临床手术证书并成功进行 了第一例临床手术。仅 2022 年前 7 个月，SRI 已从 Medtronic 获得订单 1100 多 台。

2.3.2 从特斯拉机器人看力传感器运用

2023 年 5 月特斯拉展示了 TeslaBot 人形机器人“擎天柱”（Optimus）的全 新型号。特斯拉 Optimus 人形机器人工程机在会场展示行走能力，并在播放视频 中完成提起水壶行走浇花，工厂内搬运物品等动作，这些动作都是通过 Optimus 自身集成的软硬件执行完成，没有外部控制与外接线束，说明样机已具备一定程度 的运动规划任务执行能力。而随着人形机器人对关节的灵活度和运动精度的控制 能力进一步提升，对力矩传感器的需求进一步提升。在特斯拉人形机器人中，除手 指部分小执行器外，特斯拉机器人本体共包含多种不同的力矩/推力大小的执行器， 一大类是直线执行器，另一大类是旋转执行器。

TeslaOptimus 旋转执行器方案为：永磁无刷电机+谐波减速器+抱闸+双编码 器+力矩传感器+轴承，旋转关节的优势在于小体积，大速比，扭矩密度比较高。 直线执行器方案为：永磁无刷电机+行星滚柱丝杠+位置编码器+力传感器+轴承， 采用线性执行器驱动器关节的优势：高精度、低能耗、高负载、高空间利用率、具 备自锁能力。

人形机器人运用力传感器的主要场景包括三大类： 一、主体的力控方案根据实际需求的不同有多种解决方案，一般而言，在平面 路面上工作的人形机器人可不采用六维力传感器，但在面对复杂路况的情况下，人 形机器人需要采用六维力传感器。 方案一：主体放置六维力传感器，成本高但检测精度、信息数据量都更好。 方案二：去除六维力传感器，通过腿部关节力矩，拉压力传感器反推主体受力 情况，也可以实现力控。 方案三：主体放气囊，放气压传感器。 方案四：直接在主体内放拉压力传感器也可以做主体力控。 几种方案没有绝对的优劣，主要取决于使用场景的需求和成本的需求。

二、关节（运用于机器人的旋转关节和直线关节内部） 1）旋转关节，在减速机外部放置一个力控传感器。 2）直线关节，视电机情况，如果是旋转电机，放扭矩力控传感器，也可以在 传动轴上放一个扭矩传感器。如果用直线电机，可以在推杆上放拉压力传感器，做 直线关节的力控。

三、手部力控，主要是两种技术路线，手有直线电机，一可以在直线电机推杆 上放拉压力传感器测试力，二可以在手部内放置触觉传感器，目前来看，触觉传感 器方案更优。

就手腕部分而言，机器人一般具有六个自由度才能使手部达到目标位置和处 于期望的姿态，腕部的自由度主要是实现所期望的姿态，并扩大臂部运动范围。腕 部实际所需要的自由度数目应根据机器人的工作性能要求来确定。手腕处通常会 放置六维力传感器来满足精度的要求。 例如，机器人在执行抓取动作时，首先是视觉传感器的作用，测绘目标的三维 形状以及所有视觉内的环境，位置控制环计算得出最优的路径达到目标位置，在接 近的时候再进行补充矫正，补充矫正有多种方案。后续的手掌还会有补充的传感器， 可以放激光雷达、也可以放置另外一个视觉传感器（手掌上），便于二次定位，再 进行抓取动作，发生碰触后，力控的信号发生变化就说明已经抓到目标对象，再重 新调整位控。遵循位控接近——力控感知——力控信号出现后重新位控的流程。

3 竞争格局：国内产品更具性价比，替代潜力巨大

3.1 多维力传感器单价高，国内产品更具性价比

多维力传感器主要应用于高端需求场景，下游机器人领域客户进入壁垒较高。 目前，全球的力传感器厂商主要包括日韩、欧美、中国地区的供应商。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/力矩传感器厂商主要包括传 统的传感器生产商，包括 ATI、AMTI、Kistler 等，以及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。

目前，国产六维力/力矩传感器与海外厂商传感器在灵敏度、串扰、抗过载能 力及维间耦合误差等方面仍存在差距。但国内参与公司不断取得技术进展，宇立仪 器（SRI）、坤维科技、鑫精诚、海伯森、蓝点触控、神源生智能、瑞尔特测控等， 均已有相关的产品落地并进入产业化应用。 多维力传感器单价相比于一维力传感器有大幅的提升，国内品牌产品单价显 著低于海外品牌。力传感器的单价随着产品技术难度的提升而显著提升，国内一维 力传感器的单价大约在几十-几百元，六维力传感器在 1-4 万元，国外品牌的一维 力传感器的单价就在两千元左右，在六维力传感器单价在 5-10 万元。

3.2 国内外主要力传感器供应商

3.2.1 海外力传感器龙头厂商

海外龙头企业：ATI

ATI 工业自动化是世界领先的机器人附属产品的工程研发公司，早在上个世纪 80 年代，ATI 公司就创造性地发明了六维力和力矩传感器，它可以测量 XYZ 三个 方向和反方向的力和力矩，被广泛应用于各个工业领域，如产品测试，机器人装配， 打磨和抛光等；在研究领域被用于外科手术机器人，仿生机器人，康复机器人，以 及神经学等。

海外龙头企业：HBM

HBM 公司成立于 1950 年，总部位于德国达姆斯达特市，是全球称重、测量 和测试方面的技术领导者，产品分为传感器、数据采集系统、测量软件三大类。 HBM 公司拥有 3 个生产基地以及遍布全世界范围内 30 多个销售代理机构，主要 客户遍布全球，世界上很多著名的衡器及测量方面的公司都与 HBM 公司有密切 的合作关系。1997 年，HBM 公司在中国苏州投资设立全资子公司霍丁格包尔文 （苏州）电子测量技术有限公司，注册资金 300 万美元，主要生产电阻应变计和 应变式称重传感器，同时还全权负责亚洲地区的销售，代理 HBM 公司德国和美国 公司的全部产品，包括应变计、各种高精度钢质传感器、称重仪表、传感器附件， 以及运用于工业测量领域的压力、扭矩、位移、加速度传感器和相关数据采集系统 等。

海外龙头企业：美国威世测量集团

美国威世（Vishay）测量集团成立于 1962 年，总部位于美国宾夕法尼亚州， 是世界最大的无源半导体器件、应变片及称重传感器的最大制造商之一，目前集团 已经有 69 个制造基地，遍布全球 17 个国家，其中中国大陆有 7 家制造工厂分别 坐落于天津、北京、上海、惠州等地。其产品被广泛地应用于工业、计算机、汽车、 消费品、电信、军事、航空和医药等领域的各种电子仪器设备上。威世（Vishay） 测量集团多年来通过兼并和整合等资本运作，先后将世界称重传感器制造领域内 多个知名品牌囊括至其集团传感器事业部旗下，威世（Vishay）测量集团目前拥有 的品牌包括：STS、TEDEA-HUNTLEIGH、CELTRON、BLH、NOBEL、REVERE 等。

3.2.2 国内力传感器龙头厂商

宇立 SRI（非上市）：六维力传感器龙头企业，产品进入海外核心客户供应链

宇立仪器（SunriseInstruments，简称 SRI）由原美国 FTSS 总工黄约博士创立， 是 ABB 全球战略供应商，世界各地的机器人都在使用宇立的产品。宇立在打磨、 装配和协作机器人的力控产品方面都有一定的国际影响力。美敦力生产的腹部手 术机器人使用了宇立生产的传感器，这也标志了宇立的产品已经升级到足以满足 医疗设备生产的高要求。在产品上，宇立作为全球领先的六轴力传感器供应商，产 品应用于机器人及自动化、汽车碰撞测试、汽车耐久测试、生物力学和通用试验设 备等多个领域。自 2007 年以来，宇立仪器设计生产了 9 大系列，200 多个型号的 多轴力传感器，从一轴至六轴，都有相应的产品。 2021 年宇立上海总部开始运营，同时与库卡机器人和上汽技术中心成立了“宇 立-库卡智能打磨实验室” 和“宇立-itest 联合创新实验室”，致力于力控、视觉和 智能控制软件等技术的融合，推进工业机器人智能打磨应用和汽车测试行业的智 能化。目前宇立已拥有 4500 平米的生产车间，包括机械加工、洁净传感器生产车 间、组装车间和测试车间等完善的生产体系。

坤维科技（非上市）：航空航天领域力传感器技术出身，技术实力强

坤维科技成立于 2018 年，坤维科技的创始团队均来自航天科研机构，从事智 能型多轴力传感器研发、生产及应用近 20 年，掌握力觉测量核心技术，具备自主 知识产权。公司的核心产品——六维力传感器，以其先进的力敏元件及其固化技 术、标定检测技术、核心算法、智能化硬件，赋予机器人、精密制造、测试与测量、 航空航天、大健康等领域革命性的机器力觉产品及解决方案。坤维科技六维力传感 器产品源于航天测试技术，技术积累已有 50 余年，品控严格，产品性能稳定，准 度（含串扰 crosstalk）可优于 0.5%FS。

海伯森（非上市）： 公司专注于工业级传感器的技术创新，并具备将光、机、电、算技术综合应用 于传感器产品的研发能力和规模化生产能力，主营产品包括 3D 线光谱共焦传感 器、点光谱共焦位移传感器、超高速工业相机、六维力传感器、面阵固态激光雷达、 激光对针传感器、单点 ToF 测距传感器和激光三角位移传感器等。公司全面布局 海内外市场，旨在为 3C 电子、工业自动化、精密工件检测、医疗、科研等行业领 域提供精密智能传感技术，助力实现智慧工业和万物互联，让精密智能传感产品能 够在工业 4.0 时代更好地服务于全球用户。

4 重点公司分析

4.1 柯力传感：国内应变式力传感器龙头，多维传感器在研

公司连续 14 年在国内称重传感器市占率保持第一，现已开发可应用于机器人 的微型、测重测力、静态扭矩、多维力传感器。公司以称重传感器业务起家，是目 前全球称重领域物联网研发与推广应用的主要引领者之一，也是中国重要的称重 元件制造及销售企业之一和工业物联网产业开拓者之一，应变式传感器是公司的 核心产品。根据公司公告，公司开发了三维力、六维力等多维力传感器，可用于机 器手臂运动与工作载荷监测、曲面研磨抛光、加工中心精雕加工、医疗设备精密测 控等，具有高精度、高灵敏度、抗偏载能力强、维间耦合小等特点。目前多维力系 列产品仍处于小批量试制阶段。

公司 2022 年实现营业收入 10.61 亿元，同比增长 2.85%；2022 年实现归属 于母公司所有者的净利润 2.6 亿元，同比增长 3.58%。公司具备智能化产线，在 后续传感器的产业化生产方面具有较强的优势，能够助力传感器环节的降本。截至 2022 年年报披露时点，公司的“机械手工作检测多维力传感器研发”、“SQB 系列 称重传感器自动贴片装置研发项目”均已经处于研发状态，将赋能未来公司在多维 传感器领域的生产能力。 公司产能逐步释放，自动化产线建设加速。公司加快“自动化、信息化、智能 化”三化融合，推进宁波慈城新工厂、郑州工厂、安徽工厂三大制造基地建设。2022 年，公司实现了产能提升，并朝着“无人工厂”方向前进。根据公司公众号报道， 截至 2023 年 5 月 26 日，宁波慈城新工厂总面积 73000 平方，主体工程已于 2023 年 4 月 6 日全部完成，整个项目预计于 2023 年 12 月 30 日投入使用。郑州工厂 总面积 84500 平方，定位于面向北方市场的传感器及物联网系统集成制造基地， 主体预计于 2023 年 8 月完成，整个项目预计于 2024 年 1 月投入使用。

4.2 中航电测：国内应变片龙头，自动化产线升级

中航电测，成立于 2002 年 12 月 25 日，是中国航空工业集团公司控股企业。 中航电测是国内军民用智能测控龙头，业务分为航空军品、传感控制、智能交通及 其它四大类。航空军品主要分机载电测产品与配电控制系统、测量控制设备两大类， 传感控制主要包括感知器件、仪表软件、智能装备、控制器件、物联网装备，智能 交通主要包括机动车检测、驾培驾考业务、基于测量控制技术的车载终端系统业务 以及车联网业务、移动源环保业务、信息化系统业务。 公司的传感器平台已经进入航空发动机、航天空间站、雷达车、船舶等多个领 域，接近传感器实现快速增长，水量测量传感器获得配套机会；非航防务市场实现 战车、高能武器的应用配套；智能配电实现多个无人机型站位。

公司具备产线自动化能力，有利于对传感器进行大规模量产。公司持续加快推 进数智战略，推进智能排产（APS）开发和试点应用，传感器产线排产效率和准确度大幅提升，开启智能决策的新起点；大力推动自动化改造，报告期内推动 11 项 自动化产线、自动化测试建设项目，有效提升了自动化水平，改善了生产效率和产 品品质。

4.3 汉宇集团：投资同川科技及海伯森，布局人形机器人

公司主营业务为高效节能家用电器排水泵的研发、生产和销售，2022 年 排水泵业务营收 8.77 亿元，占比达 83%。凭借在电机核心技术方面多年的 经验积累，公司积极布局电机应用领域，截至 2021 年，已开拓终端电器、 工业机器人、新能源汽车配件等多个新业务板块。汉宇集团控股子公司同川 科技参股投资了海伯森，海伯森产品可广泛应用于先进制造、精密测量、工 业自动化等领域。 同川科技系汉宇集团控股 60%的子公司，于 2012 年成立，2015 年开 始逐步投入研发谐波减速器。公司谐波减速器产品性能位列国内第一梯队， 主要应用于工业机器人，具备年产十万台级的量产能力。目前公司在积极拓 展海内外机器人本体客户。根据公司公告，同川科技已实现谐波减速器产品 的批量生产和销售。“同川精密 TCDrive”主要经营：精密谐波减速机，伺服 电机，机电一体化模块等产品。

海伯森已入选为国家级高新技术企业和深圳市专精特新企业，公司在光 学精密测量、工业 2D/3D 检测、机器人智能应用等领域形成了成熟的产品矩阵，主营产品包括 3D 闪测传感器、3D 线光谱共焦传感器、点光谱共焦位 移传感器、超高速工业相机和六维力传感器等。根据汉宇集团公告，海伯森 生产的六维力传感器可以应用在人形机器上。2021 年，海伯森 HPS-FT 系 列六维力传感器获得全球协作机器人大厂丹麦优傲（universal-robots）独 家认证，成为国内首家获得“UR+”官方认证的高端智能化传感器研发生产企 业。

4.4 瀚川智能：投资坤维科技，完善传感器布局

公司的主营业务聚焦汽车的电动化和智能化，主要产品为汽车智能制造 装备、电池智能制造装备和充换电智能制造装备。 公司于 2021 年公司进入 换电行业，2022 年公司业务聚焦汽车智能化、电动化等主航道业务。公司 在拓宽汽车智能制造业务产品应用范围的同时，也积极进行电池设备智能制 造及充换电业务的产品研发和下游市场开拓，共同助力公司发展。 2020 年 11 月，瀚海皓星与坤维科技及其他股东签订了《股权转让协 议》，受让坤维科技 4.239%股权，对应注册资本 11.905 万元。2021 年 1 月，瀚海皓星与坤维科技及其他各方股东签订了《增资协议》，向坤维科技增 资 4.481 万元注册资本，增资完成后瀚海皓星持有坤维科技 5.485%股权。 坤维科技主要产品六维力传感器是力觉控制系统的核心部件，公司在六维力传感 器领域具有较强的竞争力。坤维科技的产品可以作为核心零部件应用于瀚川的智 能化产线中。

（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。）

精选报告来源：【未来智库】。「链接」

中国芯片往事：格科微、艾为背后的山寨机风云和ODM产业崛起

最近，模拟芯片企业艾为电子（688798）、图像传感器芯片企业格科微（688728）都上了科创板，ODM全球龙头厂商华勤也在向科创板冲刺，他们都是上海的企业。

图注：F4

艾为、格科微与同在上海的展讯和锐迪科（现在已经合并为展锐），一度被称为本土芯片设计企业“F4”。中国稚嫩的现代芯片产业，因海量山寨GSM手机而获得了巨大提升的机会。据统计，2010年在工信部备案的中国手机企业就超过了530家。

全世界做大了芯片产业的国家并没有几个，需要伟大的契机。与老百姓生活密切相关的海量整机，才可造就伟大的芯片产业。

索尼1955年推出小巧廉价的晶体管收音机，不再像电子管收音机那么笨重，从此全球家庭普及了收音机，日本的晶体管产业也开始迅速起步；APPLE 2之后，IBM定义了个人电脑，带动了INTEL的CPU发展，并启动互联网革命；汽车自动化生产和汽车电子则带动了欧洲的芯片产业。

图注：1955年底推出的索尼TR-72晶体管收音机，摄于上海无线电博物馆

中国台湾联发科的带头人蔡明介被称为“山寨之王”。有山寨GSM功能手机背景的大陆芯片企业包括展讯、锐迪科、艾为、格科微、卓胜微、安凯微、汇顶科技、思立微等众多企业。华人创立的硅谷企业豪威更被韦尔股份所收购，中国台湾敦泰因重兵深圳被认为是大陆本土企业了。

如果从手机拓宽到电话机、MP3、平板、体重秤等众多的消费电子，则还有瑞芯微、珠海炬芯、全志、芯海、天讯龙等诸多的芯片企业。这样的精神流传至今，最新一波的蓝牙TWS耳机，造就了系统级芯片恒玄、中科蓝讯、杰理、大鱼等。

图注：2011年手机中国联盟成立合影

从更为艰难的晶圆制造角度来看，领头羊中芯国际也在山寨GSM手机的海量芯片上急剧放量而成功做大。

当时，工业与信息化部产品管理司主管处长乔跃山曾说过：从政府角度看中国手机企业并无山寨与品牌之分，只有合法与非法经营的区别，只要合法经营都是中国手机的一部分。

2007年以前，中国手机生产有严格的牌照制度。有了牌照之后才能送手机新型号去北京的泰尔实验室测试和备案，一款手机要花几十万费用和几个月时间。

核准机型后才能申请信产部进网证编码、手机型号编码、手机串码等号码。手机的IMEI号实际上并没有多大用处，我在海外亚非拉地区卖了多年的GSM设备，运营商很少购买EIR（设备标识寄存器）来管理手机的IMEI号码。印象里只泰国AIS用过一段时间，主要是为了卖手机赚钱，不让外面买的手机入网，但后来AIS也不这么封闭了。

技术进步和市场充分分工带来了山寨机革命，这其实代表了一种新的商业模式，不斥巨资去申请手机牌照，也干脆省去了冗长的备案和测试，而充分让利给最终消费者，因此受到热捧。手机业内用”三码机”“五码机”来称呼这种手机。

在受到山寨机冲击后，国家也顺应市场形势，2007年10月，国务院宣布取消手机生产核准制，手机牌照时代正式终结。深圳也设立了手机检测实验室（泰尔实验室），加快测试速度并降低费用，但大部分亚非拉国家并没有测试能力也不做强制要求。

当手机产业发展到一定阶段，便与严格的牌照和昂贵的检测制度发生矛盾，一时间，山寨机、白牌机风行，由此废除了牌照制度，检测费用也大大降低。

GSM被看衰，却让人类文明水平大提升

今年，随着4G繁荣和5G到来，全球很多运营商都在关闭老的3G网络，数据业务主要是4G（以及5G），却还保留了古老的GSM (2G) 网络用作语音通话。

中国移动、德国三大运营商、英国运营商EE、荷兰老大运营商KPN等都做了同样的选择。

中国移动用户拨打电话，主要还是用古老的GSM技术。通信人都在感慨：GSM的生命实在太漫长，已经30年了，还会延长下去……

GSM技术和几乎每个人的生活都息息相关，也带动了中国的基站、手机和芯片产业。趁着记忆还在、岁月未老，记录下这段历史。

1、GSM大发展，干掉了大哥大

1990-91年，GSM在欧洲诞生。1994年，GSM进入中国。

GSM所到之处，大哥大迅速消亡。然后我们管GSM称为2G，再返回去称大哥大叫1G。

1998年，当年从南山去华强北就是“进城”，我斥“巨资”2000多元买了一部诺基亚5110手机。

1998年，中国第一批国产手机潮开始发展，并在2003年达到高峰，波导等众多品牌从辉煌到衰落，为后来的山寨机辉煌奠定了供应链基础。

图注：飞机中的战斗机是波导的成名广告

2、2004年，全球业界陷入3G迷雾

有2G干死1G在先，所以3G定义标准的时候，也决定要全面替代2G。一方面要实现超越2G的语音质量，另一方面还要提供高速移动数据业务。几个3G标准都搞得很复杂，还相互激烈竞争。

1999-2000年，欧洲发了不少3G牌照。经过几年的惨淡发展，到了2004年，整个通信产业界普遍认为3G技术已经磨练成熟了，2G总该到了淡出江湖的时候了吧。

我们在海外一线的销售人员，得到的总部指导意见是：GSM时代已经过去了，以后不要卖GSM基站了，要卖就卖3G基站；要引导客户上3G，让GSM逐步退网。当年也是年年都传说“明年发3G牌照”。在彼时的大环境下，有这样的指导意见也一点不奇怪。

3、2005年，孤身拓展出GSM盈利模式

2004年，当年还是小兵的我孤身一人被华为派到菲律宾市场。这里的电信渗透率达40%，和中国差不多。总部认为2G已没有机会，要做也是看未来的3G机会了。

将在外军令有所不受！深入马尼拉城乡底层进行调研，我坚定地认为GSM是菲律宾老百姓最需要的通信技术，而且大有“钱景”。

GSM终端很便宜，普通老百姓消费得起。

当地市场有大量的GSM二手机，价格很低，最便宜的仅人民币一两百元左右，老百姓可以轻松拥有。反观当年的3G手机新机，价格2000元起，种类少，且没有二手市场。

年轻时代的我也是热血的数码爱好者，不像现在连铃声都懒得换。2000年在华强北淘到过摩托罗拉A6188的二手机，比新机便宜很多。该机被认为是全球第一款智能手机，支持中文手写，也很好满足了基本通信要求。

短消息资费很便宜，菲律宾年轻人都会单手输入短消息，速度快，发消息就好像今天我们微信聊天一样。马路上用相当于人民币5元就可延长SIM卡的有效期一个星期，收发短消息、只接听电话（免费）。

一个类似中国小灵通网络的宝贵机会窗口出现了。

图注：99年底推出的摩托罗拉A6188

前两大运营商Smart和Globe占领了超过90%的市场份额，尽管是单向收费，但是通话费贵。第三大（市场份额5%）运营商Sun Cellular（DMPI）就好比中国电信的小灵通，资费很便宜，网内通话和短信包月，而年轻人煲电话粥的动力无比强大，所以业务量暴涨。高峰时刻系统拥塞严重，需要大幅扩容，但原有西方供应商设备价格高昂，所以迫切需要廉价的设备。就这样，我孤身一人拓展出了将首都马尼拉GSM网络整体搬迁的项目，整个项目的盈利非常丰厚。

一番努力不表。华为于2005年成功交付了这个项目。用户量持续暴增，2006年Sun继续网络大扩容。马尼拉高楼林立，人口超千万，这是全球业界首次在如此复杂的环境下进行全面替换。这个项目真正实现了运营商、设备商、广大用户的“三赢”。

4、2006年，全球走出迷雾重新重视GSM，人类文明大提升

这个项目给全球业界巨大的震动。从1998年卖GSM基站以来，华为第一次真正找到了无线业务的盈利模式，率先走出了3G迷雾，迅速扭转拓展方向，从主要拓展3G市场，转为面向全球积极主动拓展GSM市场，大规模替换原有网络是最好的进入手段。

就这样，2006年开始，全球移动运营商都认识到：GSM的2G技术依然是主力，要大力建设，3G只是在热点地区承载话务量。

以中国为例，从2006年成都移动大替换开始，到2009年3G发牌照之前，高达1/3的GSM基站都替换成了华为和中兴等国产机型。华为首任亚太总裁王诚也表示：GSM基站是在海外先成功之后，再打回国内市场的。

2006年，我去安徽绩溪的大山里旅行，有GSM信号的山村率先开展了民宿业务，没有信号的地方则天天盼信号。一个小伙子对我说：如果我这里有手机信号，就去城里网吧到各个旅游论坛发帖，我家也可以搞民宿和旅游！

当白山黑水都有了基站信号后，手机就有了用武之地了。要想富，先修路，有路就会有车！

2006-08年我去了巴西、印度、埃及、尼日利亚、赞比亚等地，感受到了现代通信文明进步给亚非拉广大老百姓的生活真真切切带来巨大变化，再也不用走崎岖山道到城里数着字儿拍电报、排长队打长途电话了。发出一个短消息，瞬间就可通达世界另外一端。

手机替代了座机。

5、2006年，山寨机崛起，得“屌丝”者得天下

全球新增用户的购买力越来越弱，平均年龄也不大，来自中国的功能丰富、价格便宜的山寨GSM手机就成为很火的产品。

无数人的第一个电话，第一条数据信息（短消息），第一张数码照片，第一个玩的电子游戏，第一首数字音乐，都来自GSM山寨手机。中国山寨机的辉煌时代来临了！

图注：名车外形的山寨手机，摄于华强北博物馆

亚非拉很多地方连电都没有，却在仿佛一夜之间，获得了现代信息科技。如何解决充电的问题？村口小店用发电机来充电或者汽车流动充电或者太阳能充电；手机待机可长达十几天；一个手机可以有几块电板，“万能充”是很好的东西。

白牌机或小品牌不做品牌营销，质量却往往并不比品牌机差，最大程度地让利给老百姓。光怪陆离的外观和极低的价格，瞬间得到了消费者们的青睐。这里不仅有老人机和儿童手表，还有双卡双待乃至四卡四待、大喇叭（震天吼）、低音炮、跑马灯、氛围灯、长待机、可使用干电池、集成收音机和电视等繁多的功能。

图注：华强北流传至今的老人机

华强北从电子元器件分销开始，有了“中国电子第一街”的身份。华强北是一个港口，时代的大船给过一张又一张船票，看清时代的，走向战场，也走向殿堂；沉湎过去的，留在过去，也迎接失望。

Made in SZ，深圳的缩写SZ和山寨一样，深圳也因此有了“寨都”的调侃说法，正如上海的“魔都”和北京的“帝都”。

6、“破坏式创新”，目标客户群巨大变化

20世纪前半期最重要的创新学派奥地利经济学家熊彼得所称的“创造性毁灭的过程”，“通过新产品、新市场、新产业组织，不断地破坏旧结构，创造新结构”，这是一个很正面的经济学力量。

传统品牌手机基本都在千元以上，目标客户是有购买和支付能力的中产阶级。

山寨手机“破坏式创新”则将客户扩容到了全球几乎所有的老百姓，满足他们对通信、信息、照相、娱乐的普遍需求。

哈佛大学商学院教授克里斯汀生在著作《创新者的两难》中提出，市场赢家最常掉入的陷阱是：当他们站稳脚步后，把资源放在维持现有的事业和顾客，而忽略从边缘冒出来的破坏性竞争者，破坏者以打开低价或新顾客群的策略，慢慢掠夺市场，最后并吞市场在位者的顾客与事业版图。

换一句话说，“中国制造”使得全球老百姓们加速进入了信息时代，为人类文明作出了贡献。

坊间称为“山寨手机教母”的荣秀丽的故事是一个典型。2002年，荣秀丽在手机代理业务中赚了第一桶金之后，以1000万元人民币注册天宇朗通公司，成立没有手机牌照、没有手机研发历史、没有手机生产能力的“三无”企业。天宇朗通一年的亏损就高达8000万元，原有芯片技术方案难以为继，只能放弃。天无绝人之路，联发科推出手机芯片，与天语一拍即合，一揽子方案使得开发与物料成本大降。荣秀丽投资了手机方案设计公司，生产则外包给富士康与比亚迪等代工厂，在不打广告不请代言的情况下，2007年天语手机的出货量达到了1700万部，2008年为2400万部，在中国市场仅次于诺基亚，荣秀丽也因此被称为“山寨手机教母”。智能手机兴起后，天语离开了大家视线，荣秀丽任董事长的射频芯片公司唯捷创芯却浮出水面，正在冲刺科创板。

ODM群体崛起，带动了本土芯片产业发展

八十年代，中国台湾有了一些个人电脑PC的ODM（Original Design Manufacturer原始设计制造公司），如生产电脑主板的三巨头华硕（1990年成立）、技嘉（1986年成立）和微星（1986年成立）等。去电脑城攒过机的，对主板都清楚得很。

一些台湾芯片企业跟随PC的ODM产业发展起来，最典型的是联发科。1997年，联电决定跟着台积电走专业晶圆代工的道路，舍弃芯片设计。蔡明介与他带领的多媒体芯片设计部门因此独立出来，成立联发科。联发科以“三流价格、一流质量”，成功在电脑光驱芯片、电脑CD-RW（可擦写光盘）芯片市场上做大。

今天我们来看这段历史，大陆的手机方案设计（IDH）和委托设计制造（ODM）公司也起到了带动本土芯片发展的巨大作用。

上个世纪末开始的第一波手机潮中，最初主要采用韩国和法国（如波导采用的萨基姆方案）等地的手机方案。这个过程之中，本土的手机设计力量培养了起来，比如中兴上海第二研究所、摩托罗拉中国研发中心、TCL等。

2004年，联发科和展讯芯片诞生，中国先后有了数百家手机方案公司，山寨机浪潮因此诞生。

手机方案设计行业是山寨整个产业里面最成熟的一个环节。方案公司使用联发科、展讯等公司的芯片和整体方案做整体软硬件开发，制造厂“照单买药”负责采购零件、芯片和制造，生产电路板。市场上有了很多功能性主板，包括直板机、折叠机、滑盖和翻盖机的主板（公板）等，颇类似于台湾产的电脑主板。

华强北的档口最少只要三个人就可以做手机了：一个人研发、一个人采购，一个人销售。拿到电路主板之后，加上特色外壳、屏幕、键盘、电池，就是一部手机了。这个逻辑，其实和电脑城组装个人电脑差不多。

通过“堆料”做一个功能强大但是成本高昂的手机并不难，难的是如果做出一个又便宜又可用的手机。国产自主设计力量在抠BOM成本上非常有一套。国产芯片因为价格便宜，功能也不差，因此容易获得进入市场的机会，个别芯片最低到了一分多钱（美元）一颗。

中国曾一度有数百家方案公司，尽管大浪淘沙，绝大部分方案公司都已随着山寨机退潮消失在历史之中，但是他们对中国整机、芯片产业的历史贡献是客观存在的。也正是在他们前赴后继努力的基础之上，才有后来“华米OV荣传”等知名品牌。

手机方案设计和制造本来是分开的两个行业。笑到最后的方案公司纷纷自己建厂搞制造，发展成为ODM（委托设计制造）产业，并成为了大陆品牌手机、三星、外资品牌笔记本电脑的供应商，或者细分特色市场，比如如蓝牙耳机供应商。

疫情期间，一度全球停摆而中国独忙，中国ODM业务暴涨，连三星和苹果电脑都有不少业务给了中国的ODM大佬们。

爱集微陈云荣曾经在手机产业工作多年，他认为，历史上，很多国产芯片都是由方案设计与ODM公司率先验证和引入的，他们没有导入验证过的芯片，品牌手机公司很难直接应用。

回顾方案公司群体涌现的历史，有“北摩托创业系、南中兴、TCL和波导创业系”的说法，让我们看看这些站立潮头的风云人物们。

中兴创业系表现非常亮眼，ODM产业前三大巨头华勤、闻泰、龙旗都是中兴创业系。沧海遗珠，这是中兴通信为社会做出的巨大贡献。

宫正军曾任中兴通讯手机事业部总经理，2000年加盟晨讯科技，以他为主导创办了希姆通（上海），这里又演绎出移远通信等公司。2002年，杜军红创立了龙旗，2005年新加坡上市。“千元机巨头”华勤即将在科创板上市，从手机横向拓展到了笔记本电脑产业，创始人邱文生是中兴手机研究所007号员工。曾任中兴手机南区销售负责人的张学政在2005年创立了闻泰科技，神操作借壳上市后蛇吞象收购了安世半导体（原恩智浦的标准产品部）。也是在2005年，熊碧辉创立了优思科技，最早做出了模拟电视手机方案，从印尼开始曾在海外红极一时。王慷2006年创立深圳市有方科技做通信模块。

北方的摩托罗拉创业系在历史上有过深深的痕迹。小米的硬件创始人周光平出自摩托罗拉手机系方案公司，是东南大学校友。2006年，清华大学90级许志翰创立卓胜微，天使投资人是大学同班同学姚立生，而姚立生在之前投资了摩托罗拉系方案公司德信无线并获得了第一桶金。德信无线的董事长董德福曾是摩托罗拉北亚区销售经理，曾任德信CEO的霍宝庄现在已经是知名ODM企业福日电子旗下中诺通信的董事长。做通信模块的移远通信董事长钱鹏鹤曾任杭州摩托罗拉手机公司测试工程师。

“寨都”深圳在手机方案上自然不遑多让。

“大哥大”销售员林震东感受到华强北电子市场里人们对移动通信产品的热爱，于2005年创立了天珑移动，成立之初就推出了全球首款GSM双卡双通手机，可谓是行业的先驱。

波导系有两拨来深圳创业。研发高管王左创立了方案公司深圳赛特尔。曾任波导手机海外业务总经理的竺兆江，创立了传音品牌，从帮非洲老百姓“美白”开始，成为“非洲手机之王”。

TCL收购了阿尔卡特手机，提升了研发能力。深圳方案公司和兴基业（现称沃特沃德）和ODM企业财富之舟的共同老板蒋壮曾是TCL手机的商务部门负责人。出自TCL的卢大伟创立的创翔通信曾在展讯方案功能机上做得不错。

车联网和物联网也是从GSM模块起步的。通信模块产业上，上海的芯讯通和龙尚（均被日海通信收购）、移远通信、合宙，深圳的广和通、有方、美格，广州高新兴，都做得不错。

今年，爱集微咨询在深圳机场立了一块大广告，因为芯片公司的老板们经常要来深圳和东莞，这里不仅有手机大品牌、通信模块企业，还依然有不少方案公司和白牌整机可以帮助实现新芯片的验证。

联发科、展讯、艾为、格科微的故事

1、电话机芯片和DVD芯片的一揽子方案

华强北本来是卖电子元器件的，面对的都是国内的研发和制造单位。上世纪末期，电商未兴起时，华强北逐渐成为面向海内外客商的整机批发市场。

华强北的白牌机档口，有非常敏锐的市场意识，内外商云集。一类是代理，拿人家的货来卖的；一类是自己有工厂，拿外面方案公司的方案生产，再在自己的档口卖，所谓”前店后厂“。

芯片的一揽子解决方案是大陆白牌产业成功的关键，电话机产业是始作俑者。

上个世纪末，南方涌现了数百家新生的电话机工厂。深圳有了做一揽子解决方案的芯片公司。叶晶创立的天讯龙搞了个MCU单芯片方案，同时赠送全套的嵌入式软件、电路板图，下游厂家几乎什么软硬件研发都不用做，专心做好外壳和销售就好。张帆创立的汇顶也是从此起家。

在2000年11月成为联发科“1号大陆干部”的杨承晋（现森国科CEO）分享了联发科的DVD芯片成功历史。联发科DVD单芯片解决方案集成了模拟信号前端处理、光盘伺服控制、音视频解码、CPU等，成为了一颗系统级芯片（SoC），整机成本因此大大下降。做SoC的并不止一家，所以联发科还提供系统软件以形成软硬件整体解决方案以超越对手，在2003年前后曾在内地市场占有率一度超过70%。

2、联发科和展讯推出手机一揽子芯片解决方案

GSM品牌手机公司都锁定了合作芯片，如TI（德州仪器）、ADI、Skyworks, Agere, 英飞凌、摩托罗拉飞思卡尔、飞利浦，ST-ERICSSON等。开发手机的资金和人才门槛都非常高。陈朝晖告诉我，当年任正非去诺基亚参观，看到手机部门就有9000名开发人员，而华为整个公司当时也只有几千人，任老板回来就断了做手机的念想。

联发科发现GSM手机芯片是一个巨大的高成长机会，有很多小企业感兴趣但研发能力都非常薄弱。于是用了四年，在2004年攒出了一个GSM手机芯片TURNKEY解决方案。卖芯片再免费赠送整个软硬件解决方案，买芯片送大礼包！深圳的山寨机客户最多，彻底颠覆了只有巨头才能做手机的模式。

2001年，展讯在上海成立，最早的融资之一还来自联发科的蔡明介。展讯也在差不多时候研发出了GSM基带多媒体一体化芯片。联合创始人陈大同回忆说，展讯CEO武平建议“挂羊头卖狗肉”，找钱时说要做3G，拿到钱后，先做GSM芯片。

国家移动通信重点实验室所在的东南大学在基带上有很多积累，我有很多校友在无线领域做出了成绩。2006-13年，董霄剑曾任展讯通信首席科学家；邹求真在1999年当上高通副总裁，彼时年仅25岁，2011-13年担任了展讯的CTO。华为最早无线研发总经理徐文伟、早期GSM研发负责人刘江峰和基站产品经理朱浩冰、华为5G首席科学家童文、中兴负责5G行业产品的副总裁陆平，都来自东南大学。

2、山寨机的兴盛与衰落，联发科与展讯双雄竞争

最初的两年，无论是联发科还是展讯的方案都苦逼得很。直到2006年，全球运营商认识到GSM将长期存在，于是开始大建GSM，新增用户购买力越来越低，所以山寨机手机市场启动了。

海外本地品牌也在崛起。2006年，在印尼做贸易的Ahong建立了HITECH品牌，卖当地人以前从未见过的带电视功能的手机。HITECH请了当地明星代言，这是东南亚第一个本土品牌。

2008年-2010年，山寨机达到了高潮。

很接华强北地气的联发科实在是骁勇得很，不愧是“山寨之王”。

图注：HITECH H.39机型，连续两个月在印尼排列单款第一

2008年，展讯一度陷入低谷。李力游LEO是大厂销售总监出身，据传有一顿两斤高度酒的海量。展讯避开联发科的锋芒，推出适合印度等地市场的性价比更优的芯片。

老杳当年坚定认为展讯能从联发科重压下获得20%的山寨机主芯片市场。展讯也确实做到了，股价从最低几毛钱一度上涨到了二十多美元。

2010年，是转折之年，政府对华强北进行治理。山寨机进入第二个阶段，抛弃了白牌策略，纷纷转型为品牌厂商，手机行业品牌有数百家，百花齐放、鱼龙混杂。

2011年小米推出1999元低价智能手机，中国手机快速走入了智能手机时代。功能机为主的山寨机逐步走向了覆灭。2013年，我去华强北，买了一个小米充电宝，样子好看并且价格很低。移动互联网电商兴起，华强北从巅峰衰落，往年一铺难求的场面成为了历史。

图注：华强北很多位置不好的铺面空置了

国产品牌机告别世界之交的第一波崛起后，走向了依赖运营商渠道的“中华酷联”时代，然后又走到了华米OV”新时代。

唯有“波导”系的传音，穿越时光隧道，凭借8美元的功能机和50美元的智能机，成为“非洲机王”，笑到今天。

一代颠覆一代，本身就是山寨精神带来的“严重后果”。

3、艾为的双SIM卡驱动器、音频放大芯片

艾为于2008年成立，专攻模数混合芯片，正好遇到了功能机火爆的时候。创始人孙洪军与我一起在南京浦口山区的东大新区里憋了一年。最大的乐趣是捉小龙虾和螃蟹，现在那里变成了高逼格的南京集成电路大学了。

图注：2019年艾为11周年，孙洪军、韬盛殷岚勇与作者戴辉（最右）。

艾为第一颗成功芯片是双卡双待SIM卡驱动器。

乔老爷子做苹果手机的三不主义：不大屏、不双卡、不美颜，不过，继承者库克全都做了。2018年发布的iPhone XR，在中国等地区终于支持了双卡，但依然不包括欧美等发达国家。

早年我在印度和东南亚工作的时候，就发现同一城市的网络运营商较多，在印度，同一个城市同时运营的移动公司多达10多个。网内的通话资费很便宜，跨网通话就会很贵，所以很多人有两个手机。菲律宾的年轻人就往往有一个大运营商的卡，覆盖很好，但资费较贵，再买一个小运营商Sun的卡，和家人煲电话粥，不限时长，主要覆盖城市地区。

双卡双待双通手机诞生。

2005年，敢为人先的天珑移动挖掘了双卡双待的需求，找了王斌创立的大友迅捷一起设计，首次将两套GSM基带、两套射频芯片做到了同一块电路板上，实现一机两卡，并可相互拨叫。双卡市场被引爆了。大友迅捷在多卡多待方案上做了有价值的工作，王斌本人后来就干脆成为了天珑移动的研发总经理。

双卡双待单通诞生，只需要一套基带和射频电路，可以节省不少成本。这首先需要协议栈支持，联发科和展讯在这个领域的协议栈都做得很好。单通意味着：两张卡可同时待机，但不能同时或相互通话。

图注：艾为双SIM卡驱动器

这里要用到一个开关电路，叫SIM卡驱动器，艾为电子在这个领域做得最大。艾为的多SIM卡驱动器AW63XX单芯片可实现多SIM卡的控制，相比同行更节省PCB电路板面积，一度有60-70%的全球市场份额。

双卡双待发展到三卡三待和四卡四待。共用一套射频和基带就可以了，充分体现了中国人的智慧。

2010年，国外的Gsmarena网站展示了一款来自中国的OTECH F1手机，引起了热议。这款手机有令人叹为观止的四卡四待功能，还支持移动电视、FM收音机、蓝牙、以及一枚标注为1200万像素的摄像头和全键盘。

艾为第二颗起家的芯片是音频功放芯片，并延续至今。

手机的普及率逐年上升，其所具备的功能也越来越多，还涌现出了主打播放音乐功能的手机。大喇叭手机（震天吼）风靡，海外很多人喜欢听歌跳舞，又没有音响，就直接用手机外放了。

但受技术限制，当时的手机扬声器驱动器设计普遍存在缺陷，音频输出过大就会造成严重失真，影响音质。

艾为电子于2010年推出了第一代模拟接口K类音频功放产品大大缓解了这种情况。与传统音频类功放产品相比，该产品突破了手机锂电池电压的限制，使音频功放可以输出更大功率，并采用了获得专利的防破音限幅设计，让音乐声放大的同时保持波形不失真且不发生破音，一举获得当时功能机用户的青睐。

爱集微卢秀勤回忆历史，艾为提供芯片，还可根据不同喇叭腔体结构提供音效优化服务，她曾陪艾为联合创始人郭辉去多家手机方案公司做整体音效解决方案的培训讲座。

4、很多人的第一张数码照片是在格科微CIS上感光

赵立新来自大名鼎鼎的清华大学电子工程85级，后来去硅谷工作。

广州安凯的胡胜发曾经是清华大学创业协会会长，号召在校学生搞科技。毕业之后，他继续劝说美国的校友归国创业。据说至少有两个人受到过他的“蛊惑”，一个是格科微赵立新，还有一个是卓胜微许志翰。

赵立新来到深圳，从中学同学那里，获得了第一笔天使投资200万美元。赵立新故意说低了创业难度，同学直接信了他。

格科微于2003年在上海张江成立，专注做CMOS图像传感器，并和中芯国际合作。赵立新以前的工作和张江并没有交集，纯粹因为张江浓厚的芯片氛围而来。

2008年山寨机火热，格科微从PC图像传感器转向手机图像传感器领域。格科微为了和硅谷豪威差异化竞争，就专门针对山寨机市场开发性价比高的产品。2009年，格科微占据了全球低端图像传感器超过50%的市场份额，并成为中芯国际最大的本土客户。

曾任硅谷豪威高管的杜峥（现芯视达CEO）介绍，当年豪威投资了苏州晶方科技，从海外引入了WLCSP先进封装工艺，而晶方后来成为了格科微的主要先进封装基地之一。

格科微和艾为一个做图像，一个做声音，一直如影相随，江湖上也留下了“互怼”的故事。

2012年3月27日，艾为孙洪军发表了一条微博：“两年前此时，艾为的出货数量比格科微高个10多percent, 去年此时，我们出货数量比格科微低个20percent, 很久了，终于这个月可以再度超越格科微了，哈哈，我们不比质量，只比数量。@格科微_吴新楼 加油”。有网友在评论中说此举是艾为向格科微发出了挑战书，称之为“叫板”。当时任格科微副总裁的吴新楼则还以一则打油诗：“八三哥一震吼，小楼抖几抖；新高算个球，下月让你愁。” 算是在嬉笑中给予回应。

经过华为、艾为、锐迪科、开元等知名公司的芯片老革命焦建堂（焦叔）回忆本土芯片崛起历史，他认为贴近客户需求，和自主设计的手机/模块紧密合作，是成功关键。

结语

联发科与展讯提供了一揽子解决方案，众多方案公司设计了物美价廉的GSM手机，这是一个技术和商业模式的破坏性创新。本土芯片供应链“芯火”燎原！同样的技术路线也带入了智能手机时代，连巨头高通也为普罗大众提供了类似的芯片解决方案QRD(Qualcomm Reference Design)。中国的ODM力量群体崛起，一直在发光。进入“华米OV传荣”时代后，本土芯片遭遇了一段时间的压力，随后再次适应品牌时代而顺势成长。最终的得益者是全球的广大老百姓。

时光似箭，日月如梭。中国手机、方案和芯片行业这些年发生了肉眼可见的戏剧性变化，真是几家欢乐几家愁啊。

有歌唱到：

滚滚长江东逝水，浪花淘尽英雄。是非成败转头空。

青山依旧在，几度夕阳红。

白发渔樵江渚上，惯看秋月春风。一壶浊酒喜相逢。

古今多少事，都付笑谈中。

栏目主编：王海燕 文字编辑：王海燕 题图来源：上观图编 图片编辑：苏唯

文内图片作者提供

来源：作者：戴辉

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