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機器人外部感知能力需求提升，傳感器為發(fā)展重點。人形機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度快，特斯拉Optimus、Figure、優(yōu)必選等國內(nèi)外機器人性能持續(xù)提升，有望步入量產(chǎn)階段。對于人形機器人商業(yè)化而言，機器人內(nèi)部與性能相關的力感知能力和與外部交互相關的觸覺、視覺、聽覺能力都極為關鍵，直接影響機器人可使用的范圍。機器人各精密加工零部件國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈逐步走向成熟，傳感器有望成為下一國產(chǎn)替代重點。

本文主要內(nèi)容：

中國人形機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

力/力矩傳感器

觸覺傳感器

IMU慣性傳感器

視覺傳感器

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人形機器人傳感器概況

1.1 中國機器人市場空間廣闊人形機器人技術高速迭代，產(chǎn)業(yè)落地指日可待。近年來人形機器人行業(yè)發(fā)展迅速，以特斯拉人形機器人為例，自特斯拉于2021年宣布進入人形機器人領域以來，特斯拉機器人Optimus已經(jīng)具備獨立行走、視覺定位、精準施力等能力，目前已經(jīng)在工廠進行工作測試，進化速度快，并有望快速實現(xiàn)量產(chǎn)。除此之外，國外Figure機器人、波士頓動力機器人，國內(nèi)優(yōu)必選機器人、宇樹機器人等也在持續(xù)提升性能中。隨著各類人形機器人性能的不斷精進，人形機器人商業(yè)化速度正在加快。中國機器人產(chǎn)業(yè)日益蓬勃發(fā)展，市場空間廣闊。據(jù)IFR（國際機器人聯(lián)合會）統(tǒng)計，中國擁有全球機器人最大的市場，2022年工業(yè)機器人銷量約占全球市場總額的52.5%。中國機器人銷售總額從2017年的64億美元增長到2021年的142億美元，CAGR達22.05%，預計2024年全國機器人產(chǎn)業(yè)市場規(guī)?？蛇_251億美元，是未來產(chǎn)業(yè)的新賽道。1.2 傳感器是機器人邁向智能化的基礎人形機器人的運行離不開傳感器。機器人在工作過程中，通過特殊的設備感知關鍵狀態(tài)、經(jīng)過微處理器、計算機或神經(jīng)網(wǎng)絡處理分析后，交由機械臂、輪子或推進器等移動裝置或加熱設備、制冷設備等非移動裝置執(zhí)行相關工作。用于感知外部狀態(tài)或機器人自身狀態(tài)的設備被稱為傳感器。它能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。敏感元件感知并測量外界物理變化，并產(chǎn)生信號，轉換元件通過將敏感元件傳輸?shù)男盘栟D換為電信號，實現(xiàn)信號的獲取與輸出。傳感器是人形機器人邁向智能化的基礎。在人形機器人在智能化發(fā)展過程中，不斷對感知、交互、運動和控制等多個模塊提出更高要求，而傳感器在這些模塊中發(fā)揮著重要作用。如特斯拉Optimus廣泛使用高精度傳感器，收集大量數(shù)據(jù)的同時，實現(xiàn)復雜的動作控制和環(huán)境感知。要提高人形機器人智能化水平，必然要求提升傳感器應用程度與控制精度。1.3 政策助力人形機器人國家發(fā)布眾多政策鼓勵人形機器人行業(yè)發(fā)展。2023年工業(yè)和信息化部等十七部門印發(fā)《“機器人+”應用行動實施方案》，加快推進機器人應用拓展，目標是2025年制造業(yè)機器人密度較2020年實現(xiàn)翻番，服務機器人、特種機器人行業(yè)應用深度和廣度顯著提升。2023年8月發(fā)布《關于組織開展2023年未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新任務揭榜掛帥工作的通知》，特別推出人形機器人揭榜掛帥任務榜單，核心基礎包括力傳感器、MEMS傳感器和觸覺傳感器等。同年10月，工信部印發(fā)《人形機器人創(chuàng)新發(fā)展指導意見》，要求夯實基礎部組件，聚焦人形機器人專用傳感器，突破視、聽、力、嗅等高精度傳感關鍵技術，提升環(huán)境綜合感知能力。加速人形機器人低成本、靈活部署應用。1.4人形機器人多類傳感器具備突破潛力國內(nèi)外多款人形機器人推出并更新迭代，其中傳感器變化明顯，為人形機器人實現(xiàn)更多功能提供可能性。根據(jù)下表中我們對人形機器人各類傳感器的價值量以及用量進行的測算，預計一整臺人形機器人的傳感器成本約為23.8萬元，如以目前樣機階段一臺人形機器人價值量55萬元進行測算，則各類傳感器合計在人形機器人中成本占比在43%左右。

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力/力矩傳感器

2.1 力/力矩傳感器測量力感信息，奠定機器人控制基礎力/力矩傳感器是測量機器人末端操作器和外部環(huán)境相互接觸或抓取工件時所承受力和力矩的傳感器，為機器人的力控和運動控制提供了力感信息，從而對完成一些復雜、精細的作業(yè)，實現(xiàn)機器人智能化其著重要作用。根據(jù)所測力的維數(shù)不同，力傳感器可被分為單軸力傳感器和多軸力傳感器。常見的有一維、三維和六維傳感器，其中后兩者屬于多軸力傳感器，且測量維數(shù)越多，收集數(shù)據(jù)越多，測量結果越精確，研發(fā)難度越大。六維力傳感器，是測量方向和作用點都在三維空間中隨機變化的力的傳感器?？臻g中的力對一個點的作用可分解為三個方向的力（Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z）和這三個方向的力矩(Mx，My，Mz)，六維力/力矩傳感器能同時檢測三維空間的全部力信息，即三個力分量和三個力矩分量，是多維力傳感器中最完備的形式。但存在維間耦合的問題，對傳感器測量精度產(chǎn)生嚴重影響，需要采用非常復雜的解耦技術減小耦合誤差得到準確測量結果。力傳感器根據(jù)其特點和功能，被使用在人形機器人的不同部位。人形機器人直線關節(jié)部分需要感知的受力情況相對簡單，可以使用一維力傳感器，我們預計在直線關節(jié)部分使用14個。手部關節(jié)可能使用一維力傳感器或力矩傳感器12個。旋轉關節(jié)部位由于產(chǎn)生轉動，需要使用力矩傳感器，預計使用14個。機器人手腕與腳踝部位由于對力控要求高，力臂變化大，一維、三維力傳感器難以滿足需求，故使用六維力傳感器，預計一共需要使用4個。2.2六維力傳感器技術路線根據(jù)敏感元件的種類，六維力傳感器可分為電阻應變式、壓電式、電容式、光學式四類。2.3 力傳感器國產(chǎn)替代率六維力傳感器出貨規(guī)模目前較小。根據(jù)MIR睿工業(yè)，2023年中國六維力傳感器出貨量不足萬臺，出貨規(guī)模剛剛突破2億元，主要應用于機器人、工業(yè)自動化和汽車等行業(yè)。《2024中國六維力傳感器市場報告》顯示，2023年中國六維力傳感器市場集中度較高，TOP10廠商占接近70%份額，國產(chǎn)宇立儀器、藍點觸控分居第二、四位。日韓地區(qū)六維力/力矩傳感器廠商主要配套當?shù)貦C器人本體廠商。其中，韓國企業(yè)Robotous、Aidin Robotics主要合作廠商包括Doosan Robotics、Neuromeka和Rainbow Robotics；日本企業(yè)Sintokogio和WACOH-TECH主要合作廠商包括發(fā)那科、電裝、三菱、那智不二越、安川等。國內(nèi)涌現(xiàn)六維力傳感器產(chǎn)品，機器人行業(yè)國產(chǎn)率高。目前，我國已有少數(shù)公司研制出工業(yè)機器人用力傳感器并形成系列化產(chǎn)品，如坤維科技、宇立儀器等，并逐步開展特殊應用領域多維力傳感器的研究。根據(jù)高工機器人統(tǒng)計，2022年國內(nèi)協(xié)作機器人六維力傳感器國產(chǎn)化率近80%。2.4六維力矩傳感器生產(chǎn)壁壘目前，基于各種測力原理的單維力傳感器技術相對較為成熟，但多維力傳感器的維間耦合問題亟待解決。維間耦合是指一個維度的輸入不僅影響著該維度的輸出，還會影響其他維度的輸出。耦合誤差的產(chǎn)生有多種原因，如機械結構、加工精度的限制、應變片的橫向效應等。維間耦合問題嚴重影響著傳感器的精度，相應的解耦方法也是六維力/力矩傳感器目前最大的技術核心。針對維間耦合問題，可用硬件解耦方法和軟件解耦方法來減少各維度之間的耦合程度。硬件解耦：硬件解耦即從傳感器的設計上來消除或者抑制耦合，涉及傳感器的制造工藝問題，包括傳感器結構設計和加工工藝兩方面。在目前六維力傳感器的彈性體研制中，十字梁結構應用最為廣泛。其結構對橫向、豎向都較為敏感，維間耦合可控，但存在動態(tài)性能和抗過載能力較差的缺點。應變片貼于彈性梁上，根據(jù)梁的形變發(fā)生應變，并轉換為能被識別的信號。軟件解耦：軟件解耦是指通過采用合適算法計算傳感器標定數(shù)據(jù)偽逆矩陣，以推導出六維力傳感器輸入值與輸出值的關系，涉及算法解耦和標定兩部分。2.5 MEMS工藝MEMS工藝適用于六維力傳感器，可代替金屬應變片測量力的變化。MEMS傳感器即微機電系統(tǒng)，指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。MEMS傳感器集微傳感器、微執(zhí)行器、微機械結構、微電源微能源、信號處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體，內(nèi)部結構在微米甚至納米級。MEMS加工技術工藝制作的微型結構主要是作為各類傳感器和執(zhí)行器，它將環(huán)境中的各種特征參數(shù)（溫度、壓力、氣體、流量等）變化通過微型結構轉化為各種電信號（電壓、電阻、電流等）的差異，以實現(xiàn)小型化高靈敏的傳感器和執(zhí)行器。2.6 六維力傳感器市場空間人形機器人腳踝及手腕部分有望使用六維力傳感器。根據(jù)以下假設，對六維力傳感器在人形機器人不同銷量下市場空間進行預測：1）?每臺人形機器人目前在手腕、腳踝部分共使用4個六維力/力矩傳感器，未來隨著六維力傳感器的技術成熟，在價格下降的同時用量有望提升；2）?六維力/力矩傳感器單價隨規(guī)模效應遞減，2024年單價約為2.5萬，隨產(chǎn)能增加，技術提升，未來逐漸實現(xiàn)降本；3）假設人形機器人2024年可實現(xiàn)出貨1000臺，2030實現(xiàn)出貨100萬臺。根據(jù)以上假設，我們預測到2030年，人形機器人銷量可達100萬臺，對應六維力傳感器市場空間可達約307億元，2024-2030年間CAGR為159.78%。國內(nèi)六維力傳感器市場尚處于探索階段，一旦實現(xiàn)量產(chǎn)，產(chǎn)量與應用將快速增長，單價也隨之下降，市場前景廣闊。除人形機器人行業(yè)外，工業(yè)機器人行業(yè)六維力傳感器需求增速同樣較快。據(jù)高工機器人產(chǎn)業(yè)研究所（GGII）數(shù)據(jù)，2022年中國機器人行業(yè)六維力傳感器銷量為4840套，同比增長62.58%，預計2023年銷量突破6700套，增速約40%。

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觸覺傳感器

3.1 觸覺傳感器多種結構力和觸覺是機器人重要信息來源。廣義上，觸覺是指壓覺、滑動、冷熱、接觸等機械刺激的總稱；狹義上，指四肢與物體接觸面上的力感。觸覺傳感器的功能是模仿生物的觸覺感受，當它與物體接觸時，可以檢測被檢測物體的一些物理性質，如溫度、形狀、紋理、材質等，并將檢測到的物理性質進行反饋，以便機器人進行下一步操作。機器人觸覺傳感器有基于電阻式、電容式、壓電式、熱釋電式、電磁式、磁電式、力敏式、光電式、超聲波、光纖等的觸覺測量方法。3.2 MEMS壓阻式傳感器的優(yōu)勢壓阻式觸覺傳感器由于靈敏度高、分辨率高、技術相對成熟且成本較低等優(yōu)點，為目前的主流選擇。在這其中，MEMS壓阻式傳感器為應用趨勢。與傳統(tǒng)的傳感器相比，MEMS傳感器具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實現(xiàn)智能化的特點。同時，微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能。3.3 指尖觸覺傳感器技術路線目前，諸多人形機器人和靈巧手都已經(jīng)開始使用指尖觸覺傳感器。如特斯拉第二代人形機器人Optimus的十指均搭載了手指觸覺傳感器，已經(jīng)可以實現(xiàn)兩指捏起雞蛋的精巧操作，且可以實現(xiàn)對指尖力的準確感知。Figure機器人搭載神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)，可以用快速靈巧的手遞蘋果給測試員，并實現(xiàn)捏盤子等操作。國內(nèi)也已經(jīng)有廠商研發(fā)出觸覺傳感器并將其使用在靈巧手中，使得靈巧手具有高力控精度與多動作實現(xiàn)功能，包括：帕西尼觸覺靈巧手DexH5：表面搭載180個多維多陣列觸覺傳感器，可實現(xiàn)捏、抓、按、提、推等基礎動作，及其復合動作（如轉、扭等），力控精度高達0.01N。上海硅步Shadow靈巧手：搭載100多個傳感器，運行頻率高達1KHz，重復定位精度0.2mm，壓力觸覺傳感器作為標準件安裝在指尖上，擁有20個自由度，24個動作。瑞森可freehandy靈巧手：使用多陣列壓力傳感器（15*15mm的面積上共25個感應點），利用CMOS工藝，組成復合傳感結構，可實現(xiàn)觸覺、滑覺的精準感知；共有6自由度，可獨立控制每根手指。我們假設人形機器人在每個指尖分別使用一個觸覺傳感器，共計使用10個觸覺傳感器。根據(jù)愛采購數(shù)據(jù)，我們假設目前每個觸覺傳感器單價為4000元，至2030年人形機器人銷量1000萬臺，考慮到人形機器人降本等因素對觸覺傳感器市場空間進行測算，預計在2030年觸覺傳感器的市場空間可超過104億元。3.4 柔性電子皮膚隨著新材料、新工藝的發(fā)展，人們不再滿足于利用觸覺傳感器采集力信息，也對模擬生物皮膚復雜屬性與功能(如皮膚自身的高柔性、自愈合、自清潔等屬性以及皮膚對溫度、濕度、硬度、粘度的感知能力)產(chǎn)生了極大興趣，于是進一步對觸覺傳感器展開了仿生研究，即開展對電子皮膚的研究。電子皮膚模擬人類皮膚，感知測量外界信息。電子皮膚觸覺傳感器被定義為能夠通過接觸，表征出被測物體的性質(表面形貌、重量等)或數(shù)值化接觸參量(力、溫度等)的設備或系統(tǒng)。是受人類皮膚啟發(fā)的柔性電子設備和系統(tǒng)，具有各種傳感功能的柔性電子網(wǎng)絡，模擬人體皮膚的功能，但不限于人體皮膚的功能。電子皮膚觸覺傳感器，又名新型可穿戴仿生觸覺傳感器，是貼在“皮膚”上的電子設備，因而習慣性地被稱為電子皮膚，或敏感皮膚(SensitiveSkin)、智能皮膚(Smart Skin)、仿生皮膚(Bionic Skin)等。電子皮膚觸覺傳感器大多被排列成矩陣組成陣列觸覺傳感器，空間分辨率可達到毫米級，接近人類的皮膚。電子皮膚觸覺傳感器種類繁多，柔性化電子皮膚觸覺傳感器適用于大面積皮膚覆蓋。大部分早期研制的觸覺傳感器多為采用硅作為主要材料的微傳感器，制造技術主要采用MEMS微機電系統(tǒng)技術，但硅微型壓力傳感器難以滿足大面積覆蓋需要的柔性化和可擴展性等要求。電子皮膚柔性壓阻式陣列觸覺傳感器除電極之外的所有部件都由軟性材料制作而成，實現(xiàn)了柔性化。電子皮膚觸覺傳感技術經(jīng)過近年來的快速發(fā)展，已經(jīng)取得了一系列的成果，但其研究和開發(fā)依然存在諸多難題：目前人形機器人電子皮膚暫未形成批量出貨，根據(jù)此前電子皮膚價格作為參照，我們假設一臺人形機器人目前需要使用的電子皮膚價值量為0.9萬元?？紤]電子皮膚降本因素，假設2030年人形機器人銷量達到100萬臺，則對應市場空間約為36億元。從實際角度出發(fā)，考慮到對于人形機器人性能要求的提升，電子皮膚覆蓋面積有望同步提升，市場空間有望超過我們的測算。3.5 柔性觸覺傳感器目前主要由國外企業(yè)主導目前柔性觸覺傳感器技術由國外企業(yè)領先，全球范圍內(nèi)生產(chǎn)商主要包括Novasentis、Tekscan, Inc.、JapanDisplayInc.、Baumer Group、Fraba Group、Syntouch、Canatu、Sensel、FORCIOT、鈦深科技等。根據(jù)研精畢智市場調(diào)研網(wǎng)，2022年全球CR5約為57.1%。

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IMU慣性傳感器

4.1慣性傳感器含多類組件慣性傳感器是一種用于測量物體運動狀態(tài)的傳感器，通常用于檢測加速度和角速度。根據(jù)測量的物理量，慣性傳感器可以分為加速度傳感器和陀螺儀。另外，也有一些傳感器將加速度計和陀螺儀結合在一起，稱為慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，簡稱IMU）。目前慣性傳感器在汽車電子、消費電子等下游均有應用。加速度計：檢測載體坐標系統(tǒng)獨立三軸的加速度信號。根據(jù)傳感器敏感元件的不同，常見的加速度傳感器包括電容式、壓阻式、壓電式等。陀螺儀：檢測載體相對于導航坐標系的角速度信號，即物體繞其軸旋轉的速率。主流慣導系統(tǒng)分為撓性陀螺慣導系統(tǒng)、靜電陀螺管道系統(tǒng)、光纖陀螺慣導系統(tǒng)、激光陀螺慣導系統(tǒng)和微機械陀螺慣導系統(tǒng)幾大類。MEMS陀螺儀的核心是一顆微機械（MEMS）芯片，一顆專用控制電路（ASIC）芯片及應力隔離封裝。磁力計：利用地磁場來定北極的一種器件。按照磁場測量方式分為磁鐵式磁力計、霍爾效應磁力計、磁電阻磁力計、磁感應磁力計、SQUID磁力計和磁力計網(wǎng)絡等，在導航、地質勘探、醫(yī)學影像和材料研究等領域有廣泛應用。在人形機器人領域一般使用磁阻力磁力計和磁感應計等。IMU（慣性測量單元）：是一種測量物體三軸角速度和加速度的設備，通常包括三個單軸的加速度計和三個單軸的陀螺儀，有時還包括磁力計。慣性傳感器應用場景廣泛。面向大眾方面，運動手環(huán)等可穿戴設備中，可使用慣性傳感器進行步數(shù)計算?？蒲信c訓練方面，國外一些運動項目如滑冰、滑雪等，已經(jīng)出現(xiàn)慣性傳感器產(chǎn)品并進行推廣，將收集到的數(shù)據(jù)進行時域、頻域分析和其他目的性算法，發(fā)現(xiàn)動作中存在的問題、規(guī)律等。工業(yè)運輸中，慣性傳感器為自動駕駛設備提供準確的姿態(tài)和位置信息來進行自主導航和操作。4.2 慣性傳感器國產(chǎn)替代空間大IMU市場份額分布相對集中，國際廠商占據(jù)壟斷地位。前三名國際廠商共占據(jù)近80%市場份額，前五名國際廠商共占據(jù)超90%市場份額。BOSCH以33%的市場份額排名第一，ST和TDK分別以25%和21%的市場份額緊隨其后。4.3 IMU市場空間IMU在人形機器人領域應用廣泛，特別是在姿勢跟蹤、運動控制和導航方面。通過測量機器人加速度與角速度，幫助跟蹤機器人姿勢和運動狀態(tài)；提供實時運動數(shù)據(jù)并分析，實現(xiàn)機器人運動軌跡、速度精確控制；檢測機器人偏移與傾斜，進行實時姿態(tài)穩(wěn)定和調(diào)整。在結合算法后，IMU提供的機器人運動信息，可用于估計機器人的位置，并根據(jù)機器人的運動軌跡構建環(huán)境地圖。幫助機器人進行環(huán)境感知并避開障礙物，規(guī)劃安全路徑。同時實現(xiàn)路徑規(guī)劃、自主探索等智能導航功能。據(jù)觀研報告網(wǎng)統(tǒng)計，2021年全球IMU市場空間約為18.3億美元，較上一年增長21.43%，是前一年增長率的七倍。據(jù)芯謀研究，2022年中國慣性傳感器市場規(guī)?？偭繛?7.4億元，IMU是市場份額最大的品類，占43.34億元，加速度計的市場規(guī)模約占26億元，陀螺儀的市場規(guī)模占比約為10%。未來幾年的主要增長驅動將來自下游自動駕駛汽車、機器人和工業(yè)設備市場的起量。

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視覺傳感器

視覺傳感器是一種使用光電傳感器件來獲取物體圖像的設備。它能夠將物體圖像轉化為數(shù)字信號，并且對圖像進行處理和分析。視覺傳感器可以用于各種應用，例如機器人、自動駕駛車輛、安防系統(tǒng)、醫(yī)療圖像、生產(chǎn)線質量控制等。5.13D視覺智能視覺傳感器可以分為量子視覺傳感、3D視覺傳感器和仿生視覺圖像傳感器。而根據(jù)圖像信息獲取維度、處理數(shù)據(jù)類型的不同，機器視覺可劃分為2D視覺與3D視覺。3D視覺能夠采集視野內(nèi)空間每個點位的三維坐標信息，通過算法獲取三維立體成像，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)信息分析得出有關目標對象在空間中的位置、形狀、體積、平面度等信息，以達到檢測、引導、測量、定位等功能。3D圖像的生成有多種技術，主流技術有：GGII數(shù)據(jù)顯示，2022年中國機器視覺市場規(guī)模170.65億元，同比增長23.51%。其中，2D視覺市場規(guī)模約為152.24億元，同比增長20.21%，3D視覺市場約為18.40億元，同比增長59.90%。從發(fā)展趨勢看，AI算法的持續(xù)改進，將提高物體檢測、分割和跟蹤的準確性，從而增強3D機器視覺系統(tǒng)的性能。通過人工智能加持，機器視覺領域正在進行底層技術突破，有望降低圖像處理門檻，提升識別精度，助力機器人識別環(huán)境，提升交互性。機器視覺產(chǎn)品按照下游需求，可以分為消費級和工業(yè)級。其中工業(yè)級3D視覺傳感器價格高昂，國內(nèi)價格在5-7萬人民幣，進口價格在10萬元以上，消費級相對較便宜。5.2 人形機器人3D視覺傳感器潛在市場空間假設人形機器人使用3D視覺傳感器產(chǎn)品，參考奧比中光的3D視覺產(chǎn)品，售價在1000到3000元不等，我們以當前約1900元/臺的價格對其市場進行預測。假設每臺人形機器人使用2臺視覺傳感器，考慮到機器人視覺傳感器降價，預計當人形機器人銷量達100萬臺時，機器人視覺傳感器市場空間可達約19億元。假設人形機器人使用2D視覺傳感器產(chǎn)品，以目前180元/臺的市場價格進行預測，同樣考慮到降價等因素，預計100萬臺人形機器人對應的視覺傳感器市場空間約1.61億元。

審核編輯 黃宇