關節執行器專題報告：受益人形機器人發展，國產化有望加速
http://www.199rrr.com 2024-07-01 10:29 來源：未來智庫
人形機器人：更迭加速，商業化拉開序幕
人形機器人：亦稱仿人機器人，是研究人類智能的高級平臺，是綜合機械、電子、傳感器、控制技 術、人工智能、仿生學等多種學科的復雜智能機械。“仿人”的本質在于此類高級機器人具有類人 的感知、決策、行為和交互能力，即人形機器人不僅需要具有類人的形體和外觀、類人的知覺和感 官功能、類人的大腦思維與控制能力，更需要具備行為的“類人特征”，這一特征的基本體現為類 人雙足運動平衡與控制能力的實現水平。
技術持續更迭。第一款人形機器人由加藤一郎研發，迭代到最新的人形機器人，比如特斯拉“擎天 柱”，技術路線發生多次迭代。進入21世紀，機器人走向人工智能化，具備自主路徑規劃以及行走 能力并且依賴更多樣的傳感器對外界進行感知，運動系統也進一步迭代為一體化程度較高，同時具 備驅動器、電機以及傳感器。
人形機器人商業化已開啟，比如特斯拉、優必選、 宇樹科技等人形機器人廠商均發布商用新進展。 特斯拉：5月5日發布Optimus最新進展視頻，展 現其分揀電池、行走、執行工廠任務的能力。 優必選：工業版人形機器人Walker S在新能源車 廠進行實訓；4月27日正式發布通用人形機器人 母平臺“天工”，實現6km/h的穩定奔跑。 宇樹科技：5月13日宣布發售Unitree G1，售價 9.9萬元起。
關節執行器：人形機器人核心運動部件
執行器是提供受控和有限移動或定位的機械或機電裝臵，其通過一些流體的幫助來操作，包括線性 執行器與旋轉執行器。 分類：線性執行器、旋轉執行器。1）線性執行器：將能量轉換為直線運動，主要用于定位應用， 通常具有推拉功能。2）旋轉執行器：相對于中點（即沿圓）以角度移動。在其最簡單的形式中， 線性執行器是旋轉執行器的延伸，包含一個額外的運動轉換器，可將旋轉運動轉換為線性運動。滾 珠絲杠、滾柱絲杠、皮帶和皮帶輪、齒條和小齒輪能夠將旋轉轉換為線性運動。 工藝壁壘較高。制造精密運動控制產品需要高精度工藝設備，且需要大量工藝積累。
以特斯拉為例， “擎天柱”軀干包含28個關節執行器，涉及旋轉與線性兩大類，零部件包括減速 器、絲杠、電機、傳感器等。根據AI日發布內容， 身體執行器：6種（3種旋轉執行器和3種線性執行器），共計28個執行器，能夠實現28個自由度。 手部（單手）：6個執行器和11個自由度，符合人體工程學設計。 關節執行器初步方案：主要涉及電機、諧波減速器（旋轉關節）、滾珠/滾柱絲桿（線性關節）、傳 感器等，由于集成在和人一樣大小的關節上，因此對零部件的性能及大小提出了更高要求。
根據機器人的設計目標和應用場景，選擇不同的零部件和配臵方案。人形機器人的關節執行器在設 計上會有不同的側重點，包括但不限于負載能力、精度、速度、重量、成本等。 以減速器和絲杠為例：1）為了提高扭矩輸出，執行器通常會搭配減速器使用。常見的減速器有諧 波減速器、行星減速器、RV減速器等。目前特斯拉Optimus搭載了諧波減速器。而其他廠商可能會 根據不同的扭矩和空間要求選擇行星減速器或其他類型減速器。2）在直線驅動器中，絲杠是將旋 轉運動轉換為直線運動的關鍵部件。梯型絲杠、滾珠絲杠和滾柱絲杠是較為常見的選擇，廠商可能 根據不同部位對承載力、精度等要求不同而選擇不同類型的絲杠。另外，關節數量是實現這些自由度的關鍵，每個關節通常提供至少一個自由度。自由度的設計需要 與人形機器人預期的應用場景相匹配。
絲杠：高精度設備+工藝是關鍵，國產化率低
絲杠功能：主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反復作用力。 絲杠分類：包括滾珠絲杠與行星滾柱絲杠。滾珠絲杠與滾柱絲杠在同時代出現，兩者區別如下： 滾珠絲杠：結構簡單，傳動效率較高，可大于90%；載荷傳遞元件為滾珠，是點接觸，主要優勢是 有眾多的接觸點來支撐負載，有更高的抗沖能力。 行星滾柱絲杠：結構復雜，傳動效率一般低于90%；載荷傳遞元件為螺紋滾柱，是典型的線接觸， 在需要特大載荷的場合，特別是空間受限制的情況下需要很大載荷時，會選用行星滾柱絲杠，它一 般比同規格的滾珠絲杠副的載荷大2至3倍，且中、小型規格的行星滾柱絲杠可選的最小導程更小。
反向式行星滾柱絲杠：正向式行星滾柱絲杠的特點是長絲桿-短螺母外加螺旋滾道，通過滾柱在絲 杠軸上的滾動實現直線運動。反向行利用其長螺母-短絲杠的組合形式，可以將長螺母設計成電機 轉子，易于實現機電融合直線作動器設計，體積較小，結構緊湊，適合人形機器人。反向式行星滾 柱絲杠機構中，螺母只沿周向轉動，不沿軸向移動，絲杠只沿軸向移動，不沿周向轉動，滾柱既有 自轉，又有公轉。反向式行星滾柱絲杠通過較小的導程實現更高的額定負載，從而降低驅動扭矩。
絲杠生產需要高精度設備與工藝積累。絲杠兼具高精度、可逆性和高效率的特點，其在精度、強度 及耐磨性等方面都有很高的要求，因此其加工從毛坯到成品的每道工序要求均比較高。
絲杠國產化率仍有較大空間，已出現一批有一定競爭優勢的國產廠商。在國際市場上，高端滾珠絲 杠市場主要由歐美及日韓企業所占據，包括日本精工、博世力士樂、Kuroda、舍弗勒集團等；近年 來，隨著科技技術進步，我國滾珠絲杠行業內也涌現出一批具有一定競爭優勢的優秀企業，例如南 京工藝裝備、山東博特精工、銀泰科技、山東華珠機械、陜西漢江機床等企業，同時恒立液壓、貝 斯特等公司也參與到絲杠領域。
力矩傳感器：人形機器人感知核心，六維力壁壘 高、降本空間大
機器人通過傳感器獲得感覺信息。傳感器是一種檢測裝臵，能感受到被測量的信息，并能將感受到 的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、 顯示、記錄和控制等要求。其中，力矩傳感器是將力的變化轉換為電信號的器件。
多維力/力矩傳感器技術壁壘更高。根據所測力的維度的不同，力傳感器可被分為單維（軸）力和多 維（軸）力。1）單維力：指能檢測單一維度方向上的力或力矩，多維力傳感器指的是一種能夠同 時測量兩個方向以上的力及力矩分量的力傳感器。2）多維力：最完整的形式是六維力/力矩傳感器， 即能夠同時測量3個力分量和3個力矩分量的傳感器。相比單維力，除了要解決對所測力分量敏感的 單調性和一致性問題外，還要解決因結構加工和工藝誤差引起的維間（軸間）干擾問題、動靜態標 定問題以及矢量運算中的解耦算法和電路實現等。
根據傳感元件的不同，六維力/力矩傳感器主要分為三種基本類型：應變片式、光學式以及壓電/電 容式。每種類型的六維力傳感器都在不同的應用場景中有其獨特優勢。目前，市場應用的六維力/ 力矩傳感器大部分是基于應變片式的測量。
六維力矩傳感器：人形機器人基本配備4個六維力傳感器，未來 降本空間大。 批量應用領域：應用在協作機器人末端、航空航天風洞測試、醫 療領域、運動健康領域中，人形機器人手腕如此靈活有它的功勞。 人形機器人應用：目前一個人形機器人基本會配備4個六維力傳 感器。 降本空間大：單個六維力傳感器的價格在2萬以上，導致了較高的 應用成本門檻。國內廠商正努力降本，比如坤維科技正發力六維 力傳感器全自動化生產的實現，以高產量攤薄單個傳感器成本， 未來在十萬乃至百萬臺的年產能下，六維力傳感器售價將下降一 個數量級。
中國六維力傳感器市場有望實現較快增長。根據高工機器人產業研究所（GGII）數據顯示，2022年中 國市場六維力/力矩傳感器銷量8360套/2.39億元，同比增長57.97%/52.04%，其中機器人行業銷量 4840套/1.56億元，同比增長62.58%/54.35%。到2027年中國市場六維力/力矩傳感器銷量有望突破 84000套/15億元，復合增長率超過60%/45%，其中機器人行業銷量有望突破42000套。
國產六維力/矩傳感器與海外在靈敏度、串擾、抗過載能力及維間耦合誤差等方面仍存在差距。 國內部分企業已有相關的產品落地并進入產業化應用或部分產品型號開始進入下游用戶的驗證測 試階段。
精密減速器： 國產替代進行中，期待人形帶來 更多發展
減速器的主要作用是降低輸出轉速，增加轉矩，提升載荷能力，從而達到理想的傳動效果。減速 器是屬于經過精密加工的分流式和同進軸式減速機設計，由增速裝臵、復合傳動裝臵配臵各種類 電機組成，精確的角度傳輸都可以見到減速機的應用，具有能耗低，性能優越等特點。
精密減速器具有更高控制精度，種類包括諧波減速器、RV減速器、擺線針輪行星減速器、精密行 星減速器等，主要應用于機器人、數控機床等高端領域。精密減速器的存在使伺服電機在一個合 適的速度下運轉，并精確地將轉速降到機器人各部位需要的速度，提高機械剛性的同時輸出更大 的力矩。
大量應用于多關節機器人的減速器主要有兩種：RV減速器和諧波減速器。相比于諧波減速器，RV 減速器具有更高的剛度和回轉精度。因此在關節型機器人中，一般將RV減速器放臵在機座、大臂、 肩部等重負載的位臵，而將諧波減速器放臵在小臂、腕部或手部。
衡量精密減速器的主要指標包括：扭轉剛度、傳動精度、啟動轉矩、空程、背隙、傳動誤差、傳動 效率等。國內欠缺表現在：1）產品系列不健全。日本納博具備全系列產品，基本上可以應用于所 有領域，而國內產品系列相對殘缺。2）一致性問題。國產減速器在實際使用環境下的性能，與實 驗室性能無法完全匹配，個別產品存在漏油、精度降低等情況，是阻礙國產減速器進軍高端市場的 原因之一。
RV減速器：對比納博RV-E系列和南通振康的產品，在同一輸出轉速和輸入功率下，國內產品在傳 動效率上可以與國外媲美。而工藝水平是限制RV減速器發展的主要原因。從國內市占率來看，Nab 仍處于領先定位，環動國內市占率第二，珠海飛馬、秦川、中大力德、南通振康等企業緊跟其后。
諧波減速器：綠的諧波和中技克美的減速比范圍與日本哈默納科水平相當，產品性能基本滿足要求， 已大量應用于國產機器人。國外產品在輸出轉矩、平均壽命和一致性等技術指標上依然占據優勢。 從國內市占率來看，哈默納科仍處于領先定位，綠的諧波國內市占率第二，國產替代空間仍然較大。
中國減速器市場空間：需求量可觀。根據觀研天下援引IFR： RV減速器：2022-2025年全球工業機器人用RV減速機市場規模分別為65.3/75.1/86.3/99.3億元， 2021-2025 年 CAGR 為 15.0% 。 2022-2025 年 國 內 工 業 機 器 人 用 RV 減 速 機 市 場 規 模 分 別 為 34.8/41.8/50.2/60.2億元，2021-2025年CAGR為20.0%。 諧波減速器：2022-2025年全球工業機器人用諧波減速機市場規模分別為39.1/46.8/56.4/68.2億元， 2021-2025年CAGR達20.0%。2022-2025年國內工業機器人用諧波減速機市場規模分別為 18.5/22.7/27.9/34.6億元，2021-2025年CAGR達22.9%。
電機：無框力矩電機和空心杯電機有望放量
無框力矩電機：磁路和工藝設計是難點，通常需要定制。 無框架電機是傳統電機中用于產生扭矩和速度的部分，但沒有軸、軸承、外殼或端蓋。無框電機只 有兩個部件：轉子和定子。轉子通常是內部部件，由帶永磁體的旋轉鋼圓環組件構成，直接安裝在 機器軸上。定子是外部部件，齒輪外部環繞鋼片和銅繞組，以產生緊密攀附在機器殼體內的電磁力。 無框電機在機器人、醫藥、機床、包裝、印刷、加工和通用自動化等行業得到了廣泛應用。 市場空間：根據Technavio數據， 2022年全球力矩電機市場規模預計6.12億美元，預計到2028年達 到8.99億美元，期間復合年增長率為8.01%。
無框力矩電機偏向定制，國內企業無框電機也有布局。無框力矩電機更偏向以輸出扭距為衡量指標， 而普通伺服電機更偏向以輸出功率為評價指標。無框力矩電機是需要一體化設計并集成到機器內部， 需要根據具體的機械設計尺寸來確定無框力矩電機的外形尺寸和扭矩/轉速性能。因此，無框力矩電 機在磁路和工藝設計方面有一定的技術壁壘，需要在低壓供電的環境下輸出更大功率，從驅動性的 電路設計以及電路轉換等方面來看，通常需要定制，對整體安裝、固定的工藝及設計具有較高的要 求。目前無框電機的代表性產品有美國科爾摩根的TBM無框力矩電機、Parker公司的K系列無框伺 服電機；國內昊志機電等有無框力矩電機布局。
空心杯電機：手指關節匹配度較高，難點在于大批量生產、裝配。 空心杯電動機屬于直流永磁的伺服、控制電動機。空心杯電動機在結構上突破了傳統電機的轉子結 構形式，采用的是無鐵芯轉子。這種轉子結構徹底消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗。同 時其重量和轉動慣量大幅降低，從而減少了轉子自身的機械能損耗。由于轉子的結構變化而使電動 機的運轉特性得到了改善，不但具有突出的節能特點，更為重要的是具備了鐵芯電動機所無法達到 的控制和拖動特性。因此，作為高效率而體積又小的能量轉換裝臵，空心杯對人形機器人手指關節 的匹配度較高。空心杯電機在航空航天、軍工、電器設備、工業控制等眾多領域擁有廣闊應用前景。 市場空間：根據Business Research數據，全球空心杯直流電機市場在2022年的市場規模約為7.48 億美元，預計到2028年將達到11.86億美元，在2023-2029年的預測期內的復合年增長率為8.0%。
總結：人形機器人關節部件供應商
我們認為，國內企業零部件廠商有望借助人形機器人產業化趨勢，減速器、滾珠/滾柱絲杠、電機 等核心零部件性能有望逐步提升，進而逐步實現國產替代。
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