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人形機器人：更迭加速，商業(yè)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(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多種學(xué)科的復(fù)雜智能機械。“仿人”的本質(zhì)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(xiàn)為類 人雙足運動平衡與控制能力的實現(xiàn)水平。

技術(shù)持續(xù)更迭。第一款人形機器人由加藤一郎研發(fā)，迭代到最新的人形機器人，比如特斯拉“擎天 柱”，技術(shù)路線發(fā)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(guī)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(tǒng)也進一步迭代為一體化程度較高，同時具 備驅(qū)動器、電機以及傳感器。

人形機器人商業(yè)化已開啟，比如特斯拉、優(yōu)必選、 宇樹科技等人形機器人廠商均發(fā)布商用新進展。 特斯拉：5月5日發(fā)布Optimus最新進展視頻，展 現(xiàn)其分揀電池、行走、執(zhí)行工廠任務(wù)的能力。 優(yōu)必選：工業(yè)版人形機器人Walker S在新能源車 廠進行實訓(xùn)；4月27日正式發(fā)布通用人形機器人 母平臺“天工”，實現(xiàn)6km/h的穩(wěn)定奔跑。 宇樹科技：5月13日宣布發(fā)售Unitree G1，售價 9.9萬元起。

關(guān)節(jié)執(zhí)行器：人形機器人核心運動部件

執(zhí)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(zhí)行器與旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器。 分類：線性執(zhí)行器、旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器。1）線性執(zhí)行器：將能量轉(zhuǎn)換為直線運動，主要用于定位應(yīng)用， 通常具有推拉功能。2）旋轉(zhuǎn)執(zhí)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(zhí)行器是旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器的延伸，包含一個額外的運動轉(zhuǎn)換器，可將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)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?qū)⑿D(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為線性運動。 工藝壁壘較高。制造精密運動控制產(chǎn)品需要高精度工藝設(shè)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(guān)節(jié)執(zhí)行器，涉及旋轉(zhuǎn)與線性兩大類，零部件包括減速 器、絲杠、電機、傳感器等。根據(jù)AI日發(fā)布內(nèi)容， 身體執(zhí)行器：6種（3種旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和3種線性執(zhí)行器），共計28個執(zhí)行器，能夠?qū)崿F(xiàn)28個自由度。 手部（單手）：6個執(zhí)行器和11個自由度，符合人體工程學(xué)設(shè)計。 關(guān)節(jié)執(zhí)行器初步方案：主要涉及電機、諧波減速器（旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）、滾珠/滾柱絲桿（線性關(guān)節(jié)）、傳 感器等，由于集成在和人一樣大小的關(guān)節(jié)上，因此對零部件的性能及大小提出了更高要求。

根據(jù)機器人的設(shè)計目標(biāo)和應(yīng)用場景，選擇不同的零部件和配臵方案。人形機器人的關(guān)節(jié)執(zhí)行器在設(shè) 計上會有不同的側(cè)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(zhí)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(jù)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(qū)動器中，絲杠是將旋 轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的關(guān)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(jù)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(guān)節(jié)數(shù)量是實現(xiàn)這些自由度的關(guān)鍵，每個關(guān)節(jié)通常提供至少一個自由度。自由度的設(shè)計需要 與人形機器人預(yù)期的應(yīng)用場景相匹配。

絲杠：高精度設(shè)備+工藝是關(guān)鍵，國產(chǎn)化率低

絲杠功能：主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反復(fù)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(xiàn)，兩者區(qū)別如下： 滾珠絲杠：結(jié)構(gòu)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(yōu)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(jié)構(gòu)復(fù)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(guī)格的滾珠絲杠副的載荷大2至3倍，且中、小型規(guī)格的行星滾柱絲杠可選的最小導(dǎo)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(xiàn)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(shè)計成電機 轉(zhuǎn)子，易于實現(xiàn)機電融合直線作動器設(shè)計，體積較小，結(jié)構(gòu)緊湊，適合人形機器人。反向式行星滾 柱絲杠機構(gòu)中，螺母只沿周向轉(zhuǎn)動，不沿軸向移動，絲杠只沿軸向移動，不沿周向轉(zhuǎn)動，滾柱既有 自轉(zhuǎn)，又有公轉(zhuǎn)。反向式行星滾柱絲杠通過較小的導(dǎo)程實現(xiàn)更高的額定負載，從而降低驅(qū)動扭矩。

絲杠生產(chǎn)需要高精度設(shè)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(chǎn)化率仍有較大空間，已出現(xiàn)一批有一定競爭優(yōu)勢的國產(chǎn)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(yè)所占據(jù)，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(shù)進步，我國滾珠絲杠行業(yè)內(nèi)也涌現(xiàn)出一批具有一定競爭優(yōu)勢的優(yōu)秀企業(yè)，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(yè)，同時恒立液壓、貝 斯特等公司也參與到絲杠領(lǐng)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(guī)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(zhuǎn)換為電信號的器件。

多維力/力矩傳感器技術(shù)壁壘更高。根據(jù)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(diào)性和一致性問題外，還要解決因結(jié)構(gòu)加工和工藝誤差引起的維間（軸間）干擾問題、動靜態(tài)標(biāo) 定問題以及矢量運算中的解耦算法和電路實現(xiàn)等。

根據(jù)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(yīng)變片式、光學(xué)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(yīng)用場景中有其獨特優(yōu)勢。目前，市場應(yīng)用的六維力/ 力矩傳感器大部分是基于應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用在協(xié)作機器人末端、航空航天風(fēng)洞測試、醫(yī) 療領(lǐng)域、運動健康領(lǐng)域中，人形機器人手腕如此靈活有它的功勞。 人形機器人應(yīng)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(dǎo)致了較高的 應(yīng)用成本門檻。國內(nèi)廠商正努力降本，比如坤維科技正發(fā)力六維 力傳感器全自動化生產(chǎn)的實現(xiàn)，以高產(chǎn)量攤薄單個傳感器成本， 未來在十萬乃至百萬臺的年產(chǎn)能下，六維力傳感器售價將下降一 個數(shù)量級。

中國六維力傳感器市場有望實現(xiàn)較快增長。根據(jù)高工機器人產(chǎn)業(yè)研究所（GGII）數(shù)據(jù)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(yè)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(fù)合增長率超過60%/45%，其中機器人行業(yè)銷量有望突破42000套。

國產(chǎn)六維力/矩傳感器與海外在靈敏度、串?dāng)_、抗過載能力及維間耦合誤差等方面仍存在差距。 國內(nèi)部分企業(yè)已有相關(guān)的產(chǎn)品落地并進入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用或部分產(chǎn)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(chǎn)替代進行中，期待人形帶來 更多發(fā)展

減速器的主要作用是降低輸出轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)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(jīng)過精密加工的分流式和同進軸式減速機設(shè)計，由增速裝臵、復(fù)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(yīng)用，具有能耗低，性能優(yōu)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(yīng)用于機器人、數(shù)控機床等高端領(lǐng)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(zhuǎn)，并精確地將轉(zhuǎn)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(yīng)用于多關(guān)節(jié)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(zhuǎn)精度。因此在關(guān)節(jié)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(biāo)包括：扭轉(zhuǎn)剛度、傳動精度、啟動轉(zhuǎn)矩、空程、背隙、傳動誤差、傳動 效率等。國內(nèi)欠缺表現(xiàn)在：1）產(chǎn)品系列不健全。日本納博具備全系列產(chǎn)品，基本上可以應(yīng)用于所 有領(lǐng)域，而國內(nèi)產(chǎn)品系列相對殘缺。2）一致性問題。國產(chǎn)減速器在實際使用環(huán)境下的性能，與實 驗室性能無法完全匹配，個別產(chǎn)品存在漏油、精度降低等情況，是阻礙國產(chǎn)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(chǎn)品，在同一輸出轉(zhuǎn)速和輸入功率下，國內(nèi)產(chǎn)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(fā)展的主要原因。從國內(nèi)市占率來看，Nab 仍處于領(lǐng)先定位，環(huán)動國內(nèi)市占率第二，珠海飛馬、秦川、中大力德、南通振康等企業(yè)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(dāng)，產(chǎn)品性能基本滿足要求， 已大量應(yīng)用于國產(chǎn)機器人。國外產(chǎn)品在輸出轉(zhuǎn)矩、平均壽命和一致性等技術(shù)指標(biāo)上依然占據(jù)優(yōu)勢。 從國內(nèi)市占率來看，哈默納科仍處于領(lǐng)先定位，綠的諧波國內(nèi)市占率第二，國產(chǎn)替代空間仍然較大。

中國減速器市場空間：需求量可觀。根據(jù)觀研天下援引IFR： RV減速器：2022-2025年全球工業(yè)機器人用RV減速機市場規(guī)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(nèi) 工 業(yè) 機 器 人 用 RV 減 速 機 市 場 規(guī) 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(yè)機器人用諧波減速機市場規(guī)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(nèi)工業(yè)機器人用諧波減速機市場規(guī)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(shè)計是難點，通常需要定制。 無框架電機是傳統(tǒng)電機中用于產(chǎn)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(zhuǎn)子和定子。轉(zhuǎn)子通常是內(nèi)部部件，由帶永磁體的旋轉(zhuǎn)鋼圓環(huán)組件構(gòu)成，直接安裝在 機器軸上。定子是外部部件，齒輪外部環(huán)繞鋼片和銅繞組，以產(chǎn)生緊密攀附在機器殼體內(nèi)的電磁力。 無框電機在機器人、醫(yī)藥、機床、包裝、印刷、加工和通用自動化等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。 市場空間：根據(jù)Technavio數(shù)據(jù)， 2022年全球力矩電機市場規(guī)模預(yù)計6.12億美元，預(yù)計到2028年達 到8.99億美元，期間復(fù)合年增長率為8.01%。

無框力矩電機偏向定制，國內(nèi)企業(yè)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(biāo)， 而普通伺服電機更偏向以輸出功率為評價指標(biāo)。無框力矩電機是需要一體化設(shè)計并集成到機器內(nèi)部， 需要根據(jù)具體的機械設(shè)計尺寸來確定無框力矩電機的外形尺寸和扭矩/轉(zhuǎn)速性能。因此，無框力矩電 機在磁路和工藝設(shè)計方面有一定的技術(shù)壁壘，需要在低壓供電的環(huán)境下輸出更大功率，從驅(qū)動性的 電路設(shè)計以及電路轉(zhuǎn)換等方面來看，通常需要定制，對整體安裝、固定的工藝及設(shè)計具有較高的要 求。目前無框電機的代表性產(chǎn)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(nèi)昊志機電等有無框力矩電機布局。

空心杯電機：手指關(guān)節(jié)匹配度較高，難點在于大批量生產(chǎn)、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(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)電機的轉(zhuǎn)子結(jié) 構(gòu)形式，采用的是無鐵芯轉(zhuǎn)子。這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動慣量大幅降低，從而減少了轉(zhuǎn)子自身的機械能損耗。由于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)變化而使電動 機的運轉(zhuǎn)特性得到了改善，不但具有突出的節(jié)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(zhuǎn)換裝臵，空心杯對人形機器人手指關(guān)節(jié) 的匹配度較高。空心杯電機在航空航天、軍工、電器設(shè)備、工業(yè)控制等眾多領(lǐng)域擁有廣闊應(yīng)用前景。 市場空間：根據(jù)Business Research數(shù)據(jù)，全球空心杯直流電機市場在2022年的市場規(guī)模約為7.48 億美元，預(yù)計到2028年將達到11.86億美元，在2023-2029年的預(yù)測期內(nèi)的復(fù)合年增長率為8.0%。

總結(jié)：人形機器人關(guān)節(jié)部件供應(yīng)商

我們認為，國內(nèi)企業(yè)零部件廠商有望借助人形機器人產(chǎn)業(yè)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(xiàn)國產(chǎn)替代。

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