2024年關(guān)節(jié)執(zhí)行器專題報告：受益人形機器人發(fā)展-國產(chǎn)化有望加速

2024年關(guān)節(jié)執(zhí)行器專題報告：受益人形機器人發(fā)展_國產(chǎn)化有望加速人形機器人：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、仿生學等多種學科的復(fù)雜智能機械?！胺氯恕钡谋举|(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WalkerS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UnitreeG1，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、串擾、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：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，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，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，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(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?？招谋妱訖C屬于直流永磁的伺服、控制電動機?？招谋妱訖C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