人形機(jī)器人行業(yè)分析

人形機(jī)器人行業(yè)分析一、人形機(jī)器人：技術(shù)奇點(diǎn)時(shí)刻，新一次工業(yè)革命的開始（一）人形機(jī)器人：仿人形態(tài)，商業(yè)化潛力亟待挖掘人形機(jī)器人是通過模仿人類的形態(tài)和行為設(shè)計(jì)制造出的機(jī)器人。人形機(jī)器人（仿人機(jī)器人）是結(jié)合了仿生學(xué)、人工智能學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及材料科學(xué)的一個(gè)復(fù)雜產(chǎn)物。從形態(tài)上來看，人形機(jī)器人根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同分別或同時(shí)具有人的四肢、頭部和軀干，使用部分肢體的場(chǎng)景包括應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)械手臂、應(yīng)用于醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域的輔助步行機(jī)器人等。從行為上來看，人形機(jī)器人通過模仿人類的關(guān)節(jié)、肌肉、感知系統(tǒng)、思維系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、操作、感知、學(xué)習(xí)等行為，輔助人類從而解放更多的生產(chǎn)力。隨著技術(shù)進(jìn)步，全尺寸人形機(jī)器人即將迎來商業(yè)化。部分軀體機(jī)器人的應(yīng)用已進(jìn)入商業(yè)化初期，相較之下，全尺寸人形機(jī)器人商業(yè)化程度更低。隨著機(jī)器人技術(shù)的快速進(jìn)步與成熟，全球多方勢(shì)力已加入了全尺寸人形機(jī)器人商業(yè)化布局的行列。2022年，隨著小米、特斯拉陸續(xù)發(fā)布CyberOne和Optimus，機(jī)器人行業(yè)將迎來全尺寸人形機(jī)器人商業(yè)化的到來。市場(chǎng)上已有多種機(jī)器人，但進(jìn)一步商業(yè)化的潛力巨大。在特斯拉產(chǎn)品發(fā)布之前也有多種全尺寸人形機(jī)器人，但主要用于科教、研究、娛樂等領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)的功能相對(duì)較少，且售價(jià)高昂，隨著特斯拉、小米等科技企業(yè)的進(jìn)入，制造、算法等諸多優(yōu)勢(shì)將實(shí)現(xiàn)對(duì)人形機(jī)器人商業(yè)化潛力更深入地挖掘。（二）人形機(jī)器人歷經(jīng)近百年，ChatGPT有望引爆技術(shù)奇點(diǎn)人形機(jī)器人從1939年第一臺(tái)電機(jī)械控制的Elektro開始至今已歷經(jīng)近百年時(shí)間，我們從技術(shù)變化的角度將其劃分成三個(gè)階段：電機(jī)械階段，實(shí)驗(yàn)室智能階段和應(yīng)用推廣階段。1）電機(jī)械階段：此時(shí)的人形機(jī)器人僅僅是通過模仿人的行為去進(jìn)行如移動(dòng)、抬手、發(fā)聲等較簡(jiǎn)單的動(dòng)作。這個(gè)時(shí)期的代表為日本早稻田大學(xué)研發(fā)出的WAP、WL和WABOT系列機(jī)器人，該階段主要側(cè)重通過機(jī)械性地模擬人的行走使得機(jī)器人能夠移動(dòng)。2）實(shí)驗(yàn)室智能階段：傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、軟件算法等多個(gè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)展，2000年本田開發(fā)的ASIMO將人形機(jī)器人帶入實(shí)驗(yàn)室智能階段，此時(shí)的機(jī)器人逐漸能夠通過傳感器獲取外部信息，通過簡(jiǎn)單的分析判斷做出相應(yīng)的決策?？梢詫?shí)現(xiàn)如“8”字形行走、擰開瓶蓋、單雙腳跳躍等簡(jiǎn)單動(dòng)作。在智能化階段美國(guó)與日本齊頭并進(jìn)，日本側(cè)重于外形仿真，而美國(guó)則更側(cè)重于用計(jì)算機(jī)模擬人腦的功能。3）應(yīng)用推廣階段：特斯拉的Optimus的發(fā)布引領(lǐng)全球人形機(jī)器人向C端應(yīng)用發(fā)展，而2023年ChatGPT的迅速迭代加強(qiáng)了人們對(duì)于人形機(jī)器人商業(yè)化的信心，全球科技巨頭紛紛下場(chǎng)布局研發(fā)，我們認(rèn)為2023年可以成為人形機(jī)器人正式進(jìn)行應(yīng)用推廣的元年。ChatGPT等大語言模型（LLM）AI的應(yīng)用有望加速人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。GPT、BERT等大模型的應(yīng)用大幅提高了模型的“通用性”，相比于之前垂直領(lǐng)域的AI開發(fā)，大模型可通過“預(yù)訓(xùn)練+特定任務(wù)微調(diào)”的形式具備多個(gè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)，加速AI的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練以及迭代。大模型的其他優(yōu)勢(shì)包括：對(duì)自然語言具備更好的理解能力、基本可用的持續(xù)交互能力、更強(qiáng)的零樣本/小樣本學(xué)習(xí)能力。ChatGPT等大語言模型有望促進(jìn)人形機(jī)器人智能化并豐富交互性。大語言模型可以和圖像模型、三維視覺模型融合，形成多模態(tài)模型，極大的提升機(jī)器人的感知和執(zhí)行能力。目前的大型語言模型只能通過語言和圖像與用戶進(jìn)行交互，無法在物理環(huán)境中執(zhí)行交互。為了實(shí)現(xiàn)人工智能與物理世界的連接,機(jī)器人技術(shù)的推進(jìn)能夠作為使用者與物理環(huán)境之間的接口，從而實(shí)現(xiàn)更豐富和立體的人機(jī)交互。特斯拉入局人形機(jī)器人，有望憑借技術(shù)與制造的積累更快實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。技術(shù)積累：硬+軟為基礎(chǔ)，加速推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。硬件方面，特斯拉具備完整的研發(fā)、測(cè)試、優(yōu)化產(chǎn)品的可視化開發(fā)流程。以電動(dòng)車的研發(fā)積累為基礎(chǔ)，特斯拉能夠?qū)崿F(xiàn)最大程度縮短研發(fā)周期，設(shè)計(jì)出更高效、更安全、更穩(wěn)定的機(jī)器人電氣結(jié)構(gòu)。軟件方面，機(jī)器人的視覺系統(tǒng)與汽車自動(dòng)駕駛的模擬系統(tǒng)原理類似，因此特斯拉在自動(dòng)駕駛積累的數(shù)據(jù)能夠加速機(jī)器人視覺系統(tǒng)的訓(xùn)練。此外，特斯拉自研的超級(jí)計(jì)算機(jī)Dojo配備了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練芯片D1，能夠通過處理海量的視頻數(shù)據(jù)加速FSD的升級(jí)迭代，并為Optimus提供更強(qiáng)的算力支持。制造積累：在制造方面，特斯拉本身具有成熟的電動(dòng)車供應(yīng)鏈，而特斯拉的現(xiàn)有供應(yīng)商能夠提供部分機(jī)器人所用的零部件（如攝像頭、熱管理、傳感器等），因此特斯拉在供應(yīng)鏈方面有較強(qiáng)的遷移能力。另外，特斯拉在電動(dòng)車降本方面也有著深厚的積累，無論是在車身結(jié)構(gòu)（CTC）還是一體化壓鑄（9000噸沖壓機(jī)）方面積累的經(jīng)驗(yàn)都會(huì)對(duì)機(jī)器人的批量生產(chǎn)提供幫助，加速產(chǎn)業(yè)化落地進(jìn)程。二、從底層運(yùn)行原理到基礎(chǔ)物理結(jié)構(gòu)，深度拆解人形機(jī)器人（一）底層運(yùn)行原理：運(yùn)行的三大環(huán)節(jié)+直立行走的理論基石1、“感知-控制-執(zhí)行”三大環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)指令到執(zhí)行的傳遞過程人形機(jī)器人由三大部分—感知部分、執(zhí)行部分和控制部分組成。這三大部分分別負(fù)責(zé)感知、控制和執(zhí)行環(huán)節(jié)。感知環(huán)節(jié)是指機(jī)器人通過傳感器獲取環(huán)境信息，在此基礎(chǔ)上分析周圍環(huán)境，解析出外部信息?？刂骗h(huán)節(jié)是指機(jī)器人將感知環(huán)節(jié)中獲取到的信息推理成具體的任務(wù)，制定出相應(yīng)的行動(dòng)計(jì)劃并進(jìn)行決策后，發(fā)出行動(dòng)計(jì)劃。執(zhí)行環(huán)節(jié)是指機(jī)器人根據(jù)決策環(huán)節(jié)中給出的行動(dòng)計(jì)劃執(zhí)行相應(yīng)的操作。感知部分主要由信息檢測(cè)系統(tǒng)以及信息融合系統(tǒng)組成，分別負(fù)責(zé)體內(nèi)外環(huán)境信息的獲取以及不同感知信息的融合處理。信息檢測(cè)系統(tǒng)：主要由傳感器及其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理模塊組成，獲取環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。信息檢測(cè)系統(tǒng)可以分為內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊，內(nèi)部傳感器模塊主要檢測(cè)機(jī)器人的狀態(tài)，例如速度、加速度、能量等，外部傳感器模塊包含超聲，激光雷達(dá)，觸覺傳感器，相機(jī)等，主要檢測(cè)機(jī)器人工作環(huán)境的狀態(tài)，例如物品擺放情況和狀態(tài)、溫度、場(chǎng)景分布等。檢測(cè)到的信息可以直接被控制部分利用，并由控制系統(tǒng)直接做出判斷（類似于人的條件或無條件反射），更多的是經(jīng)過信息融合系統(tǒng)綜合處理后再傳送至控制部分（類似于人們綜合客觀環(huán)境影響后再做出判斷和行動(dòng)的過程）。信息融合系統(tǒng)：機(jī)器人身上一般會(huì)安裝多個(gè)傳感器，以便檢測(cè)各種有用的環(huán)境狀態(tài)。有些環(huán)境狀態(tài)信息只需要單一的傳感器進(jìn)行檢測(cè)，例如溫度、濕度等狀態(tài)，而有些環(huán)境狀態(tài)則需要多個(gè)傳感器進(jìn)行配合，共同作用才能成功得到該環(huán)境狀態(tài)的信息，這樣就需要將多個(gè)檢測(cè)信息進(jìn)行融合處理，例如輪式機(jī)器人的速度，需要將各個(gè)輪子的速度檢測(cè)后，再按照相應(yīng)速度合成算法進(jìn)行計(jì)算，才能得到最終機(jī)器人的速度。信息融合系統(tǒng)將相互獨(dú)立的檢測(cè)信息，融合成更高級(jí)的感知信息，能夠幫助機(jī)器人更好地認(rèn)知自身與外部環(huán)境?？刂撇糠钟扇藱C(jī)交互系統(tǒng)和決策系統(tǒng)組成，分別負(fù)責(zé)人機(jī)交流以及分析決策。人機(jī)交互系統(tǒng)：是使操作人員參與機(jī)器人控制并與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系交流的子系統(tǒng)，人機(jī)交互系統(tǒng)涉及如何獲取外部控制命令，以及如何表達(dá)自身的狀態(tài)等。簡(jiǎn)單的人機(jī)交互可能只是一個(gè)報(bào)警信號(hào)，復(fù)雜的人機(jī)系統(tǒng)則可能涉及許多學(xué)科，例如通信技術(shù)（如何獲取遠(yuǎn)程甚至是超遠(yuǎn)程的命令信息）、自然語言處理（如何分析操作人員的語言命令）等。人機(jī)交互系統(tǒng)也有可能會(huì)借助感知部分獲取必要的信息，例如在接收語音命令時(shí)，需要感知部分進(jìn)行語音的檢測(cè)與信號(hào)的轉(zhuǎn)換，以及語音命令的分析等。決策系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)感知部分提供的感知信息以及執(zhí)行任務(wù)要求，進(jìn)行合理的分析與決策，提供執(zhí)行指令給執(zhí)行部分完成指定的運(yùn)動(dòng)和功能。感知部分如果對(duì)執(zhí)行部分不進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如一般工業(yè)機(jī)器人末端的移動(dòng)，這樣的控制方式稱為開環(huán)控制；如果進(jìn)行信息的反饋，如具有跟蹤功能的機(jī)器人，這樣的控制方式稱為閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)可以很簡(jiǎn)單，如溫度報(bào)警，只需要溫度超過警戒溫度就立刻報(bào)警；也可以很復(fù)雜，美國(guó)IBM公司生產(chǎn)的深藍(lán)超級(jí)國(guó)際象棋電腦，有32個(gè)大腦（微處理器），每秒可以計(jì)算2億步。1997年的深藍(lán)超級(jí)國(guó)際象棋電腦可搜尋及估計(jì)隨后的12步棋，而一名人類象棋高手大約可估計(jì)隨后的10步棋。執(zhí)行部分由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)組成，分別負(fù)責(zé)動(dòng)力的提供以及實(shí)際運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要指驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)置，是機(jī)器人的動(dòng)力來源。根據(jù)驅(qū)動(dòng)源的不同，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可分為電動(dòng)、液壓、氣動(dòng)3種，以及把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以與機(jī)械系統(tǒng)直接相連，也可通過傳動(dòng)裝置與機(jī)械系統(tǒng)間接相連。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)影響機(jī)器人反應(yīng)的快速性與準(zhǔn)確性。機(jī)械系統(tǒng)：除了安裝感知、控制部分與其他必要結(jié)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)外，機(jī)械系統(tǒng)主要是指機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，常見的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)有關(guān)節(jié)式、輪式、復(fù)合式等。關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人常見的有工業(yè)機(jī)器人（典型關(guān)節(jié)式）、類人型機(jī)器人（足式）；輪式機(jī)器人常見的有服務(wù)機(jī)器人、巡邏機(jī)器人等，輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制相對(duì)于足式機(jī)器人來說較為簡(jiǎn)單，所以在服務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；復(fù)合式運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在復(fù)雜地形中，如救援機(jī)器人，既要能在平地與低坡度表面運(yùn)動(dòng)，又能夠做上下樓梯等升降運(yùn)動(dòng)。2、“ZMP+倒立擺”簡(jiǎn)化模型奠定人形機(jī)器人行走的理論基石雙足機(jī)器人的控制具有很高的技術(shù)難度，尤其是步態(tài)控制和平衡問題。機(jī)器人在移動(dòng)過程中，外力方面只受到重力和地面的作用力，而重力和地面作用力不能直接控制，只能轉(zhuǎn)而控制機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力來控制機(jī)器人的行走，這樣給雙足機(jī)器人的控制增加了很大難度。ZMP（零力矩點(diǎn)）概念的提出為機(jī)器人的穩(wěn)定移動(dòng)提供了理論基礎(chǔ)。該理論首先是由M.Vukobratovic和Stepaneko在1968年提出，ZMP可理解為地面上存在的一點(diǎn)，機(jī)器人在該點(diǎn)由慣性力與重力所產(chǎn)生的凈力矩為零。如果ZMP落在腳掌范圍內(nèi)，即可認(rèn)為機(jī)器人系統(tǒng)是穩(wěn)定的，機(jī)器人可以穩(wěn)定行走。倒立擺+ZMP簡(jiǎn)化模型在機(jī)器人步態(tài)算法得到廣泛應(yīng)用，成為目前主流移動(dòng)控制法的理論基石，使人形機(jī)器人可穩(wěn)定行走。該模型將機(jī)器人簡(jiǎn)化為一個(gè)倒立擺，整體控制的目的是使實(shí)際的ZMP位置與參考的ZMP位置之間的誤差盡可能小，這樣機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中才能夠穩(wěn)定，因此需要根據(jù)期望的ZMP位置（期望的落腳點(diǎn)）計(jì)算出質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)情況和實(shí)際的ZMP位置，并且反饋跟蹤ZMP位置。該控制方法最具代表性的機(jī)器人就是本田的Asimo機(jī)器人，他是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的機(jī)器人，至今也很難被超越，除此之外，還有優(yōu)必選的Walker，德國(guó)宇航局的TORO等?，F(xiàn)在主流的足式機(jī)器人控制方法一般是雙層結(jié)構(gòu)，基于模型預(yù)測(cè)控制(MPC)的上層軌跡規(guī)劃和基于動(dòng)力學(xué)模型的下層全身關(guān)節(jié)力控(WBC)被認(rèn)為是經(jīng)典的ZMP控制的升級(jí)版，計(jì)算機(jī)性能的提升讓更復(fù)雜的優(yōu)化問題的求解成為可能，同時(shí)高性能的力控關(guān)節(jié)也取代了ZMP時(shí)代的高剛度位控關(guān)節(jié)。這種控制架構(gòu)得到了廣泛的使用，并取得了很好的效果。（二）從車鏈和果鏈看，國(guó)內(nèi)硬件供應(yīng)商有較大的機(jī)會(huì)借鑒特斯拉汽車零部件供應(yīng)鏈國(guó)產(chǎn)化降本經(jīng)驗(yàn)，人形機(jī)器人執(zhí)行層面零部件國(guó)產(chǎn)供應(yīng)商迎來重要機(jī)遇。以特斯拉Model3標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航版為例，從2019年底到2021年中，其零部件國(guó)產(chǎn)化率從30%飛漲到90%，由此帶來大幅度的降本，使得售價(jià)從2019年底的35萬下降至2021年中的25萬，零部件國(guó)產(chǎn)化帶來的降本效益十分明顯，對(duì)特斯拉汽車的發(fā)展有著很大的推動(dòng)。目前，在整個(gè)人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈中，上游機(jī)器人零部件制造商國(guó)產(chǎn)化程度低，且這些核心零部件在機(jī)器人產(chǎn)品中占比高，較高的成本阻礙了人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。迫切的降本需求將為相關(guān)國(guó)產(chǎn)供應(yīng)商帶來重大機(jī)遇。蘋果與特斯拉的軟件和算法均是自主研發(fā)。就特斯拉Optimus而言，由于機(jī)器人和自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的差異，需要對(duì)FSD算法進(jìn)行適應(yīng)和改進(jìn)，以滿足機(jī)器人特定的需求和任務(wù)。這一切都依靠特斯拉強(qiáng)大的自主研發(fā)能力。相比全球其他依靠第三方團(tuán)隊(duì)進(jìn)行軟件外包的廠商，特斯拉擁有卓越的軟件團(tuán)隊(duì)，這是特斯拉非常重要的隱性價(jià)值，也塑造了其真正領(lǐng)先于同業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。人形機(jī)器人感知模塊零部件與蘋果硬件高度重合，“果鏈”國(guó)內(nèi)供應(yīng)商有望快速切入人形機(jī)器人供應(yīng)鏈。蘋果的成功擺脫不了對(duì)中國(guó)供應(yīng)商的依賴，2021年蘋果硬件中國(guó)供應(yīng)商數(shù)量占全球的49%，可以看出我國(guó)是蘋果產(chǎn)業(yè)鏈的重要參與者。同時(shí)，我國(guó)供給的攝像頭、玻璃蓋板、屏幕等產(chǎn)品與人形機(jī)器人感知模塊的零部件重合度較高，這些廠商有望借助供應(yīng)鏈優(yōu)勢(shì)迅速切入人形機(jī)器人供應(yīng)鏈。（三）基礎(chǔ)物理結(jié)構(gòu)：頭+軀干關(guān)節(jié)+靈巧手1、頭部：負(fù)責(zé)感知與控制的“超強(qiáng)大腦”特斯拉人形機(jī)器人頭部核心零部件主要是攝像頭和AI芯片。與特斯拉汽車一樣，擎天柱同樣依靠純視覺算法實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的感知，感知器件為安裝在機(jī)器人頭部的攝像頭。特斯拉機(jī)器人使用了單顆特斯拉自研SoC芯片，可同時(shí)支持Wi-Fi和LTE連接，但和汽車所采用的不一樣，機(jī)器人需要處理視覺數(shù)據(jù)做出迅速反應(yīng)、基于多種感官輸入和通訊，因此裝有無線電連接、音頻支持以及需要保護(hù)機(jī)器人本體和人類的安全特性。搭載的高性能DOJOD1超算芯片顯著提升性能、降低功耗。這是一款基于7nm工藝的定制處理器，具有500億個(gè)晶體管。芯片的裸片面積為645平方毫米，比起英偉達(dá)的A100（826mm2）和AMDArcturus（750mm2）還要更小。D1芯片提供22.6FLOPS的單精度計(jì)算性能（FP32），在BF16/CFP8中提供高達(dá)362TFLOPS算力，這種性能是在單個(gè)D1芯片400W的TDP內(nèi)實(shí)現(xiàn)的。比起目前特斯拉用英偉達(dá)處理器組建的超算，用D1芯片組建的超算性能提高4倍，每瓦性能提高1.3倍，占地面積減少80%。2、關(guān)節(jié)：旋轉(zhuǎn)與線性關(guān)節(jié)組成四肢“發(fā)達(dá)肌肉”以特斯拉Optimus人形機(jī)器人為例，全身共28個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)（除手部），分為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和線性關(guān)節(jié)兩大類。通過應(yīng)用仿真工具，充分考慮成本和重量后，選擇了三種旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和三種線性執(zhí)行器應(yīng)用于各關(guān)節(jié)。旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器主要分布于肩髖等需要大角度旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)，線性執(zhí)行器分布于膝肘等擺動(dòng)角度不大的單自由度關(guān)節(jié)和腕踝兩個(gè)雙自由度但是體積緊湊的關(guān)節(jié)。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的核心零部件主要包括無框力矩電機(jī)、諧波減速器、力矩傳感器、雙編碼器以及驅(qū)動(dòng)器。無框力矩電機(jī)是非常適合應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)處的動(dòng)力來源。無框電機(jī)是傳統(tǒng)電機(jī)中用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和速度的元件，但沒有軸、軸承、外殼、反饋或端蓋。無框電機(jī)包含兩個(gè)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(jī)器軸上。定子是外部部件，包含有齒鋼疊片，外面包裹著能產(chǎn)生電磁力的銅繞組。定子緊湊地安裝在機(jī)器外殼的主體內(nèi)。相比于傳統(tǒng)有框電機(jī)，其具有節(jié)省空間、減少部件數(shù)量、提升系統(tǒng)性能等優(yōu)勢(shì)，符合機(jī)器人關(guān)節(jié)處對(duì)電機(jī)空間小、可靠以及效率高的要求。諧波減速器是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的核心傳動(dòng)部件，是機(jī)器人關(guān)節(jié)精度的決定性因素。諧波減速器主要由三個(gè)關(guān)鍵部件構(gòu)成—波形發(fā)生器、柔輪和鋼輪，用于將電機(jī)的高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為低轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩運(yùn)動(dòng)。波形發(fā)生器為橢圓形，由一個(gè)橢圓形輪轂和一個(gè)特殊的薄壁軸承組成，軸承遵循輪轂的橢圓形。這是齒輪組的輸入部件，它連接到電機(jī)軸上。柔輪是一個(gè)圓柱形的杯狀結(jié)構(gòu)，由柔韌但抗扭的合金鋼材料制成?！氨印钡膫?cè)面很薄，但是底部又厚又硬，其開口端是柔性的，但封閉端是剛性的。柔輪用作輸出端，并將輸出法蘭連接到其上。柔輪在杯的開口端有外齒。鋼輪是一個(gè)內(nèi)部有齒的剛性環(huán)。鋼輪比柔輪多兩個(gè)齒，這是諧波傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)。圓形的波形發(fā)生器嵌套在柔輪內(nèi)，當(dāng)波形發(fā)生器插入柔輪時(shí)，柔輪將采用波形發(fā)生器的形狀。波形發(fā)生器和柔輪之后被放置在鋼輪內(nèi)，將齒嚙合在一起。諧波減速器通常采用波發(fā)生器主動(dòng)、剛輪固定、柔輪輸出的形式工作。當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)圓時(shí)、迫使柔輪產(chǎn)生彈性形變而呈橢圓狀，使其長(zhǎng)軸處柔輪輪齒插入剛輪的輪齒槽內(nèi)，成為完全嚙合狀態(tài)，而其短軸處兩處輪齒完全不接觸，處于脫開狀態(tài)。當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，迫使柔輪不斷變形，使兩輪輪齒在進(jìn)行嚙入、嚙合、嚙出、脫出的過程中不斷改變各自的工作狀態(tài)，產(chǎn)生了所謂的錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)波發(fā)生器與柔輪的運(yùn)動(dòng)傳遞。與目前工業(yè)機(jī)器人常用的RV減速器以及其他精密減速器相比，諧波減速器使用的材料、體積及重量大幅度下降，具有小體積、高傳動(dòng)比、高精度等優(yōu)勢(shì)、與機(jī)器人旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)適配性高。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)通過力矩傳感器和雙編碼器進(jìn)行速度、位置等數(shù)據(jù)的反饋，驅(qū)動(dòng)器通過反饋的信息來控制電機(jī)。雙編碼器包含電機(jī)側(cè)的編碼器和減速器輸出端的編碼器，構(gòu)成全閉環(huán)的位置速度控制。位置閉環(huán)可以通過輸出端的編碼器，速度閉環(huán)可通過電機(jī)側(cè)的編碼器。同時(shí)，力矩傳感器可精確反饋關(guān)節(jié)的力矩。速度、位置、力矩信息最終反饋給控制器和驅(qū)動(dòng)器，使其對(duì)電機(jī)輸出后續(xù)的力矩、速度和位置控制量。線性關(guān)節(jié)與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)動(dòng)力源相同，由絲杠實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)到直線的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與線性關(guān)節(jié)的動(dòng)力產(chǎn)生源頭都是基于旋轉(zhuǎn)的無框力矩電機(jī)，而旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)最終轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)是借助絲杠這一減速元件完成的。特斯拉Optimus使用絲杠中性能最為優(yōu)異的行星滾柱絲杠，采用了反向行星滾柱絲杠技術(shù)。行星滾柱絲杠屬于絲杠類中性能最優(yōu)異，但也最昂貴的一個(gè)子類，普通應(yīng)用消費(fèi)級(jí)的絲杠包括梯形絲杠(螺母)與滾珠絲杠。行星滾柱絲杠是把行星減速器與絲杠的原理進(jìn)行融合，在主螺紋絲杠的周圍，行星式地布置了6-12個(gè)螺紋滾柱，由傳統(tǒng)滾珠絲杠式的點(diǎn)接觸變換成了精度與承載力更高的線/面接觸。發(fā)布會(huì)中的推桿采用了反向行星滾柱絲杠技術(shù)，反向的意思為螺母旋轉(zhuǎn)，螺桿不動(dòng)。剖面圖可以看到伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子直接帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)。該方案特點(diǎn)是行星滾子與螺母多點(diǎn)咬合滾動(dòng)配合，承載能力極強(qiáng)，壽命超長(zhǎng)，比常規(guī)滾珠絲杠提升一個(gè)數(shù)量級(jí)。但難點(diǎn)是滾子及螺母磨制工藝復(fù)雜耗時(shí)，裝配時(shí)需要匹配不同滾子的相位，操作難度大，因此成本很高。3、靈巧手：精密傳輸造就其“短小精悍”每只靈巧手使用了6只空心杯關(guān)節(jié)，其核心零部件主要包括空心杯電機(jī)、多級(jí)行星減速器、編碼器、驅(qū)動(dòng)器、接近傳感器等、觸覺傳感器、溫度傳感器、力傳感器等。靈巧手是人形機(jī)器人執(zhí)行動(dòng)作的最終零件，配備豐富的感知和執(zhí)行技術(shù)。通過手指等部位的傳感器，實(shí)時(shí)將信號(hào)傳回處理決策后，將控制信號(hào)傳回手部并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行。靈巧手配備的傳感器主要有接近傳感器、觸覺傳感器、溫度傳感器、力傳感器等。靈巧手中相應(yīng)的傳動(dòng)配置為空心杯關(guān)節(jié)、蝸輪蝸桿、線傳動(dòng)。在空心杯關(guān)節(jié)之后引入了一級(jí)蝸輪蝸桿，蝸輪蝸桿輸出端通過鋼絲繩驅(qū)動(dòng)手指關(guān)節(jié)，使得手指的動(dòng)作更加順滑。手部具有自鎖功能，推測(cè)是蝸輪蝸桿自身具有的機(jī)械自鎖特性。自鎖裝置的重要性在于斷電狀態(tài)或者故障狀態(tài)時(shí)還可以保證抓取的負(fù)載不掉落。亦可以在抓取負(fù)載的手臂移動(dòng)時(shí)，電機(jī)不用上電，等手臂移動(dòng)到位后，需要釋放負(fù)載時(shí)電機(jī)再上電，整個(gè)搬運(yùn)過程中負(fù)載靠結(jié)構(gòu)而不用電機(jī)承載，這可以降低能耗，降低手掌溫升。無刷空心杯電機(jī)體型小且功率密度大，與靈巧手關(guān)節(jié)適配性高?？招谋妱?dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，采用的是無鐵芯轉(zhuǎn)子。無刷空心杯以線杯作為定子，永磁磁鐵作為轉(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(shí)其重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大幅降低，從而減少了轉(zhuǎn)子自身的機(jī)械能損耗。同時(shí)，無鐵芯轉(zhuǎn)子與普通鐵芯轉(zhuǎn)子相比要輕，進(jìn)一步提高了電機(jī)的功率密度，提高了電機(jī)的效率。而靈巧手的關(guān)節(jié)需要配備體積小且能輸出較大力的電機(jī)。因此，功率密度高、效率高且體型較小的空心杯電機(jī)適合用于靈巧手關(guān)節(jié)。三、重點(diǎn)公司分析（一）鳴志電器鳴志電器是全球運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品先進(jìn)制造商，長(zhǎng)期秉持對(duì)專業(yè)應(yīng)用技術(shù)和國(guó)際化科學(xué)管理手段的追求。公司運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的主營(yíng)產(chǎn)品包括步進(jìn)電機(jī)、空心杯電機(jī)、伺服電機(jī)等控制電機(jī)以及相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器。公司專注于智能電機(jī)技術(shù)研究以及生產(chǎn)制造的自動(dòng)化提升，以成為信息化和自動(dòng)化領(lǐng)域的綜合性提供商為目標(biāo)，打造精密控制電機(jī)加直線傳動(dòng)、加減速機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的模組化產(chǎn)品。近五年收入結(jié)構(gòu)以控制電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品、貿(mào)易代理業(yè)務(wù)以及LED控制與驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品為主。2022年公司總營(yíng)收29.6億元，同比增長(zhǎng)9.05%，實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤(rùn)2.47億元，同比下降11.58%，實(shí)現(xiàn)扣非歸母凈利潤(rùn)2.34億元，同比下降9.36%。（二）拓普集團(tuán)拓普集團(tuán)成立于1983年，深耕汽車行業(yè)40年，主要從事汽車零部件的研發(fā)、生產(chǎn)與銷售。公司主要致力于汽車動(dòng)力底盤系統(tǒng)、飾件系統(tǒng)、智能駕駛系統(tǒng)等領(lǐng)域的研發(fā)與制造，主要產(chǎn)品有汽車NVH減震系統(tǒng)、內(nèi)外飾系統(tǒng)、車身輕量化、底盤系統(tǒng)、智能座艙、熱管理系統(tǒng)、空氣懸架系統(tǒng)和智能駕駛系統(tǒng)等。公司與戰(zhàn)略客戶推行Tier0.5級(jí)合作模式，為客戶提供更好的QSTP產(chǎn)品及服務(wù)的同時(shí)，持續(xù)為客戶創(chuàng)造價(jià)值。國(guó)內(nèi)戰(zhàn)略客戶包括華為、金康、比亞迪、吉利等，海外客戶包括RIVIAN、LUCID、福特等，產(chǎn)品平臺(tái)化戰(zhàn)略持續(xù)推進(jìn)。2022年公司總營(yíng)收為159.92億元，同比增長(zhǎng)39.52%，實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤(rùn)17.0億元，同比增長(zhǎng)67.13%，實(shí)現(xiàn)扣非歸母凈利潤(rùn)16.56億元，同比增長(zhǎng)70.57%。（三）三花智控三花智控是全球熱管理龍頭企業(yè)，與全球眾多車企和空調(diào)制冷電器廠家深度合作，經(jīng)過三十多年的積累和發(fā)展，公司空調(diào)電子膨脹閥、四通換向閥、電磁閥、微通道換熱器、車用電子膨脹閥、新能源車熱管理集成組件、Omega泵等產(chǎn)品市占率全球第一。公司長(zhǎng)期堅(jiān)持“專注領(lǐng)先、創(chuàng)新超越”的經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略，以熱泵技術(shù)和熱管理系統(tǒng)產(chǎn)品為核心，將產(chǎn)品拓展到建筑暖通、電氣設(shè)備和新能源汽車領(lǐng)域。2022年公司總營(yíng)收為213.48億元，同比增長(zhǎng)33.25%，實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤(rùn)25.73億元，同比增長(zhǎng)52.81%，實(shí)現(xiàn)扣非歸母凈利潤(rùn)22.91億元，同比增長(zhǎng)54.05%。（四）匯川技術(shù)匯川技術(shù)成立于2003年，公司聚焦工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化，專注于工業(yè)自動(dòng)化控制產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。公司憑借PLC和伺服積累打造智造方案核心，定位服務(wù)于高端設(shè)備制造商，是國(guó)內(nèi)工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的龍頭企業(yè)。2022年公司總營(yíng)收為230.08億元，同比增長(zhǎng)28.23%，實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤(rùn)43.2億元，同比增長(zhǎng)20.89%，實(shí)現(xiàn)扣非歸母凈利潤(rùn)33.89億元，同比增長(zhǎng)16.13%。（五）步科股份步科股份專注于工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備控制核心部件與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)軟硬件的研發(fā)、生產(chǎn)以及銷售，是一家機(jī)器自動(dòng)化與工廠智能化解決方案提供商。公司下游應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，覆蓋機(jī)器人行業(yè)、醫(yī)療影像設(shè)備行業(yè)、機(jī)器物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)、數(shù)字化餐飲行業(yè)等。公司注重研發(fā)與創(chuàng)新，緊隨行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)和市場(chǎng)需求，2022年研發(fā)并上市了M2系列雙核人機(jī)界面、AK800系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制器、DtoolsV4.0版本組態(tài)軟件等平臺(tái)產(chǎn)品，持續(xù)保持并加強(qiáng)公司市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。2022年公司總營(yíng)收為5.39億元，同比增長(zhǎng)0.37%，實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤(rùn)0.91億元，同比增長(zhǎng)21.88%，實(shí)現(xiàn)扣非歸母凈利潤(rùn)0.87億元，同比增長(zhǎng)28.32%。（六）江蘇雷利江蘇雷利主要從事家用電器、汽車微特電機(jī)、醫(yī)療儀器用智能化組件、工控電機(jī)及相關(guān)零部件研發(fā)、生產(chǎn)與銷售。經(jīng)過30余年發(fā)展，公司已成為微特電機(jī)產(chǎn)品及智能化組件制造行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，年電機(jī)出貨量超2億臺(tái)。公司持續(xù)推進(jìn)在汽車零部件、工業(yè)、運(yùn)動(dòng)健康等多個(gè)領(lǐng)域協(xié)調(diào)發(fā)展，不斷利用技術(shù)研發(fā)與制造優(yōu)勢(shì)，為客戶提供更優(yōu)的微電機(jī)產(chǎn)品和相關(guān)解決方案。在全球與眾多龍頭企業(yè)形成合作，國(guó)內(nèi)客戶包括格力、美的、TCL等，海外客戶包括松下、LG、三星等，公司通過持續(xù)的創(chuàng)新投入與資源整合，為客戶提供更豐富和個(gè)性化的產(chǎn)品。2022年公司總營(yíng)收為29.0億元，同比下降0.65%，實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤(rùn)2.59億元，同比增長(zhǎng)5.96%，實(shí)現(xiàn)扣非歸母凈利潤(rùn)3.39億元，同比增長(zhǎng)46.04%。（七）禾川科技禾川科技成立于2011年11月，長(zhǎng)期致力于工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品的研發(fā)、制造、銷售以及應(yīng)用集成，是一家以技術(shù)驅(qū)動(dòng)的工業(yè)自動(dòng)化控制核心部件及系統(tǒng)集成解決方案提供商。制造端，公司建有自主化壓鑄、CNC精密加工、電子貼裝、自動(dòng)組裝的深度制造產(chǎn)線。主要產(chǎn)品包括伺服系統(tǒng)、控制器（PLC）、視覺系統(tǒng)、編碼器、變頻器、觸摸屏等，廣泛應(yīng)用于光伏、3C、鋰電、機(jī)器人等領(lǐng)域。2022年公司總營(yíng)收為9.44億元，同比增長(zhǎng)25.66%，實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤(rùn)0.9億元，同比下降17.85%，實(shí)現(xiàn)扣非歸母凈利潤(rùn)0.8億元，同比下降19.79%。（八）中大力德中大力德創(chuàng)始于1998年，立足于智能化、自動(dòng)化裝備核心零部件設(shè)計(jì)和制造，為各類機(jī)械設(shè)備提供安全、搞笑、精密的動(dòng)力傳動(dòng)與控制應(yīng)用解決方案。公司主要產(chǎn)品包括微型無刷直流減速電機(jī)、精密行星減速器、RV減速器、伺服驅(qū)動(dòng)、永磁直流減速電機(jī)等，形成了減速器+電機(jī)+驅(qū)動(dòng)一體化的產(chǎn)品架構(gòu)，廣泛應(yīng)用于工作母機(jī)、數(shù)控設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人、電子等機(jī)械裝備領(lǐng)域。2022年公司總營(yíng)收為8.98億元，同比下降5.81%，實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤(rùn)0.66億元，同比下降18.43%，實(shí)現(xiàn)扣非歸母凈利潤(rùn)0.5億元，同比下降33.73%。（九）奧普光電專攻光柵編碼器，具備領(lǐng)先研發(fā)能力。長(zhǎng)春奧普光電技術(shù)股份有限公司成立于2001年6月。公司主營(yíng)業(yè)務(wù)為光電測(cè)控儀器設(shè)備、新型醫(yī)療檢測(cè)儀器及光學(xué)材料等產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)與銷售。其子公司長(zhǎng)春禹衡光學(xué)有限公司是儀器儀表行業(yè)的專業(yè)制造企業(yè)，半個(gè)世紀(jì)以來一直專注光柵編碼器和光學(xué)儀器的研制，是細(xì)分領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)。公司現(xiàn)有可用于機(jī)器人的JKR系列光柵編碼器產(chǎn)品。近五年收入結(jié)構(gòu)以光電測(cè)控儀器為主。2022年公司總收入為6.27億元，同比增長(zhǎng)14.67%，實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤(rùn)0.82億元，同比增長(zhǎng)75.31%，實(shí)現(xiàn)扣非歸母凈利潤(rùn)0.00377億元，同比下降98.83%。（十）瀚川智能參股六維力矩傳感器龍頭坤維科技與移動(dòng)機(jī)器人廠商仙工智能，切入人形機(jī)器人高壁壘環(huán)節(jié)。蘇州瀚川智能科技股份有限公司成立于2007年，是一家專業(yè)的智能制造解決方案提供商，瀚川智能聚焦汽車電動(dòng)化、智能化領(lǐng)域，為汽車、新能源等領(lǐng)域用戶提供自動(dòng)化裝備、核心零部件和工業(yè)軟件整體解決方案及服務(wù)。通過全資子公司蘇州瀚海皓星投資直接參股六維力矩傳感器龍頭坤維科技。常州坤維傳感科技有限公司成立于2018年，是一家致力于提供高精度力覺傳感器（六軸力傳感器）及力控解決方案的企業(yè)。公司主營(yíng)智能力覺傳感器的研發(fā)、制造、銷售、及技術(shù)推廣，開發(fā)面向機(jī)器人及其他智能裝備行業(yè)的力覺傳感器產(chǎn)品，為機(jī)器人及其它智能裝備、工業(yè)過程簡(jiǎn)控、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、科研測(cè)試測(cè)量等領(lǐng)域提供力覺測(cè)量解決方案及相關(guān)產(chǎn)品。目前擁有KWR36系列等多種六維力矩傳感器產(chǎn)品。上海仙工智能科技有限公司（SEER）是一家專注于智能生產(chǎn)和智慧物流的高新技術(shù)企業(yè)，業(yè)務(wù)涵蓋了通用AMR控制系統(tǒng)、企業(yè)數(shù)字化中臺(tái)、基于視覺系統(tǒng)的車廠協(xié)同方案以及自動(dòng)叉車在內(nèi)的各類AMR，為各行業(yè)的客戶提供一站式全感知物流解決方案，以標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品支撐非標(biāo)應(yīng)用，致力于推動(dòng)工業(yè)的信息化、數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)。目前擁有頂升機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人底盤、移動(dòng)機(jī)器人控制器等產(chǎn)品，近五年收入結(jié)構(gòu)以智能制造設(shè)備為核心。2022年公司總收入為11.43億元，同比增長(zhǎng)50.77%，實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤(rùn)0.74億元，同比增長(zhǎng)20.90%，實(shí)現(xiàn)扣非歸母凈利潤(rùn)0.26億元，同比下降16.60%。（十一）雙環(huán)傳動(dòng)浙江雙環(huán)傳動(dòng)機(jī)械股份有限公司是國(guó)