2024年關(guān)節(jié)執(zhí)行器專(zhuān)題報(bào)告：受益人形機(jī)器人發(fā)展-國(guó)產(chǎn)化有望加速

2024年關(guān)節(jié)執(zhí)行器專(zhuān)題報(bào)告：受益人形機(jī)器人發(fā)展_國(guó)產(chǎn)化有望加速人形機(jī)器人：更迭加速，商業(yè)化拉開(kāi)序幕人形機(jī)器人：亦稱(chēng)仿人機(jī)器人，是研究人類(lèi)智能的高級(jí)平臺(tái)，是綜合機(jī)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(jī)械。“仿人”的本質(zhì)在于此類(lèi)高級(jí)機(jī)器人具有類(lèi)人的感知、決策、行為和交互能力，即人形機(jī)器人不僅需要具有類(lèi)人的形體和外觀(guān)、類(lèi)人的知覺(jué)和感官功能、類(lèi)人的大腦思維與控制能力，更需要具備行為的“類(lèi)人特征”，這一特征的基本體現(xiàn)為類(lèi)人雙足運(yùn)動(dòng)平衡與控制能力的實(shí)現(xiàn)水平。技術(shù)持續(xù)更迭。第一款人形機(jī)器人由加藤一郎研發(fā)，迭代到最新的人形機(jī)器人，比如特斯拉“擎天柱”，技術(shù)路線(xiàn)發(fā)生多次迭代。進(jìn)入21世紀(jì)，機(jī)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(lài)更多樣的傳感器對(duì)外界進(jìn)行感知，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)也進(jìn)一步迭代為一體化程度較高，同時(shí)具備驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)以及傳感器。人形機(jī)器人商業(yè)化已開(kāi)啟，比如特斯拉、優(yōu)必選、宇樹(shù)科技等人形機(jī)器人廠(chǎng)商均發(fā)布商用新進(jìn)展。特斯拉：5月5日發(fā)布Optimus最新進(jìn)展視頻，展現(xiàn)其分揀電池、行走、執(zhí)行工廠(chǎng)任務(wù)的能力。優(yōu)必選：工業(yè)版人形機(jī)器人WalkerS在新能源車(chē)廠(chǎng)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)；4月27日正式發(fā)布通用人形機(jī)器人母平臺(tái)“天工”，實(shí)現(xiàn)6km/h的穩(wěn)定奔跑。宇樹(shù)科技：5月13日宣布發(fā)售UnitreeG1，售價(jià)9.9萬(wàn)元起。關(guān)節(jié)執(zhí)行器：人形機(jī)器人核心運(yùn)動(dòng)部件執(zhí)行器是提供受控和有限移動(dòng)或定位的機(jī)械或機(jī)電裝臵，其通過(guò)一些流體的幫助來(lái)操作，包括線(xiàn)性執(zhí)行器與旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器。分類(lèi)：線(xiàn)性執(zhí)行器、旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器。1）線(xiàn)性執(zhí)行器：將能量轉(zhuǎn)換為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，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(duì)于中點(diǎn)（即沿圓）以角度移動(dòng)。在其最簡(jiǎn)單的形式中，線(xiàn)性執(zhí)行器是旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器的延伸，包含一個(gè)額外的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器，可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)。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(xiàn)性運(yùn)動(dòng)。工藝壁壘較高。制造精密運(yùn)動(dòng)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(gè)關(guān)節(jié)執(zhí)行器，涉及旋轉(zhuǎn)與線(xiàn)性?xún)纱箢?lèi)，零部件包括減速器、絲杠、電機(jī)、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(xiàn)性執(zhí)行器），共計(jì)28個(gè)執(zhí)行器，能夠?qū)崿F(xiàn)28個(gè)自由度。手部（單手）：6個(gè)執(zhí)行器和11個(gè)自由度，符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)。關(guān)節(jié)執(zhí)行器初步方案：主要涉及電機(jī)、諧波減速器（旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）、滾珠/滾柱絲桿（線(xiàn)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(duì)零部件的性能及大小提出了更高要求。根據(jù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)目標(biāo)和應(yīng)用場(chǎng)景，選擇不同的零部件和配臵方案。人形機(jī)器人的關(guān)節(jié)執(zhí)行器在設(shè)計(jì)上會(huì)有不同的側(cè)重點(diǎn)，包括但不限于負(fù)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(huì)搭配減速器使用。常見(jiàn)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(chǎng)商可能會(huì)根據(jù)不同的扭矩和空間要求選擇行星減速器或其他類(lèi)型減速器。2）在直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器中，絲杠是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件。梯型絲杠、滾珠絲杠和滾柱絲杠是較為常見(jiàn)的選擇，廠(chǎng)商可能根據(jù)不同部位對(duì)承載力、精度等要求不同而選擇不同類(lèi)型的絲杠。另外，關(guān)節(jié)數(shù)量是實(shí)現(xiàn)這些自由度的關(guān)鍵，每個(gè)關(guān)節(jié)通常提供至少一個(gè)自由度。自由度的設(shè)計(jì)需要與人形機(jī)器人預(yù)期的應(yīng)用場(chǎng)景相匹配。絲杠：高精度設(shè)備+工藝是關(guān)鍵，國(guó)產(chǎn)化率低絲杠功能：主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反復(fù)作用力。絲杠分類(lèi)：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(shí)代出現(xiàn)，兩者區(qū)別如下：滾珠絲杠：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)效率較高，可大于90%；載荷傳遞元件為滾珠，是點(diǎn)接觸，主要優(yōu)勢(shì)是有眾多的接觸點(diǎn)來(lái)支撐負(fù)載，有更高的抗沖能力。行星滾柱絲杠：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)效率一般低于90%；載荷傳遞元件為螺紋滾柱，是典型的線(xiàn)接觸，在需要特大載荷的場(chǎng)合，特別是空間受限制的情況下需要很大載荷時(shí)，會(huì)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(diǎn)是長(zhǎng)絲桿-短螺母外加螺旋滾道，通過(guò)滾柱在絲杠軸上的滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。反向行利用其長(zhǎng)螺母-短絲杠的組合形式，可以將長(zhǎng)螺母設(shè)計(jì)成電機(jī)轉(zhuǎn)子，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電融合直線(xiàn)作動(dòng)器設(shè)計(jì)，體積較小，結(jié)構(gòu)緊湊，適合人形機(jī)器人。反向式行星滾柱絲杠機(jī)構(gòu)中，螺母只沿周向轉(zhuǎn)動(dòng)，不沿軸向移動(dòng)，絲杠只沿軸向移動(dòng)，不沿周向轉(zhuǎn)動(dòng)，滾柱既有自轉(zhuǎn)，又有公轉(zhuǎn)。反向式行星滾柱絲杠通過(guò)較小的導(dǎo)程實(shí)現(xiàn)更高的額定負(fù)載，從而降低驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，其在精度、強(qiáng)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?chē)?guó)產(chǎn)化率仍有較大空間，已出現(xiàn)一批有一定競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)商。在國(guó)際市場(chǎng)上，高端滾珠絲杠市場(chǎng)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(lè)、Kuroda、舍弗勒集團(tuán)等；近年來(lái)，隨著科技技術(shù)進(jìn)步，我國(guó)滾珠絲杠行業(yè)內(nèi)也涌現(xiàn)出一批具有一定競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)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(jī)械、陜西漢江機(jī)床等企業(yè)，同時(shí)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(jī)器人感知核心，六維力壁壘高、降本空間大機(jī)器人通過(guò)傳感器獲得感覺(jué)信息。傳感器是一種檢測(cè)裝臵，能感受到被測(cè)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(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、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(hào)的器件。多維力/力矩傳感器技術(shù)壁壘更高。根據(jù)所測(cè)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(cè)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(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)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(shí)測(cè)量3個(gè)力分量和3個(gè)力矩分量的傳感器。相比單維力，除了要解決對(duì)所測(cè)力分量敏感的單調(diào)性和一致性問(wèn)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(wèn)題、動(dòng)靜態(tài)標(biāo)定問(wèn)題以及矢量運(yùn)算中的解耦算法和電路實(shí)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(lèi)型：應(yīng)變片式、光學(xué)式以及壓電/電容式。每種類(lèi)型的六維力傳感器都在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。目前，市場(chǎng)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(cè)量。六維力矩傳感器：人形機(jī)器人基本配備4個(gè)六維力傳感器，未來(lái)降本空間大。批量應(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用在協(xié)作機(jī)器人末端、航空航天風(fēng)洞測(cè)試、醫(yī)療領(lǐng)域、運(yùn)動(dòng)健康領(lǐng)域中，人形機(jī)器人手腕如此靈活有它的功勞。人形機(jī)器人應(yīng)用：目前一個(gè)人形機(jī)器人基本會(huì)配備4個(gè)六維力傳感器。降本空間大：?jiǎn)蝹€(gè)六維力傳感器的價(jià)格在2萬(wàn)以上，導(dǎo)致了較高的應(yīng)用成本門(mén)檻。國(guó)內(nèi)廠(chǎng)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(dòng)化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，以高產(chǎn)量攤薄單個(gè)傳感器成本，未來(lái)在十萬(wàn)乃至百萬(wàn)臺(tái)的年產(chǎn)能下，六維力傳感器售價(jià)將下降一個(gè)數(shù)量級(jí)。中國(guó)六維力傳感器市場(chǎng)有望實(shí)現(xiàn)較快增長(zhǎng)。根據(jù)高工機(jī)器人產(chǎn)業(yè)研究所（GGII）數(shù)據(jù)顯示，2022年中國(guó)市場(chǎng)六維力/力矩傳感器銷(xiāo)量8360套/2.39億元，同比增長(zhǎng)57.97%/52.04%，其中機(jī)器人行業(yè)銷(xiāo)量4840套/1.56億元，同比增長(zhǎng)62.58%/54.35%。到2027年中國(guó)市場(chǎng)六維力/力矩傳感器銷(xiāo)量有望突破84000套/15億元，復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)60%/45%，其中機(jī)器人行業(yè)銷(xiāo)量有望突破42000套。國(guó)產(chǎn)六維力/矩傳感器與海外在靈敏度、串?dāng)_、抗過(guò)載能力及維間耦合誤差等方面仍存在差距。國(guó)內(nèi)部分企業(yè)已有相關(guān)的產(chǎn)品落地并進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用或部分產(chǎn)品型號(hào)開(kāi)始進(jìn)入下游用戶(hù)的驗(yàn)證測(cè)試階段。精密減速器：進(jìn)行中，期待人形帶來(lái)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(dá)到理想的傳動(dòng)效果。減速器是屬于經(jīng)過(guò)精密加工的分流式和同進(jìn)軸式減速機(jī)設(shè)計(jì)，由增速裝臵、復(fù)合傳動(dòng)裝臵配臵各種類(lèi)電機(jī)組成，精確的角度傳輸都可以見(jiàn)到減速機(jī)的應(yīng)用，具有能耗低，性能優(yōu)越等特點(diǎn)。精密減速器具有更高控制精度，種類(lèi)包括諧波減速器、RV減速器、擺線(xiàn)針輪行星減速器、精密行星減速器等，主要應(yīng)用于機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等高端領(lǐng)域。精密減速器的存在使伺服電機(jī)在一個(gè)合適的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)，并精確地將轉(zhuǎn)速降到機(jī)器人各部位需要的速度，提高機(jī)械剛性的同時(shí)輸出更大的力矩。大量應(yīng)用于多關(guān)節(jié)機(jī)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(jī)器人中，一般將RV減速器放臵在機(jī)座、大臂、肩部等重負(fù)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(dòng)精度、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、空程、背隙、傳動(dòng)誤差、傳動(dòng)效率等。國(guó)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(guó)內(nèi)產(chǎn)品系列相對(duì)殘缺。2）一致性問(wèn)題。國(guó)產(chǎn)減速器在實(shí)際使用環(huán)境下的性能，與實(shí)驗(yàn)室性能無(wú)法完全匹配，個(gè)別產(chǎn)品存在漏油、精度降低等情況，是阻礙國(guó)產(chǎn)減速器進(jìn)軍高端市場(chǎng)的原因之一。RV減速器：對(duì)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(guó)內(nèi)產(chǎn)品在傳動(dòng)效率上可以與國(guó)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(guó)內(nèi)市占率來(lái)看，Nab仍處于領(lǐng)先定位，環(huán)動(dòng)國(guó)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(mǎn)足要求，已大量應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)機(jī)器人。國(guó)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(shì)。從國(guó)內(nèi)市占率來(lái)看，哈默納科仍處于領(lǐng)先定位，綠的諧波國(guó)內(nèi)市占率第二，空間仍然較大。中國(guó)減速器市場(chǎng)空間：需求量可觀(guān)。根據(jù)觀(guān)研天下援引IFR：RV減速器：2022-2025年全球工業(yè)機(jī)器人用RV減速機(jī)市場(chǎng)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(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人用RV減速機(jī)市場(chǎng)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(jī)器人用諧波減速機(jī)市場(chǎng)規(guī)模分別為39.1/46.8/56.4/68.2億元，2021-2025年CAGR達(dá)20.0%。2022-2025年國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人用諧波減速機(jī)市場(chǎng)規(guī)模分別為18.5/22.7/27.9/34.6億元，2021-2025年CAGR達(dá)22.9%。電機(jī)：無(wú)框力矩電機(jī)和空心杯電機(jī)有望放量無(wú)框力矩電機(jī)：磁路和工藝設(shè)計(jì)是難點(diǎn)，通常需要定制。無(wú)框架電機(jī)是傳統(tǒng)電機(jī)中用于產(chǎn)生扭矩和速度的部分，但沒(méi)有軸、軸承、外殼或端蓋。無(wú)框電機(jī)只有兩個(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，齒輪外部環(huán)繞鋼片和銅繞組，以產(chǎn)生緊密攀附在機(jī)器殼體內(nèi)的電磁力。無(wú)框電機(jī)在機(jī)器人、醫(yī)藥、機(jī)床、包裝、印刷、加工和通用自動(dòng)化等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。市場(chǎng)空間：根據(jù)Technavio數(shù)據(jù)，2022年全球力矩電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)6.12億美元，預(yù)計(jì)到2028年達(dá)到8.99億美元，期間復(fù)合年增長(zhǎng)率為8.01%。無(wú)框力矩電機(jī)偏向定制，國(guó)內(nèi)企業(yè)無(wú)框電機(jī)也有布局。無(wú)框力矩電機(jī)更偏向以輸出扭距為衡量指標(biāo)，而普通伺服電機(jī)更偏向以輸出功率為評(píng)價(jià)指標(biāo)。無(wú)框力矩電機(jī)是需要一體化設(shè)計(jì)并集成到機(jī)器內(nèi)部，需要根據(jù)具體的機(jī)械設(shè)計(jì)尺寸來(lái)確定無(wú)框力矩電機(jī)的外形尺寸和扭矩/轉(zhuǎn)速性能。因此，無(wú)框力矩電機(jī)在磁路和工藝設(shè)計(jì)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(dòng)性的電路設(shè)計(jì)以及電路轉(zhuǎn)換等方面來(lái)看，通常需要定制，對(duì)整體安裝、固定的工藝及設(shè)計(jì)具有較高的要求。目前無(wú)框電機(jī)的代表性產(chǎn)品有美國(guó)科爾摩根的TBM無(wú)框力矩電機(jī)、Parker公司的K系列無(wú)框伺服電機(jī)；國(guó)內(nèi)昊志機(jī)電等有無(wú)框力矩電機(jī)布局。空心杯電機(jī)：手指關(guān)節(jié)匹配度較高，難點(diǎn)在于大批量生產(chǎn)、裝配。空心杯電動(dòng)機(jī)屬于直流永磁的伺服、控制電動(dòng)機(jī)?？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(wú)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(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。由于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)變化而使電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性得到了改善，不但具有突出的節(jié)能特點(diǎn)，更為重要的是具備了鐵芯電動(dòng)機(jī)所無(wú)法達(dá)到的控制