機(jī)器人行業(yè)發(fā)展分析 人形機(jī)器人時(shí)代有望帶動無框電機(jī)&空心杯電機(jī)快速增長

• 朱夢華 2023年9月21日 來源：互聯(lián)網(wǎng) 1085 69
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控制電機(jī)是機(jī)器人“動力核心”。電機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，主要由外殼、定子、轉(zhuǎn)子、繞組組成。電機(jī)種類眾多，根據(jù)不同方式可以劃分為不同種類，應(yīng)用領(lǐng)域眾多，本文主要關(guān)注應(yīng)用在機(jī)器人領(lǐng)域的控制電機(jī)（伺服電機(jī)）?？刂齐姍C(jī)的產(chǎn)業(yè)鏈上游主要是磁性原材料、編碼器、芯片和軸承等，其中磁性材料和編碼器相對關(guān)鍵：1）磁性材料對電機(jī)性能影響較大，磁性材料中釹鐵硼性能較好，滲透率有望提升；2）編碼器的分辨率和精度與電機(jī)運(yùn)動控制性能有著密切的關(guān)聯(lián)，可分為磁編碼器和光電編碼器等，光編碼器精度較高，成本較高，磁編碼器對環(huán)境要求較低。我們認(rèn)為編碼器是電機(jī)核心部分，國內(nèi)企業(yè)持續(xù)突破，有望加速高端電機(jī)國產(chǎn)化。

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人形機(jī)器人時(shí)代將至，有望帶動無框電機(jī)&空心杯電機(jī)快速增長。機(jī)器人相關(guān)的電機(jī)可以分為伺服電機(jī)、直流電機(jī)、交流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，機(jī)器人需要根據(jù)不同場景去選擇對應(yīng)使用電機(jī)，工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人等機(jī)器人根據(jù)應(yīng)用場景不同，會選擇不同電機(jī)：1）工業(yè)機(jī)器人對性能和精度要求較高，主要使用伺服電機(jī)；2）協(xié)作機(jī)器人追求輕量化、小型化等特性，通常采用整體式的無框電機(jī)，并采用關(guān)節(jié)一體化技術(shù)；3）人形機(jī)器人關(guān)節(jié)要求與協(xié)作機(jī)器人有相似之處，主要使用無框電機(jī)、空心杯電機(jī)。從市場角度來看，2021年機(jī)器人電機(jī)市場規(guī)模約11億美元，隨著人形機(jī)器人逐步落地，有望貢獻(xiàn)新增量，若人形機(jī)器人數(shù)量超過100萬個(gè)，將帶來電機(jī)市場增量344億元。

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看好人形機(jī)器人帶動國內(nèi)廠商切入高端電機(jī)市場。復(fù)盤MAXON發(fā)展之路，我們認(rèn)為其布局高壁壘產(chǎn)品+新興領(lǐng)域應(yīng)用，并布局上游零部件和驅(qū)控技術(shù)，是MAXON維持高利潤的關(guān)鍵。而國內(nèi)電機(jī)企業(yè)處于“量增”走向“提質(zhì)”階段，部分企業(yè)不斷加速中高端電機(jī)相關(guān)行業(yè)滲透（工控等），若人形機(jī)器人加速落地，或?qū)⒔o國內(nèi)企業(yè)帶來參與先進(jìn)領(lǐng)域設(shè)計(jì)/制造的機(jī)會：人形機(jī)器人潛在空間較大，這類高成長賽道或?qū)訃鴥?nèi)企業(yè)對高端電機(jī)領(lǐng)域研發(fā)和布局，帶動國內(nèi)企業(yè)切入高端電機(jī)市場。

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風(fēng)起人形機(jī)器人，機(jī)器人電機(jī)市場蓄勢待發(fā)

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電機(jī)是機(jī)器人的關(guān)鍵組成部件之一，電機(jī)的扭矩、功率密度和轉(zhuǎn)速等指標(biāo)決定了機(jī)器人的性能。機(jī)器人相關(guān)的電機(jī)可以分為伺服電機(jī)、直流電機(jī)、交流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，參考Skyquest數(shù)據(jù)，目前直流電機(jī)占比較高，而伺服電機(jī)增長較快，主要應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人、CNC系統(tǒng)對精度要求較高的場合。我們認(rèn)為機(jī)器人需要根據(jù)不同場景去使用對應(yīng)的電機(jī)，工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人等機(jī)器人根據(jù)應(yīng)用場景不同，會選擇不同電機(jī)。本文主要以工業(yè)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人和人形機(jī)器人為例，分析對應(yīng)電機(jī)情況。

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工業(yè)機(jī)器人：伺服電機(jī)系統(tǒng)是機(jī)器人“心臟”

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工業(yè)機(jī)器人指面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人，在工業(yè)生產(chǎn)加工過程中通過自動控制來代替人類執(zhí)行某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長時(shí)間作業(yè)，主要包括焊接機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、包裝機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、切割機(jī)器人和凈室機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)上有類似人類的行走、扭腰、大臂、小臂、手腕、爪子等部件，由計(jì)算機(jī)控制。工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于電子、物流、化工等工業(yè)領(lǐng)域。按照機(jī)械機(jī)構(gòu)分類，工業(yè)機(jī)器人可以分為線性機(jī)器人（又叫直角坐標(biāo)機(jī)器人）、多自由度機(jī)器人（又叫多關(guān)節(jié)機(jī)器人）、并聯(lián)機(jī)器人（又叫deltaΔ機(jī)器人）和水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人（又叫scara機(jī)器人）等。

工業(yè)機(jī)器人對精度要求較高，一般使用伺服電機(jī)，伺服系統(tǒng)成本在機(jī)器人中的占比為25%。伺服系統(tǒng)作為工業(yè)機(jī)器人核心零部件，可以將控制層指令準(zhǔn)確、及時(shí)、穩(wěn)妥地傳送到執(zhí)行層。

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協(xié)作機(jī)器人：輕量化設(shè)計(jì)背景下，無框電機(jī)成首選

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協(xié)作機(jī)器人追求輕量化、人機(jī)相互。協(xié)作機(jī)器人是在SCARA機(jī)器人以及垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人等機(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上衍生出的新類型。協(xié)作機(jī)器人除在外觀形態(tài)上與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人有些差別外，在產(chǎn)品特性上也區(qū)別于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人追求的“剛度”，協(xié)作機(jī)器人更多追求輕量化、柔性和安全協(xié)作性。此外在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、交互方式、部署成本以及應(yīng)用場景等方面與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人也存在一定的差距。

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協(xié)作機(jī)器人具有緊湊小型化、輕量化特性，因此選擇更加緊湊、高效率的電機(jī)方案。協(xié)作機(jī)器人與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人在構(gòu)造上有一定差異，協(xié)作機(jī)器人通常采用整體式的無框電機(jī)，采用關(guān)節(jié)一體化技術(shù)。無框電機(jī)只由定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)部分組成，相較于傳統(tǒng)電機(jī)，去除了軸、軸承和外殼，使其體積更小、結(jié)構(gòu)更緊湊，易于維護(hù)，并便于被高度集成到協(xié)作機(jī)器人本體的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)，從而提高其機(jī)械性能。除了伺服電機(jī)外，協(xié)作機(jī)器人通常還使用體積小、重量輕的諧波減速機(jī)。我們認(rèn)為隨著未來機(jī)器人小型化的發(fā)展，協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)中狹窄的安裝空間和末端力矩的要求顯著增高，對無框電機(jī)本身性能的挑戰(zhàn)也不斷提升。

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人形機(jī)器人：全新市場帶來新增量

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人形機(jī)器人運(yùn)動離不開驅(qū)動器，目前驅(qū)動器方案可以分為剛性驅(qū)動、彈性驅(qū)動和準(zhǔn)直驅(qū)。雙足人形機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動特點(diǎn)和人類關(guān)節(jié)運(yùn)動類似，運(yùn)動速度較快、機(jī)動性較好，因此相比其他驅(qū)動器，人形機(jī)器人驅(qū)動器需要具有高功率密度、高響應(yīng)性、高能量利用效率和耐沖擊性等特性。參考丁宏鈺等的《國內(nèi)外雙足人形機(jī)器人驅(qū)動器研究綜述》，目前人形機(jī)器人電動驅(qū)動器方案可以分為三類：

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1）剛性驅(qū)動：1983年，早稻田大學(xué)研究的WL－10R機(jī)器人使用剛性驅(qū)動器TSA。自此雙足人形機(jī)器人開始廣泛應(yīng)用剛性驅(qū)動器為關(guān)節(jié)動力源。剛性驅(qū)動器主要由電機(jī)、高傳動比減速器、編碼器、力矩傳感器和控制板等組成（力矩傳感器是可選擇項(xiàng)）。相比其他方案，剛性驅(qū)動較為成熟，但能量效率相對較低一些

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2）彈性驅(qū)動：1995年，麻省理工學(xué)院的Pratt等提出了彈性驅(qū)動器SEA(serieselasticactuator)的概念。美國宇航局的機(jī)器人Valkyrie和意大利技術(shù)研究院的機(jī)器人WalkMan都使用了彈性驅(qū)動器。彈性驅(qū)動器通過增加彈性單元來模擬肌肉系統(tǒng)功能，可以緩沖外部沖擊和儲能，使關(guān)節(jié)表現(xiàn)出柔順、安全和高能量效率特性。但由于彈性元件引入，系統(tǒng)變?yōu)榍夫?qū)動系統(tǒng)，因此運(yùn)動控制精度較低。

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3）準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動：2016提出了準(zhǔn)直驅(qū)方案，準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器含義是依靠驅(qū)動器電機(jī)開環(huán)力控，不依賴于附加力或力矩傳感器，就可以本體感知機(jī)器人腳部和外界的交互力，也被稱為本體驅(qū)動器。一般方案是采用電機(jī)加低傳動比減速器的方案，同時(shí)要求負(fù)載質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量盡可能地小，這樣可以實(shí)現(xiàn)高帶寬力控和良好的抗沖擊能力。準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器主要由高扭矩密度電機(jī)、低傳動比減速器、編碼器和控制板等組成。相比其他方案，運(yùn)動控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。

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我們認(rèn)為特斯拉人形機(jī)器人在方案方面偏好剛性驅(qū)動方案，其一體化關(guān)節(jié)（旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）類似協(xié)作機(jī)器人設(shè)計(jì)，無框力矩電機(jī)是核心，利用高轉(zhuǎn)速電機(jī)+高減速比減速器實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。以協(xié)作機(jī)器人為例，一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)主要由扭矩傳感器、諧波減速機(jī)、力矩電機(jī)、制動器、增量編碼器、絕對值編碼器和伺服驅(qū)動器組成。根據(jù)金力等《驅(qū)控一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)的研制及應(yīng)用》，一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)采用無框力矩電機(jī)，電機(jī)定子與關(guān)節(jié)殼體之間一般通過耐高溫樹脂膠粘接或過盈配合連接。電機(jī)轉(zhuǎn)子與電機(jī)軸之間一般通過樹脂膠粘接。無框力矩電機(jī)的大直徑長度比和多磁極對保證了電機(jī)的大扭矩輸出性能和低轉(zhuǎn)速特性，其轉(zhuǎn)子中空結(jié)構(gòu)，方便關(guān)節(jié)的內(nèi)部走線。

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