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

• 朱夢華 2023年9月21日 來源：互聯(lián)網(wǎng) 1085 69
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控制電機是機器人“動力核心”。電機是一種將電能轉換為機械能的裝置，主要由外殼、定子、轉子、繞組組成。電機種類眾多，根據(jù)不同方式可以劃分為不同種類，應用領域眾多，本文主要關注應用在機器人領域的控制電機（伺服電機）?？刂齐姍C的產業(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鍵：1）磁性材料對電機性能影響較大，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運動控制性能有著密切的關聯(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。我們認為編碼器是電機核心部分，國內企業(yè)持續(xù)突破，有望加速高端電機國產化。

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

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看好人形機器人帶動國內廠商切入高端電機市場。復盤MAXON發(fā)展之路，我們認為其布局高壁壘產品+新興領域應用，并布局上游零部件和驅控技術，是MAXON維持高利潤的關鍵。而國內電機企業(yè)處于“量增”走向“提質”階段，部分企業(yè)不斷加速中高端電機相關行業(yè)滲透（工控等），若人形機器人加速落地，或將給國內企業(yè)帶來參與先進領域設計/制造的機會：人形機器人潛在空間較大，這類高成長賽道或將帶動國內企業(yè)對高端電機領域研發(fā)和布局，帶動國內企業(yè)切入高端電機市場。

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風起人形機器人，機器人電機市場蓄勢待發(fā)

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

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工業(yè)機器人：伺服電機系統(tǒng)是機器人“心臟”

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工業(yè)機器人指面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度機器人，在工業(yè)生產加工過程中通過自動控制來代替人類執(zhí)行某些單調、頻繁和重復的長時間作業(yè)，主要包括焊接機器人、搬運機器人、碼垛機器人、包裝機器人、噴涂機器人、切割機器人和凈室機器人。工業(yè)機器人在機械結構上有類似人類的行走、扭腰、大臂、小臂、手腕、爪子等部件，由計算機控制。工業(yè)機器人廣泛應用于電子、物流、化工等工業(yè)領域。按照機械機構分類，工業(yè)機器人可以分為線性機器人（又叫直角坐標機器人）、多自由度機器人（又叫多關節(jié)機器人）、并聯(lián)機器人（又叫deltaΔ機器人）和水平多關節(jié)機器人（又叫scara機器人）等。

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

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協(xié)作機器人：輕量化設計背景下，無框電機成首選

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

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

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人形機器人：全新市場帶來新增量

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

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1）剛性驅動：1983年，早稻田大學研究的WL－10R機器人使用剛性驅動器TSA。自此雙足人形機器人開始廣泛應用剛性驅動器為關節(jié)動力源。剛性驅動器主要由電機、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）。相比其他方案，剛性驅動較為成熟，但能量效率相對較低一些

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2）彈性驅動：1995年，麻省理工學院的Pratt等提出了彈性驅動器SEA(serieselasticactuator)的概念。美國宇航局的機器人Valkyrie和意大利技術研究院的機器人WalkMan都使用了彈性驅動器。彈性驅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)榍夫寗酉到y(tǒng)，因此運動控制精度較低。

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

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

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