机器人行业发展分析 人形机器人时代有望带动无框电机&空心杯电机快速增长

• 朱梦华 2023年9月21日 来源：互联网 1085 69
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控制电机是机器人“动力核心”。电机是一种将电能转换为机械能的装置，主要由外壳、定子、转子、绕组组成。电机种类众多，根据不同方式可以划分为不同种类，应用领域众多，本文主要关注应用在机器人领域的控制电机（伺服电机）。控制电机的产业链上游主要是磁性原材料、编码器、芯片和轴承等，其中磁性材料和编码器相对关键：1）磁性材料对电机性能影响较大，磁性材料中钕铁硼性能较好，渗透率有望提升；2）编码器的分辨率和精度与电机运动控制性能有着密切的关联，可分为磁编码器和光电编码器等，光编码器精度较高，成本较高，磁编码器对环境要求较低。我们认为编码器是电机核心部分，国内企业持续突破，有望加速高端电机国产化。

 

人形机器人时代将至，有望带动无框电机&空心杯电机快速增长。机器人相关的电机可以分为伺服电机、直流电机、交流电机和步进电机，机器人需要根据不同场景去选择对应使用电机，工业机器人、服务机器人、协作机器人等机器人根据应用场景不同，会选择不同电机：1）工业机器人对性能和精度要求较高，主要使用伺服电机；2）协作机器人追求轻量化、小型化等特性，通常采用整体式的无框电机，并采用关节一体化技术；3）人形机器人关节要求与协作机器人有相似之处，主要使用无框电机、空心杯电机。从市场角度来看，2021年机器人电机市场规模约11亿美元，随着人形机器人逐步落地，有望贡献新增量，若人形机器人数量超过100万个，将带来电机市场增量344亿元。

 

看好人形机器人带动国内厂商切入高端电机市场。复盘MAXON发展之路，我们认为其布局高壁垒产品+新兴领域应用，并布局上游零部件和驱控技术，是MAXON维持高利润的关键。而国内电机企业处于“量增”走向“提质”阶段，部分企业不断加速中高端电机相关行业渗透（工控等），若人形机器人加速落地，或将给国内企业带来参与先进领域设计/制造的机会：人形机器人潜在空间较大，这类高成长赛道或将带动国内企业对高端电机领域研发和布局，带动国内企业切入高端电机市场。

 

风起人形机器人，机器人电机市场蓄势待发

 

电机是机器人的关键组成部件之一，电机的扭矩、功率密度和转速等指标决定了机器人的性能。机器人相关的电机可以分为伺服电机、直流电机、交流电机和步进电机，参考Skyquest数据，目前直流电机占比较高，而伺服电机增长较快，主要应用在工业机器人、CNC系统对精度要求较高的场合。我们认为机器人需要根据不同场景去使用对应的电机，工业机器人、服务机器人、协作机器人等机器人根据应用场景不同，会选择不同电机。本文主要以工业机器人、协作机器人和人形机器人为例，分析对应电机情况。

 

工业机器人：伺服电机系统是机器人“心脏”

 

工业机器人指面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人，在工业生产加工过程中通过自动控制来代替人类执行某些单调、频繁和重复的长时间作业，主要包括焊接机器人、搬运机器人、码垛机器人、包装机器人、喷涂机器人、切割机器人和净室机器人。工业机器人在机械结构上有类似人类的行走、扭腰、大臂、小臂、手腕、爪子等部件，由计算机控制。工业机器人广泛应用于电子、物流、化工等工业领域。按照机械机构分类，工业机器人可以分为线性机器人（又叫直角坐标机器人）、多自由度机器人（又叫多关节机器人）、并联机器人（又叫deltaΔ机器人）和水平多关节机器人（又叫scara机器人）等。

工业机器人对精度要求较高，一般使用伺服电机，伺服系统成本在机器人中的占比为25%。伺服系统作为工业机器人核心零部件，可以将控制层指令准确、及时、稳妥地传送到执行层。

 

协作机器人：轻量化设计背景下，无框电机成首选

 

协作机器人追求轻量化、人机相互。协作机器人是在SCARA机器人以及垂直多关节机器人等机械结构基础上衍生出的新类型。协作机器人除在外观形态上与传统工业机器人有些差别外，在产品特性上也区别于传统工业机器人追求的“刚度”，协作机器人更多追求轻量化、柔性和安全协作性。此外在结构特点、交互方式、部署成本以及应用场景等方面与传统工业机器人也存在一定的差距。

 

协作机器人具有紧凑小型化、轻量化特性，因此选择更加紧凑、高效率的电机方案。协作机器人与传统工业机器人在构造上有一定差异，协作机器人通常采用整体式的无框电机，采用关节一体化技术。无框电机只由定子和转子两个部分组成，相较于传统电机，去除了轴、轴承和外壳，使其体积更小、结构更紧凑，易于维护，并便于被高度集成到协作机器人本体的中空结构内，从而提高其机械性能。除了伺服电机外，协作机器人通常还使用体积小、重量轻的谐波减速机。我们认为随着未来机器人小型化的发展，协作机器人关节中狭窄的安装空间和末端力矩的要求显著增高，对无框电机本身性能的挑战也不断提升。

 

人形机器人：全新市场带来新增量

 

人形机器人运动离不开驱动器，目前驱动器方案可以分为刚性驱动、弹性驱动和准直驱。双足人形机器人关节运动特点和人类关节运动类似，运动速度较快、机动性较好，因此相比其他驱动器，人形机器人驱动器需要具有高功率密度、高响应性、高能量利用效率和耐冲击性等特性。参考丁宏钰等的《国内外双足人形机器人驱动器研究综述》，目前人形机器人电动驱动器方案可以分为三类：

 

1）刚性驱动：1983年，早稻田大学研究的WL－10R机器人使用刚性驱动器TSA。自此双足人形机器人开始广泛应用刚性驱动器为关节动力源。刚性驱动器主要由电机、高传动比减速器、编码器、力矩传感器和控制板等组成（力矩传感器是可选择项）。相比其他方案，刚性驱动较为成熟，但能量效率相对较低一些

 

2）弹性驱动：1995年，麻省理工学院的Pratt等提出了弹性驱动器SEA(serieselasticactuator)的概念。美国宇航局的机器人Valkyrie和意大利技术研究院的机器人WalkMan都使用了弹性驱动器。弹性驱动器通过增加弹性单元来模拟肌肉系统功能，可以缓冲外部冲击和储能，使关节表现出柔顺、安全和高能量效率特性。但由于弹性元件引入，系统变为欠驱动系统，因此运动控制精度较低。

 

3）准直驱驱动：2016提出了准直驱方案，准直驱驱动器含义是依靠驱动器电机开环力控，不依赖于附加力或力矩传感器，就可以本体感知机器人脚部和外界的交互力，也被称为本体驱动器。一般方案是采用电机加低传动比减速器的方案，同时要求负载质量和转动惯量尽可能地小，这样可以实现高带宽力控和良好的抗冲击能力。准直驱驱动器主要由高扭矩密度电机、低传动比减速器、编码器和控制板等组成。相比其他方案，运动控制系统较为复杂。

 

我们认为特斯拉人形机器人在方案方面偏好刚性驱动方案，其一体化关节（旋转关节）类似协作机器人设计，无框力矩电机是核心，利用高转速电机+高减速比减速器实现快速响应。以协作机器人为例，一体化机器人关节主要由扭矩传感器、谐波减速机、力矩电机、制动器、增量编码器、绝对值编码器和伺服驱动器组成。根据金力等《驱控一体化机器人关节的研制及应用》，一体化机器人关节采用无框力矩电机，电机定子与关节壳体之间一般通过耐高温树脂胶粘接或过盈配合连接。电机转子与电机轴之间一般通过树脂胶粘接。无框力矩电机的大直径长度比和多磁极对保证了电机的大扭矩输出性能和低转速特性，其转子中空结构，方便关节的内部走线。

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