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人形机器人产业链及前景分析
来源:ballbet贝博在线 作者:BB贝博ballbet网页登录时间:2024-02-08 22:42:58 浏览:7

  2021年8月第一届特斯拉AI Day上,特斯拉发布了首款人形机器人“擎天柱”(Optimus)的概念图,该人形机器人身高5英尺8英寸,重125磅,具有45磅的承载能力和150磅的硬拉能力,其控制将通过类似于电动汽车智能算法进行。2022年2月推出原型机,在2022年9月30日AI Day亮相接近于完整体的新一代人形机器人,2023年7月亮相世界人工智能大会。

  特斯拉发布的最新一代Optimus在身体机械部分有28个关节(14个旋转执行器+14个线)。特斯拉人形机器人的灵巧手在设计中模仿了人手,拥有自适应抓取能力。手部结构为五指多关节,拇指采用双电机驱动弯曲和侧摆,四指各一个电机。共计6个执行器、11个自由度,负荷20磅,能够自适应抓取角度,具备工具使用能力、小物件精准抓握能力。特斯拉人形机器人全身的28个执行器分布在肩部(6个)、肘部(2个)、腕部(6个)、躯干(2个)、髋部(6个)、膝部(2个)、踝部(4个)。

  特斯拉Optimus的旋转关节方案:无框电机+谐波减速器+扭矩传感器+位置传感器+轴承(角接触球轴承+交叉圆柱滚子轴承)+编码器。特斯拉同步展示了其执行器产品组合,包含了3个不同扭矩的旋转减速器,分别为20Nm/110Nm/180Nm。全身分布:肩部6个,腕部2个,髋部4个,躯干2个。

  特斯拉Optimus的线性关节方案:无框电机+行星滚柱丝杠+力矩传感器+位置传感器+轴承。特斯拉同步展示了其执行器产品组合,包含了3个不同力矩的线个,膝部2个,踝部4个。

  参考特斯拉Optimus,人形机器人价值量主要分布在FSD系统、AI芯片、执行器、灵巧手肢体骨骼这几个部分:FSD/AI芯片:特斯拉核心竞争力,单机价值量约为50000元,成本占比约为26.5%;旋转执行器:总成产品,将由第三方供应,包含谐波减速器(或者类谐波的新型减速器)、无框力矩电机、力矩传感器、编码器、轴承等主要部分,成本占比约为23%;线性执行器:总成产品,将由第三方供应,包含行星滚柱丝杠、无框力矩电机、力矩传感器、编码器、轴承等主要部分,成本占比约为28%;灵巧手:包含空心杯电机、行星齿轮箱、传感器、滚珠丝杠等,成本占比约为7%;肢体骨骼:力学结构件,成本占比约为13%。第三方供应的非总成零部件中,无框力矩电机(14.84%)、行星滚柱丝杠(14.84%)、谐波减速器(7.42%)、力矩传感器(7.42%)、编码器(4.45%)、空心杯电机(3.82%)占比较大。二、人形机器人主要环节分析

  机器人减速器主要分为RV减速器和谐波减速器两类。谐波减速器具有单级传动比大、体积小、质量小、运动精度高等优点,并且能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作,更适用于轻负载精密减速领域,如人形机器人等。相比谐波减速器,RV减速器具有传动比范围大、精度较为稳定、疲劳强度较高等优势,还有着更高的刚性和扭矩承载能力,主要适用于机器臂、机座等重负载部位。

  谐波减速器的难点主要在于齿形设计、材料、加工设备、工艺和一致性。技术难点具体包括:齿形设计:由于谐波减速器的传动原理为两个齿轮之间的啮合运动,且柔轮不断发生形变,因此齿轮的高度、宽度、形状等设计对减速性能有较大影响。材料:柔轮不断形变传递力矩,对材料的一致性、载荷、精度、疲劳寿命都有较大挑战,普通的金属和合金难以达到要求。加工设备:柔轮很薄,厚度约100μm,加工和切割要求高,高精度数控磨床、滚齿机均需要进口,而日本高精度机床对我国有限制。加工工艺:柔轮的加工和切割要求高,有一些过程仍然依赖于员工的经验积累。一致性:在规模化量产情况下,降低次品率,保持产品的一致性水平有很大难度。RV减速器相比谐波减速器结构更为复杂,对加工精度和工艺要求更为严苛。其技术难点具体为:加工精度:结构复杂,实际工况中RV减速器需要反复精确定位,相当于不断启动和刹车,保持精度不衰减,如果精度低将会造成产品的磨损。加工工艺:各项工艺的密切配合,包括齿面热处理、加工精度、零件对称性、成组技术、装配精度,这些工艺总装公差将会造成产品的磨损和寿命。一致性:作为精密零部件,单个产品达到较高性能难度不高,但规模化量产的产品均达到标准性能是极大挑战。

  减速器进口垄断格局有望打破,国产替代进行时。全球机器人减速器市场高度集中,日本厂商占据大部分市场份额,2021年纳博特斯克占据中国RV减速器53%市场份额,哈默纳科占据中国谐波减速器35.5%市场份额。但目前中国已将突破机器人关键核心技术作为重要工程,国内厂商攻克了减速器、、伺服系统等关键核心零部件领域的部分难题。中国RV减速器出口量总体呈现上涨态势,进口量总体呈现下降趋势,RV减速器国产化的趋势显现;近年来国内谐波厂商逐渐进入下游客户供应链,中国品牌市占率逐年提升。进口以日本哈默纳科公司的产品为例,其单价通常在3,000~4,000元之间,国产单价为该价格的30%~50%,具备价格优势。

  丝杠是将回转运动转化为直线运动,或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。常见的丝杠产品包括滑动丝杠、滚珠丝杠、行星滚柱丝杠等。滚珠丝杠是工业精密机械中常用的传动元件,其主要结构包括滚珠丝杠、滚珠螺母、滚珠三部分。核心传动原理是将旋转运动转化为直线运动,化滑动摩擦为滚动摩擦。当丝杠相对螺母旋转时,丝杠的旋转面通过滚珠的循环滚动推动螺母轴向移动,化旋转为线性;滚珠的滚动使得丝杠和螺母之间的滑动摩擦转变为滚珠与丝杠、螺母之间的滚动摩擦,化滑动为滚动,大大提升传动效率。行星滚柱丝杠属于新一代螺纹丝杠的高精尖分支,综合性能强且应用前景广阔。行星滚柱丝杠通过啮合滚柱产生线接触滚动摩擦,大幅增加丝杠传动过程的接触面和受力面,与以往用于精密传动的滚珠丝杠相比,在传动效率损失不大的前提下,又同时具备了高转速、高载荷、高刚度、高范围导程以及更小体积、更低噪音、更方便维护拆卸等特点。目前已经在航空航天、武器装备、核动力等全球高精尖领域运用,同时在机床、汽车ABS系统、石油化工等民用场景下也存在广泛的应用需求。

  滚珠丝杠:滚珠丝杠发明于1874年,20世纪30年代,美国通用公司在汽车的转向装置上首次应用了滚珠丝杠元件,20世纪40年代,滚珠丝杠副首次在数控机床上得到使用,并成为了数控机床的理想进给元件;伴随机床和自动化设备的发展,对滚珠丝杠副的研究和生产得到推进,50年始在工业发达国家出现众多滚珠丝杠副厂家,如英国ROTAX、日本NSK等。我国研制用于数控机床的滚珠丝杠副起步于20世纪50年代,1964年我国自行设计研制第一套滚珠丝杠副,自2009年国家启动相关课题开始,国内企业如汉江机床、山东博特精工等已经取得了许多优秀的成果,但目前我国在高性能产品上与世界先进企业相比仍有进步空间,在国内市场上,中高端滚珠丝杠市场主要由德国和日本企业占据,THK、NSK、力士乐等国际企业可以占据高端市场90%的市场份额,而中国企业主要活跃在中端市场,约占30%的市场份额。主要原因为我国企业规模小,起步晚,在产品质量上达不到高精度水平。

  行星滚柱丝杠:1942年,瑞典人Carl Bruno Strandgren首次申请了循环式行星滚柱丝杠专利,1954年申请了标准式和反向式行星滚柱丝杠专利,1986年,William J.Roantree发明了差动式行星滚柱丝杠,之后Oliver Saari发明了轴承环式行星滚柱丝杠。1970年,瑞士的Rollvis公司开始研制行星滚柱丝杠,瑞典的SKF也同时研制行星滚柱丝杠,美国的Moog、德国的Ortlieb和英国的Power Jacks等都有各自成熟的行星滚柱丝杠产品;美国的Exlar和德国的Rexroth都将行星滚柱丝杠运用到各自的机电作动器中。2022年日本、欧洲滚柱丝杠企业在中国市场占有率高达90%。根据观研报告网数据,2022年我国行星滚柱丝杠市场供应量排名前四的厂家分别是Rollvis(瑞士)、GSA(瑞士)、Ewellix(瑞典)Rexroth(德国),市占率分别为27%、26%、13%,12%。由于我国企业在该行业起步晚,竞争实力距离国外工业发达国家企业有较大差距。

  无框电机与伺服电机一样属于永磁同步电机,但只有定子及转子部件,没有伺服电机外壳、轴、轴承等部件。无框电机结构紧凑、输出力矩高、堵转情况下仍能连续运转,故通常应用于机器人、医药、包装、印刷等领域。无框伺服电机类似普通伺服电机,但无框力矩电机在设计端采用更大的直径长度比、较高的极数、更低的转速,使得它相对伺服电机可提供更大的扭矩。

  无框力矩电机的壁垒体现在磁路和工艺设计。电机的转矩密度、功率密度是影响机器人性能的重要指标,而无框力矩电机要在低压供电的环境下输出较大的功率,因此在磁路和工艺设计方面存在一定的技术能力要求。海外厂商起步较早,工艺技术存在先发优势,例如韩国TM TECH转子采用整体充磁磁环技术,美国科尔摩根采用分布式的分数槽及碳纤维绑扎技术,德国TQ Robodrive采用模块化定子和环氧塑封灌胶技术。国内企业起步晚,转矩密度和国外高端无框力矩电机相比存在差距。美国科尔摩根是全球无框力矩电机龙头,拥有超70年的运动控制研发经验,电机性能在全球处于第一梯队。国内目前进展较快的公司包括步科股份、航天电器002025)。相比海外龙头,国产无框力矩电机输出扭矩较小,在产品性能方面仍有差距。

  空心杯因特殊的绕组结构而得名,其转子形似杯子,也因其优异性能被誉为电机领域“皇冠上的明珠”。空心杯电机是一种微型伺服电机,通常来讲尺寸一般较小通常不超过40mm。与传统电机对比来看,一般的直流有刷电机的转子是固定在铁芯上的线圈,而空心杯电机最大的不同在于其电机绕组取消了铁芯结构设计,转子仅由线圈按照一定的排列绕制而成,转子因形似杯子被形象地称为空心杯电机。

  空心杯电机趋势:有刷→无刷。有刷电机采用机械换向,随着电机旋转,电刷沿着换向器滑动,产生动态的磁场,但也由于电刷和换向器存在相对滑动,容易损耗;无刷电机通过驱动器实现电子换向,因不存在电刷,被称为“无刷电机”。无刷空心杯电机其定子部分使用空心杯绕组,采用无齿槽铁芯设计。该型电机具有传统直流无刷电机高转速、长寿命、低噪音的特性,又兼具有刷空心杯电机高功率密度、高效率的优势。

  空心杯电机生产的关键是线圈的生产,因此其核心壁垒主要在于线圈设计、绕线工艺以及绕线设备。空心杯电机的发展趋势始终是更小的体积、更快的转速、更高的功率密度和更高的良率,而这些性能最直接的影响因素在于线圈绕制。导线的线径、匝数、线性等都直接影响电机的各项核心参数。线圈绕制的核心壁垒直接体现在线圈设计,因为不同的绕线类型在自动化率、铜耗等各有差异;另一方面也体现在绕线设备和绕线方式上,不同的绕线机械绕制的空心杯槽满率有所差异,进而导致稀疏有别,直接影响电机损耗、散热、功率等。而先进的空心杯绕线工艺和设计一直被海外厂商掌控,且海外设备价格昂贵。

  空心杯电机发源于瑞士、德国、日本、欧洲等厂商研制较早,具有性能优异的生产设备和稳定成熟的工艺。空心杯电机市场仍以老牌海外厂商为主,市场份额仍然集中在头部厂商,全球龙头主要是瑞士maxon、德国faulhaber两家,内资龙头为鸣志电器603728),第二梯队主要有鼎智科技、深圳拓邦、上海埃依琪(非上市)、北京奕山(非上市)等,产品主要面向国内中低端市场。海外厂家空心杯电机品类齐全,内资在同类型产品上具备性价比优势。Faulhaber、maxon空心杯直径可小到3-5mm,内资少有12mm以下的空心杯电机。国内外空心杯电机制造商在软实力和硬实力均有一定差距,硬实力的差距主要集中在电机材料选用、本体设计和机电控制方案配置,软实力的差距主要集中于市场影响力、销售渠道和客户资源,海外厂商拥有强大的研发团队和广泛的国际销售网络、客户基。

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