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人形机器人全面加速!四大核心环节龙头梳理

 天承办公室 2023-10-01 发布于江苏

特斯拉人形机器人在AI技术加持下加速推进,在终局2C端定位和降本诉求背景下,国内人形机器人产业链迎来机遇。此前,在特斯拉二季度业绩说明会上,马斯克表示,特斯拉已经生产十台人形机器人,预计在11月进行行走测试,明年在特斯拉自己的工厂进行实用性测试。

伴随商业化进程的推进,人形机器人降本需求迫切,国内厂商有望凭借硬件部分的性价比等优势迎来机遇。#人形机器人##特斯拉ModelY##机器人#

产业链值得重点关注的相关环节较多,本文重点梳理空心杯电机、减速器、伺服系统、无框力矩电机等四大环节。

人形机器人全面加速!四大核心环节龙头梳理

空心杯电机

空心杯电机是微特电机的一种。具有重量轻、效率高、体积小、精密运行控制、高稳定性等特点,主要用在对重量和能耗要求较高(如无人机、机器人)等领域。

空心杯电机为Optimus的灵巧手提供动力,具备节能、控制和拖动的特性。

空心杯电机整体结构上突破了传统电机的转子结构形式,采用的是无铁芯转子(空心杯型转子),彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗。

空心杯电机结构:

人形机器人全面加速!四大核心环节龙头梳理

资料来源:企讯网

其设计要点在于追求小型化的同时提供效率更高、更大的输出。

线圈绕组设计是核心影响因子,包括绕线方式(排布、槽满率等)、绕组参数(节距、匝数、抽头数等),掌握相关工艺的先进入者,存在先发优势。凭借其独特的设计和出色的性能,在各个行业和应用领域中得到了广泛的认可和应用,市场规模快速增长。

根据GII引用QYResearch的统计数据,全球空心杯电机市场规模由2022年的7.48亿美元将增长至2028年的11.86亿美元,期间CAGR为7.98%。

目前无框力矩电机的代表是美国科尔摩根,国内是步科股份,无刷空心杯电机海外以MAXON为主,国内鸣志电器、江苏雷利、鼎智科技、恒帅股份、拓邦股份具备相应技术。据NTCysd预测,至2028年全球空心杯电机市场规模为11.9亿美元。复合增速8.47%。未来有望受益于人形机器人市场规模加速扩张。

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减速器

减速器是一种精密的动力传动机构,其利用齿轮的速度转换器,使伺服电机在一个合适的速度下运转,提高机械体刚性的同时输出更大的力矩。

从经济性和轻资产角度出发,人形机器人量产后,减速器公司将通过在市场采购符合其生产要求的齿轮零件来构成完整的供应链,进而实现批量化生产。

减速器两类常见的种类为RV减速器和谐波减速器。

RV减速器由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速结构和第二级摆线针轮行星减速结构两部分组成。工作原理是通过2级变速实现减速功能。

其传动比范围大、精度较为稳定、抗疲劳强度较高,具有更高的刚性和扭矩承载能力,一般用于机器人大臂、基座等重负载部位,但其重量重、外形尺寸较大,无法向轻便、灵活的轻负载领域发展,且结构复杂,成本较高。

谐波减速器具有单级传动比大、体积小、质量小、运动精度高的优点,并能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作。

市场格局方面来看,谐波减速器全球龙头为哈默纳科,国内绿的谐波、来福谐波、同川精密有技术储备,RV减速机全球龙头是赛威传动等,国内企业有中大力德、双环传动等有技术储备。

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伺服系统

伺服系统是机器人的“肌肉”,是一种自动控制系统,能够精确地跟随或复现某个过程。

伺服电机是控制机械元件进行运转的发动机,接收到伺服驱动器的驱动信号后,将电能转化为机械能,即将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。

其主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理,使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。

伺服系统由驱动器、驱动电机、伺服编码器及配套软件组成。

大多数情况下,伺服驱动器含有三个嵌入式伺服环路,即电流环、速度环和位置环,三个环路相互作用以实现精准的运动控制。

大型伺服驱动器有三种类型,分别为常规伺服驱动器、SEA伺服驱动器、本体伺服驱动器。常规伺服驱动器主要由力矩电机、谐波减速器、电机编码器、输出编码器、驱动板、制动器组成。

机器人关节驱动方式可以分为刚性驱动、弹性驱动和准直驱驱动等不同模式。

伺服为国产化率较高环节。根据睿工业MIR数据,汇川伺服系统市场份额从2015年的5.7%提升至2022年Q3的20.9%,荣登全球第一的宝座,市占率领先于第二名西门子10.6pp。国外主要品牌有西门子、松下、安川等;国内厂商市占率靠前的还包括禾川科技、埃斯顿等。

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无框力矩电机

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,能够实现轻重量、高扭矩,更符合人形机器人需求。

目前无框力矩电机的代表是美国科尔摩根,国内代表厂商有步科股份、航天电器、禾川科技和昊志机电等。

科尔摩根的无框力矩电机:

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