行业点评报告：机器人大会人形“关节”多样，电机、轴承确定性高

机械设备 2023年08月28日 投资评级：看好（维持） 机器人大会人形“关节”多样，电机/轴承确定性高 ——行业点评报告 孟鹏飞（分析师）熊亚威（分析师） 行业走势图 mengpengfei@kysec.cn 证书编号：S0790522060001 xiongyawei@kysec.cn 证书编号：S0790522080004 7% 0% -7% -14% -22% 机械设备沪深300 人形机器人电机确定性高，关节采用无框力矩电机、灵巧手采用空心杯电机 2023年8月16日，世界人形机器人大会在北京召开，各厂商人形机器人产品百花齐放，“关节”方案多样。其中，关节电机方案确定性较高，多选用无框电机做关节集成，且具有定制需求。灵巧手采用空心杯电机+多级行星减速器，在此 基础上集成丝杠、传感器及驱动器后形成微型伺服电缸。 传动方案行星滚柱丝杠最优，降本为关键；其他直线方案得以呈现 2022-082022-122023-04 数据来源：聚源 行星滚柱丝杠是丝杠中性能最优异也最贵的品类，为目前性能最优的关节方案。 由于价格高昂，降本能力将成为行星滚柱丝杠方案能否大量应用的关键。特斯 相关研究报告 拉采用行星滚柱丝杠的优势主要在于，其申请了采用滚柱丝杠的汽车线控转向专 利后，可加速滚柱丝杠量产进程，加快车机协同，实现降本。除行星滚柱丝杠外， 《世界机器人大会召开，国产人形机器人发展超预期—行业周报》 -2023.8.20 《巨头纷纷入局人形机器人，传感器迎来发展机遇期—行业周报》 -2023.8.13 《智能焊接渗透空间大，国产焊接控制系统率先突破—行业周报》 -2023.8.6 其他几种人形机器人腿部传动方案包括滚柱丝杠、连杆、T型丝杠等。其中智元 机器人的轮足式结构采用连杆方案，能够在轮式模式和足式模式之间可切换。 力控方案三种方式并存，控制系统“小脑+脑干”是基础方向 （1）力控方面，智元机器人将视觉传感集成进灵巧手指尖，实现末端视觉闭环，可实现精细操作。帕西尼采用多维度大阵列触觉传感器，能够完成抓取薯片、缝合伤口等精细动作。力矩传感一般集成在关节中，机器人自由度越高，对力矩传感的精度、协同性要求就越高；柔性机械臂的力矩传感主要使用SEA方案。（2）控制系统方面，智元的具身智脑EI-Brain架构把控制系统分为云端的超脑和端侧的大脑、小脑，以及脑干几层；大脑提供AI辅助的抽象思维能力，小脑生成运动控制指令，脑干负责电机控制、伺服等硬件底层任务。而对于特斯拉人形机器 人来说，由于其本身的软件及算法已经很强，我们认为，后续量产落地的关键主要在于“小脑”及“脑干”级的对应厂商能否配合产品迭代并实现有力降本。 减速器方案行星、谐波皆有应用，轴承环节相对确定 （1）减速器方面，大量国产人形机器人厂商推出一体化关节模组，大多采用“伺服电机+驱动器+谐波减速器/行星减速器+传感器”的方案。而在需要高承载能力的关节，高刚性高精度的行星减速器可能是更好的选择。（2）轴承方面，以特 斯拉机器人为例，其旋转/线性关节分别使用到了角接触轴承、交叉滚子轴承、四点接触轴承及深沟球轴承。其中交叉滚子轴承制造难度最大，国内具有大批量供应能力的厂商不足10家。其他三种轴承技术壁垒相对较低，国内供应成熟。 受益标的 本体：博实股份等技术优势突出、享受人形机器人产业政策支持的本体厂商。零部件：按照竞争格局、价值量、受益确定性排序：（1）丝杠与关节轴承：五洲新春;（2）传感器：奥普光电、奥比中光（指尖视觉传感器）、昊志机电;（3）电机：鸣志电器（空心杯电机）、步科股份（无框力矩电机）；（4）行星减速器：中大力德、双环传动；（5）控制器：拓邦股份、雷赛智能。 风险提示：人形机器人落地进度不及预期，机器人硬件及控制方案迭代风险。 行业研究 行业点评报告 开源证券 证券研究报 告 目录 1、电机确定性高，关节采用无框力矩电机、灵巧手采用空心杯电机3 1.1、关节采用无框力矩电机3 1.2、灵巧手采用空心杯电机+多级行星减速器3 2、传动方案行星滚柱丝杠最优，降本为关键；其他直线方案得以呈现5 3、力控方案三种方式并存，或应用于不同场景6 3.1、视觉传感：集成进灵巧手指尖，实现末端视觉闭环6 3.2、触觉传感：用于手指，多维度大阵列触觉传感器初露头角7 3.3、力矩传感：关节组成部件，协同控制的核心7 4、控制方案逐步明确，“小脑+脑干”是基础方向8 5、减速器方案待定，行星或谐波皆有应用9 6、轴承环节相对确定，核心供应商收益9 7、受益标的11 8、风险提示11 图表目录 图1：无框力矩电机只包含转子和定子3 图2：无框电机可应用于协作机器人关节3 图3：灵巧手关节紧凑、空间有限4 图4：特斯拉灵巧手集成空心杯电机、多级行星减速器4 图5：空心杯电机结构紧凑4 图6：微型伺服电缸集成伺服电机、减速器、丝杠、传感器及驱动器4 图7：行星滚柱丝杠融合了行星减速器和丝杠的传动原理5 图8：行星滚柱丝杠与滚珠丝杠相比优势明显5 图9：行星滚柱丝杠也可以应用于新能源车电动缸及换挡系统5 图10：特斯拉采用行星滚柱丝杠方案6 图11：智元机器人轮足式结构采用连杆方案6 图12：智元机器人灵巧手集成了基于视觉的指尖传感器6 图13：智元机器人灵巧手能够实现精细操作7 图14：帕西尼通过多维度大阵列触觉传感器实现精细化操作7 图15：力矩传感器一般集成在机器人关节中8 图16：SEA方案由2个编码器和弹性体构成，具有物理柔性8 图17：智元机器人具身智脑将机器人把控制系统分为超脑、大脑、小脑、脑干几层9 图18：特斯拉机器人根据不同位置的受力特点选用不同轴承10 图19：交叉滚子轴承中的圆柱滚子在呈90°的V形沟槽滚动面通过隔离块被相互垂直地排列10 图20：角接触轴承沟道由两段圆弧组成，窜动量明显下降10 图21：深沟球轴承采用钢球作为滚动体11 图22：四点接触轴承由两个半圈精确拼配而成11 表1：部分人形机器人厂商已实现灵巧手装配3 表2：各大厂商的关节减速器方案中，行星或谐波皆有应用9 表3：国内轴承厂供应深沟球、角接触、四点接触轴承的机会大10 1、电机确定性高，关节采用无框力矩电机、灵巧手采用空心杯电机 1.1、关节采用无框力矩电机 无框力矩电机是去掉轴、轴承、外壳、反馈或端盖的伺服电机，只包含定子和转子。其核心优势是输出力矩大、结构紧凑，散热性好；早期应用于导弹和空间飞行器惯性制导系统上的传动万向节，现阶段的典型应用包括协作机器人关节、传感器万向节、工厂自动化设备等。 图1：无框力矩电机只包含转子和定子图2：无框电机可应用于协作机器人关节 资料来源：步科股份官网资料来源：科脑机器人官网 各大人形机器人厂商多选用无框电机做关节集成，定制需求较高。无框力矩电机需要一体化设计并集成到机器内部，因此需要根据具体的机械设计尺寸来确定无框力矩电机的外形尺寸和扭矩/转速性能。目前，国内主流无框电机生产厂家包括步科股份、昊志机电等。 1.2、灵巧手采用空心杯电机+多级行星减速器 此次大会上展出的部分人形机器人样机，已经实现了灵巧手装配。由于灵巧手手指关节紧凑、空间有限，一般会选择采用体积小、重量轻、转动惯量小的空心杯电机。 表1：部分人形机器人厂商已实现灵巧手装配 厂商 人形机器人型号 灵巧手自由度 智元 远征AI 单手12个主动自由度+5个被动自由度 特斯拉 Optimus 单手6个自由度 达闼 轮式人形机器人CloudGinger2.0 单手7个自由度 宇树 通用人形机器人H1 灵巧手正在开发 资料来源：新智元公众号、机器人大讲堂公众号、达闼官网、Unitree宇树科技公众号、开源证券研究所 图3：灵巧手关节紧凑、空间有限图4：特斯拉灵巧手集成空心杯电机、多级行星减速器 资料来源：因时机器人公众号资料来源：机器人大讲堂公众号 空心杯电机具有高速低扭矩的特性，为了在较小空间内获得较大的手指抓握力，一般都会集成2-3级的行星减速箱。因此，在大多数情况下，空心杯电机都需要搭配行星减速箱进行使用。以特斯拉机器人为例，其灵巧手内部构成是一个微型的线性执行器（伺服电缸）。内部通过高速运转的空心杯电机提供动力，搭载小模数齿轮的减速箱起到类似于旋转执行器的能力。 图5：空心杯电机结构紧凑 资料来源：金源机电官网 目前，国内具有空心杯生产能力的厂商包括鸣志电器、江苏雷利、伟创电气、拓邦股份等。国产厂商在特斯拉机器人的拉动下，有望首先通过微型线性执行器量产，实现规模效应大幅降本。 图6：微型伺服电缸集成伺服电机、减速器、丝杠、传感器及驱动器 资料来源：因时机器人公众号 2、传动方案行星滚柱丝杠最优，降本为关键；其他直线方案 得以呈现 行星滚柱丝杠是丝杠中性能最优异也最贵的品类，为目前性能最优的关节方案。与之对应的是消费级丝杠包括滚珠丝杠和梯形丝杠（螺母）。传统滚珠丝杆通过在丝杠和螺母之间引入滚珠，能耗下降，因而摩擦降低，精度得以保持。行星滚柱丝杠融合了行星减速器和丝杠的传动原理，在主螺纹丝杠周围，行星式地布置了6-12个螺纹滚柱，使滚动体直径和接触点（行星滚柱丝杠为接触线/面）的数量和面积都大大增加，实现承载力和寿命都大幅提升。 图7：行星滚柱丝杠融合了行星减速器和丝杠的传动原理 图8：行星滚柱丝杠与滚珠丝杠相比优势明显 资料来源：THK官网、开源证券研究所资料来源：新剑传动官网 由于价格高昂，降本能力将成为行星滚柱丝杠能否在人形机器人上大量应用的关键。目前行星滚珠丝杠方案主要被特斯拉等人形机器人厂商采用。特斯拉采用行星滚柱丝杠的优势主要在于，其申请了应用滚柱丝杠的汽车线控转向新专利后，可加速滚柱丝杠量产进程，加快车机协同，实现降本。 图9：行星滚柱丝杠也可以应用于新能源车电动缸及换挡系统 资料来源：新剑传动、《AMT滚珠丝杠式换挡执行机构效率试验研究》（周旭辉等，2020年） 目前，行星滚柱丝杠生产商全球比较稀缺，国外主要是舍弗勒（GSA）、依维莱；国内具备量产能力的目前主要为新剑传动。 图10：特斯拉采用行星滚柱丝杠方案图11：智元机器人轮足式结构采用连杆方案 资料来源：2022特斯拉AIDAY、开源证券研究所资料来源：X技术 除行星滚柱丝杠外，其他几种人形机器人腿部传动方案包括连杆及T型丝杠等。智元机器人的轮足式结构采用连杆方案，能够在轮式模式和足式模式之间可切换。 此外，也有其他厂商采用滚珠丝杠等传动结构。高精度滚珠丝杠技术壁垒高，海外厂商占据垄断地位。全球主要厂商有NSK日本精工、日本THK、中国台湾的上银科技、欧洲舍弗勒等。日本和欧洲滚珠丝杆企业占据了全球约70%的市场份额。国内滚珠丝杠企业主要有南京工艺、秦川机床。 3、力控方案三种方式并存，或应用于不同场景 在世界机器人大会上，我们主要观察到了三种力控方案：视觉传感、触控传感和力矩传感。 3.1、视觉传感：集成进灵巧手指尖，实现末端视觉闭环 智元机器人将灵巧手的所有驱动内置，并集成了基于视觉的指尖传感器。智元机器人的指尖传感器可以分辨操作物的颜色、形状、材质；能够通过基于算法的数据融合，做到近似触觉的压力传感器的效果。 图12：智元机器人灵巧手集成了基于视觉的指尖传感器 资料来源：智元机器人公众号 此外，智元通过视觉闭环的设计，实现了末端的视觉闭环，降低了对于整机电机的精度需求。基于视觉的指尖传感器，也是智元机器人能够实现精细操作的原因之一。 图13：智元机器人灵巧手能够实现精细操作 资料来源：新智元公众号 3.2、触觉传感：用于手指，多维度大阵列触觉传感器初露头角 在指尖传感上，帕西尼人形机器人采用了多维度大阵列触觉传感器。其触感机械手能够完成复杂的任务，例如抓取薯片、缝合伤口、拧开瓶盖等精细动作。 图14：帕西尼通过多维度大阵列触觉传感器实现精细化操作 资料来源：36氪 相比视觉、听觉等感知技术，触觉传感技术发展较为缓慢。近年随着人形机器人、元宇宙等新产业的出现及可穿戴设备等产业迅速