2023机器人执行器行业产业链竞争格局及相关公司分析报告

2023年深度行业分析研究报告 目录 一、机器人执行器概述1 二、机器人执行器产业链7 三、机器人执行器组成及竞争格局15 四、执行器技术壁垒34 五、执行器相关公司38 一、机器人执行器概述 1.机器人执行器 机器人通常由执行机构、驱动系统、控制系统和传感系统四部分组成。机器人执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由一系列连杆、关节或其他形式的运动副组成。 工业机器人按臂部的运动形式分为四种：直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。这些运动都需要执行器来完成。 2.执行器作用 执行器决定机器人的负荷和工作精度。机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作、具有的最高操作性能等情况。主要包括：自由度、额定负载、工作空间、工作精度。其他参数还有：工作速度、控制方式、驱动方式、安装方式、动力源容量、本体质量、环境参数等。 （1）自由度 工业机器人的自由度是根据其用途设计的。机器人的自由度反映机器人动作的灵活性，自由度越多，机器人就越能接近人手的动作机能，通用性越好，可用直线移动、摆动或者旋转动作的数目来表示。自由度越多，结构越复杂，对机器人的整体要求越高。工业机器人把机械臂上每一个关节都当作一个独立的伺服机构，即每个轴对应一个伺服器，每个伺服器通过总线控制，由控制器统一控制协调工作。 （2）额定负载 额定负载也称有效负荷，是指正常作业条件下，工业机器人在规定性能范围内，手腕末端所能承受的最大载荷。 工业机器人负载范围较大，一般为0.5～2300kg。当负载较大时，提高电机的功率不划算，可以在适宜的速度范围内，通过减速器来提高输出扭矩。伺服电机在低频转速下容易出现发热和低频振动，对于长 时间工作的工业机器人不利于确保其精确可靠的运行。精密减速器使伺服电机在合适的速度下运转，并精确地将转速降到工业机器人各部位需要的速度，提高机械刚性的同时，输出更大的力矩。 （3）工作精度 重复定位精度取决于机器人关节减速机及传动装置的精度，绝对精度取决于机器人控制算法、编码器精度、减速及传动装置精度等的综合表现。一般来说，机器人的重复精度高于绝对精度。要提高机器人的绝对精度，需要进行高精度标定。标定可以分为三级：一级未驱动器与关节传感器的标定，即确定关节位移传感器产生的信号与实际关节位移之间的关系；二级在一级基础上，加入机器人几何参数的标定，针对各组成连杆的运动变量误差和各连杆结构参数误差引起的位姿误差；三级为非几何标定，针对由关节柔度、摩擦、间隙以及连杆柔度等因素引起的误差。在标定过程中，测量是进行参数辨识和补偿之前的重要环节，包括关节位移测量和机器位姿测量。位姿测量方法又包括接触式和非接触式，其中接触式测量对机器人位姿限制较大；非接触式测量中，三坐标测量机只能测量小型机器人，而激光跟踪仪对环境影响较为敏感，同时操作复杂，测量时间长。 （4）工作空间 工作空间又称工作范围、工作行程，是指工业机器人作业时，手腕参考中心（即手腕旋转中心）所能到达的空间区域，不包括手部本身所能达到的区域，常用图形表示，P点为手腕参考中心。工作空间的形状和大小反映了机器人工作能力的大小，它不仅与机器人各连杆的尺寸有关，还与机器人的总体结构有关，工业机器人在作业时可能会因存在手部不能到达的作业死区而不能完成规定任务。由于末端执行器的形状和尺寸是多种多样的，为真实反映机器人的特征参数，工作范围一般是指不安装末端执行器时，可以达到的区域。 综上，执行器是机器人的关键零部件，对机器人的负荷和精度有重大影响。减速器是一种减速传动装置，可以通过降低转速而提高扭矩，以传递较大的负荷，克服伺服电机输出的扭矩较小的缺陷。 3.执行器特点 执行器具备复用性强、价值量高两大特点。 （1）复用性强 执行器采用标品化设计，复用性强，具备大规模批量生产可能。在特斯拉之前，人形机器人硬件设计高度定制化，各关节采用不同型号、类型的执行器，因此成本高昂；特斯拉在其人形机器人上展现了其规模化降本能力，虽然全身使用28个执行器，但特斯拉将28个执行器统一为6种型号规格的执行器。执行器的标品化设计大大简化了执行器的种类，降低定制化需求，使执行器具备大规模批量生产的可能。 （2）价值量高 执行器价值量占比高，预计执行器关节占机器人BOM(仅包含硬件）成本约80%。测算：特斯拉机器人BOM硬件成本约为13.5万元，其中执行器价值量从高到低依次为旋转执行器>线性执行器>灵巧手，单机价值量分别为5.7、4.4、2.0万元，单独部件价值量占比从高低依次为无框力矩电机>伺服驱动器>谐波减速器>力矩传感器>行星滚柱丝杠>空心杯电机>编码器>轴承>蜗轮蜗杆>制动器。 4.人形机器人需要多少执行器 以TeslaOptimus为例，下面探讨下人形机器人需要用多少个执行器。 从特斯拉的发布会来看，预计特斯拉Optimus身体关节共有28个，包括三种旋转执行器（14个）和三种线性执行器（14个）。 特斯拉Optimus旋转执行器方案猜测：永磁无刷电机+谐波减速器+抱闸+双编码器+力矩传感器+轴承。 采用谐波传感器的优点：小体积，大速比，可达160：1，扭矩密度比较高。轴向尺寸小，执行器关节轴向可以比较紧凑。在机器人行业，大多数关节都没有集成扭矩传感器，这是从成本，集成难度，刚度损失等方面考虑的。集成扭矩传感器的优势在于关节更加安全，力控算法更简单。 特斯拉Optimus直线执行器方案猜测：永磁无刷电机+行星滚柱丝杠+位置编码器+力传感器+轴承。 采用线性执行器驱动器关节的优势：1）空间利用率高。相比传统旋转执行器分布于关节附近，线性执行器可以纵向布局，最大限度利用腿部内部空间，布置更大更长的电机，提供更大的推动力。2）具备自锁能力。线性执行器的螺杆传动机构通过合理设计可以具备自锁能力，即下半身不动时可以自动锁定姿态，不耗能，形成一个低功耗且稳定的底部支架。3）低能耗，高负载。上肢的肘关节屈伸采用线性执行器的理由和腿部原理一致，低耗能高推力。前臂的两个线性执行器构成并联关节主要目的是降低腕 关节的尺寸。纤细的腕关节有两个好处：一是在抓握时降低关节与工件的干涉，提高抓握路径的灵活性；二是降低前臂对视觉构建及视觉位置反馈的干扰，提升控制精度。 采用行星滚柱丝杠，可以输出高精度和高承载能力。行星丝杠的节距可以做的很小，所以很容易通过小扭矩实现大推力，电机的功率和体积可以小一些。电机的转子集成到了螺母上，整体结构更为紧凑。2.2Kg的执行器输出可达8000N，推力密度高。 三、机器人执行器产业链 1.产业链梳理 2.上游核心设备：磨齿机、热处理、三坐标等检测设备 磨齿机、高精度三坐标检测设备、齿轮检测设备是提升减速器齿轮精度的关键设备。谐波减速器加工过程需要用到齿轮加工机床、三坐标测量机、加工中心、磨床、车床、热处理设备等。RV减速器加工设备包括齿轮加工机床、加工中心、车床、磨床、硬拉床、三坐标测量机、热处理设备等，实际工况中RV减速器需要反复精确定位，对加工设备精度要求高，否则会造成产品的磨损。 a.加工设备：核心零部件（例如偏心轴、摆线轮、针齿壳、行星架等）的末道精加工设备依赖进口，对核心关键设备仅限于使用层面，在面对工艺上有新的需求或需要不断优化的时候，国产厂商就无法快速反应。 b.专用工装：设备供应商一般不会提供一整套高精度的工装设备，因此自主设计制作的工装是加工出高精度零部件又一关键因素； c.检测设备：高精度三坐标检测设备和齿轮检测设备，及相关的材料检测设备，确保齿确保齿轮质量和尺寸控制准确无误，是高精度RV减速器的关键。 （1）高精度磨床 高精度磨床长期依赖进口，秦川机床、重庆机床、南二齿是磨齿机国产替代龙头。按照齿轮加工工艺分， 齿轮机床可分为滚齿机、插齿机、铣齿机、剃齿机、珩齿机、磨齿机等系列，齿轮加工工序复杂，不同工序对精度要求不同。一般来说，决定减速器齿轮精度的工序为热处理后的精加工阶段，以磨齿机为主 （未经过磨齿的齿轮最高只能达到6级精度，而磨齿机加工过的齿轮最高可达2级精度），设备长期依赖进口，如莱斯豪尔、格里森、卡帕耐尔斯、日本电产等。秦川机床是国内磨齿机龙头，有望实现高端设备的国产替代，其YKS7225双工位高效磨齿机精度可达国标GB/T10095-2008的4级；重庆机床、 南二齿也具备磨齿机生产能力，其中重庆机床YS7232/YS7232G高精密数控蜗杆砂轮磨齿机批量加工精度可达4-5级。 （2）热处理设备 国内中高端热处理设备依赖进口。减速器热处理产线通常为定制化，部分企业委外加工，国内热处理行业发展水平较低，中高档热处理设备长期依赖进口，2017-2021年中国热处理设备制造行业进口额在2000万美元左右波动，2019-2021年中国热处理设备制造行业进口金额逐年上升，2021年实现进口金额23391.03万美元，同比上升16.10%。2017~2021年进口数量年增长率始终保持在80%以上，21年达到51404台，同比增长83.36%。 9/42 国产热处理设备在设备稳定性、信息化程度、产线集成能力等方面还存在差距，部分厂家部分设备技术水平已经接近国外中高端产品水平。海外领先的热处理设备及服务公司包括：爱协林、应达、易普森、易孚迪、日本高周波、德国ALD等。国内感应热处理装备制造商综合实力较强的公司为：上海恒精机电设备有限公司，天津天丰淬火设备有限公司，洛阳升华感应加热股份有限公司，十堰恒进科技有限公司，十堰天舒机电科技有限公司。其中，上海恒精机电设备有限公司，洛阳升华股份有限公司，十堰恒 进科技有限公司的一些设备技术水平已经接近国外中高端产品水平，逐渐替代进口产品。 （3）高精度三坐标、高精度齿轮检测设备 高精度三坐标国内与国外产品的差距主要体现在三个方面：1）从精度等级上看，进口精密计量型测量 机能达到0.5微米以内的检测精度，而国产设备最高仅能达到0.8微米，且测量行程低于进口机型。2）进口机型从结构设计到材料呈现多方向发展状态，而国内多家厂商的产品在结构和材料上几乎完全相同，缺少创新能力；3）进口机型的控制系统、测头及测量软件等一般都具有自主知识产权，掌握全部或大 部分核心技术；而大多数国产机型除机械本体外，关键组成部分采用国外品牌，自主研发能力较弱，缺少核心技术。国际比较著名的测量机生产厂家主要有瑞典海克斯康、德国蔡司、德国温泽、日本三丰等，其中计量型测量机市场主要被蔡司、海克斯康垄断。我国三坐标测量机的主要生产厂商有303所、西 安爱德华、青岛雷顿、集萃华科等。 齿轮检测操作，作为精密齿轮制造服务的一部分，确保了制造的每个齿轮的齿轮质量和尺寸控制准确无误，一个齿轮测量服务中心需要装备的各种各样的齿轮检测仪器。 3.旋转执行器 （1）旋转执行器 旋转执行器会将某物旋转一定的角度，可以是有限的也可以是无限的。旋转执行器的一个典型例子是电动机，它是一种将电信号转换成其轴的旋转运动的执行器，当电流施加到基本电机时，电机旋转。将电机直接连接到负载上，创建了一个直接驱动的旋转执行器，许多旋转执行器与用作机械杠杆的机构相结合(优点）以降低旋转速度并增加扭矩，如果最终结果是旋转，该组件的输出仍然是旋转执行器。 旋转执行器主要包括RV减速器和谐波减速器。 （2）减速器价值量占比 减速器在工业机器人中成本构成占比35%，价值量最高，预计在人形机器人中价值量依然会占到较高比重。工业机器人的控制过程是：控制器发指令给伺服驱动，驱动伺服电机旋转，通过减速机执行动作，在工业机器人上游的三大部件中，减速器成本占比最高35%，伺服系统（伺服电机+伺服驱动器）、控制器，分别占比25%、10%。 （3）人形机器人产业化对谐波减速器需求的敏感性分析 2017～2021年精密减速器（谐波+RV）销量从49万台增长至101万台，复合增速19.8%，工业机器人用精密减速器销量从41万台增长至84万