光大电新：机器人专家访谈纪要–20231226

会议要点 1.揭秘人形机器人执行器技术壁垒 人形机器人电机需求与挑战：人形机器人需要具备多自由度的运动能力，因此主要使用无框力矩电机，由于对结构、功率密度和重量尺寸等有特殊要求。颈部和双手需要高灵巧性，故采用高转速的空心杯电机。整体电机需求呈现出高力矩密度、高灵活性和紧凑尺寸的特征，同时电机设计面临高效率、低热耗等挑战。 会议要点 1.揭秘人形机器人执行器技术壁垒 人形机器人电机需求与挑战：人形机器人需要具备多自由度的运动能力，因此主要使用无框力矩电机，由于对结构、功率密度和重量尺寸等有特殊要求。颈部和双手需要高灵巧性，故采用高转速的空心杯电机。整体电机需求呈现出高力矩密度、高灵活性和紧凑尺寸的特征，同时电机设计面临高效率、低热耗等挑战。 电机技术壁垒分析：空心杯电机制造复杂，专利壁垒显著，绕线工艺独特且经常专利保护，绕线机成本高，因小型化设计难以提高效率，面临发热和效率问题，限制了高端应用。国际品牌效率高、转速快，国内品牌效率普遍偏低。 轴承技术与电机整合问题：小型高转速空心杯电机中的轴承需共同研发以提升耐久性和可靠性。国内电机与轴承分开研发可能导致电机性能不如国际品牌。 2.机电执行器市场与技术壁垒 专利壁垒影响新玩家进入市场速度：机器人电机和执行器行业中，专利设计和生产工艺复杂程度对于新进入者构成较大难点，这可能导致国内二线品牌进入市场的速度较慢。 市场体量和需求限制新企业发展：目前空心微电机在全球的市场规模相对较小，只有大约100亿人民币，多数市场份额被几个大厂商占据，医疗设备和电动工具等细分市场较为稳定，不易吸引新玩家进入。 国内外电机设计能力差距：国外企业在电机设计上具有较强的正向设计能力和成熟的工具链，而国内还停留在半正向设计阶段，借鉴参考设计导致工具链和产品验证上有所欠缺，国内外因而在性能指标和产品多样性上存在差距。 3.执行器优化与成本控制 机器人电机与执行器设计要考虑优化运动指标（速度、耐冲击能力、刚度）且为迭代过程；零部件选择可能从外部供应商转向部分内部制造。国内轴承技术已适用于机器人行业；市场对性价比的需求促使国产品牌在机器人轴承市场取得较大份额。 编码器在执行器中起闭环控制作用，影响机器人位置精度；国内供应商已能生产部分相关产品，但一些核心部件仍依赖进口。 4.电机制造成本与市场策略 小功率空心杯电机市场价格在1000~2000元之间，高量产仍难低于700元。 无框力矩电机市场价格500~800元，大量产成本可降至200元，核心优势在于材料与生产线共用降低成本。 科尔摩根在电机行业具导向作用，主要竞争优势在定制化和产品一致性上，面对高附加值市场如手术机器人表现突出。 5.机电执行器领先优势解析 功率密度：国外某些厂家的电机功率密度超过35千瓦/kg，而中国的很多都是大约2千瓦/kg，这表明中国企业在这方面存在差距，需通过电磁设计或材料选择提升。 定制化优势：海外企业定制化的优势在于快速性和稳定性。中国企业虽拥有工程师优势，但在产品仿真与实际验证的准确性上需积累更多经验以减小差距。 产品稳定性与价格：当前国际品牌只要价格合理，例如特斯拉可能会倾向于选择这些具有稳定性和技术积累的产品。中国企业在无框内机电机领域虽有实力，但在市场规模较小时，常转向伺服电机，并在产品的微小差距上仍需提升竞争优势。 6.机器人电机与执行器分析 电助力自行车欧洲市场火爆，电机与机器人执行器技术相通，成本及性能要求相似。 旋转变压器(旋变)在工业机器人领域应用广泛，但精度偏低，成本较低，与光学式增量编码器处于同一档次。 协作机器人领域主要使用增量式光电编码器，因其成本更低，解码更简单，同时满足性能需求。旋变尚未广泛应用于人形机器人，但存在可能性。 7.微电机设计与性能解析 电机设计相关性：空心微电机的转子惯量较低，主要由于其细长型设计和无铁芯构造，导致惯量和质量降低，符合高速运动要求。减速装置的作用：为了配合空心微电机的高转速，制造商通常会选择多级行星减速装置，实现高度减速并在长度上合理增加。 紧急制动器的重要性：在移动机械臂等重力负载设备中，为了在断电等情况下防止机械自由下落造成损伤，紧急制动器（安全抱闸）和自锁机构至关重要。 Q&AQ：人形机器人的电机用途是什么？它们各自有哪些特点？ A：人形机器人主要需要用到的电机类型有无框力矩电机和空心杯电机。无框力矩电机主要用于机器人的双臂和双足，以及第二代特斯拉在颈部增 加的两个自由度，因为这些部分需要高的力矩密度、结构紧凑和高功率密度。而手部和手指使用空心杯电机，因为这些部位更注重灵巧性和紧凑的尺寸。电机通常由电池供电，典型电压为48伏，属于低压直流特性。 Q：目前空心杯电机的构造特点和技术壁垒是什么？ A：空心杯电机结构特点是细长型圆柱体，具有快速响应时间、无齿槽扭矩的平稳运行，以及高转速等。空心杯电机的效率难以提升，随着转速提高，可能会出现明显的发热问题，从而影响精度和应用范围。技术壁垒主要表现在生产复杂的线圈绕法，这涉及专利限制，绕线机的特殊和更高的成本，以及设计上的挑战，如高转速下的效率优化和噪音控制。 Q：国内外空心杯电机生产商之间的差距如何？ A：国际品牌如马克森和福尔哈贝在空心杯电机的技术效率、转速及专利方面领先。举例来说，同等尺寸的电机，国外品牌能达到更高的转速和80%以上的效率标准，而国内效率通常较低且转速标称不足。此外，国外生产商能够更好地与轴承供应商协作，并对高速应用下小尺寸轴承的耐久性和失效率有更深入的研发，而国内通常将电机和轴承的研发分开，这可能会进一步降低电机的性能指标。总体上，国内生产商需要一段时间来缩小与国际品牌的差距。 Q：在机器人电机与执行器的市场中，行业专利是否构成了较高的壁垒，会否导致国内二线厂商难以进入这个领域？ A：行业专利，尤其是关于线圈以及绕线工艺的专利，对于新入市的厂商来说确实是核心技术难点，但这个难点并不足以完全阻碍他们的进入。然而，对新厂商来说，一个更为重要的考虑是市场规模。当前，全球微特电机市场规模并不大，即便大约为100亿人民币的市场规模，其中一半已经被几家主要玩家占据。由于市场过于细分且稳定，新进入者可能会发现市场容量和服务投入较低，有限的市场规模可能会让他们迟疑不前。 Q：对于机器人执行器厂商而言，海外和国内企业在设计层面存在哪些差异？ A：从设计角度来看，海外厂商已经形成了强大的软硬一体的设计能力，拥有完善的工具链以及快速迭代和验证产品的能力。而国内的企业则略逊一筹，在设计流程上偏向参照和半正向设计，参考他人的设计，并在产品验证上存在不足。这种差距体现在性能指标及产品多样性上。此外，电机的设计不只是机电产品设计，还需要对材料的优化和电子设计目标的匹配。这要求与供应商深度合作，研究材料学，以优化产品。国内企业在这方面与国外相比还有进步的空间。 Q：随着公司像特斯拉和小米这样的公司可能自主开发机器人和执行器，是否会对供应商产生较大影响？ A：这种情况下，设备厂家可能将电机作为其核心竞争力，并自行研发制造，这在人形机器人领域可能性很大。例如，人形机器人的动力关节和执行器不仅仅是直接的执行组成部分，而是承接结构、动力执行、传感交互的综合型组件。这些关键组件对于整个设备的性能至关重要，设备厂家为了保持自身的竞争力可能选择自主研发。从成本和控制系统集成的角度考量，这会很容易被设备厂家视为核心竞争力的一个环节，并因此对现有电机和执行器供应商产生影响。 Q：机器人电机的设计在优化机器人性能时有什么作用？未来生产中会选择什么样的供应商战略？ A：设计在优化机器人的运动指标如速度、耐冲击能力和刚度方面扮演重要角色，并且这些性能的优化会反推到执行器上。系统设计需要从顶层考虑，将需求分派到关节的层面，并经历多次迭代优化过程。初期为了快速迭代可能会选择零部件供应商合作，但随着时间推移，生产商可能会将关键部分的生产内部化，尽管并不会完全自主生产所有执行器组件。关键性能指标，如编码器和轴承，可能会受到更多的内部控制。 Q：关于机器人领域中使用的轴承的现状以及国内轴承在这一领域的竞争力如何？ A：在机器人行业使用的轴承有不同的需求，旋转执行器主要使用深沟球轴承和减速器输出端的支撑轴承。国内产品在此领域表现良好，尤其洛阳宏源耐低转速、低扭矩负荷的轴承已广泛用于谐波减速器。由于机器人领域的性价比要求，国产轴承能够满足大批量生产需求，而机器人的短板可能更多存在于其他组件，因此国内品牌在市场上有较大份额。直线执行器使用的推力轴承因技术指标不明确，短期可能主要依赖进口，但批量生产阶段预计中国生产商也会进入市场。 Q：执行器中使用的编码器有哪些类型，国内供应商在这一领域的表现如何？ A：在旋转执行器中，电机侧一般使用增量编码器加霍尔用于交换方向和速度控制，而减速器输出端一般使用绝对值磁学编码器。这些编码器的协同作用提升了机器人的位置精细度和运行平稳性。绝对值编码器的成本相对较低，目前市场价格在300至400元人民币以内。而大批量生产的增量编码器和霍尔元件的成本则更低。尽管解码芯片可能依赖进口，国内供应商能够生产光盘和磁盘，表明国内在供应链方面表现良好。对于直线执行器，检测直线位移通常需要成本较高的直线式编码器。以前这些应用较少，导致成本偏高，但随着机器人领域的发展，成本有望随着定制化程度的提高而降低。 Q：空心杯电机和无框力矩电机的价格未来有可能降低吗？ A：空心杯电机和无框力矩电机由于目前相对昂贵的成本，投资者关注其未来的价格趋势。目前这类电机的价格可能在1000多元人民币一个。随着机器人行业规模的扩大以及大批量生产的实现，成本可能有显著下降的空间。尽管没有提供具体的预期数字，但期待成本能降至200元人民币左右的水平，符合机器人领域追求极致性价比的原则。 Q：市场上30瓦左右的小型空心杯电机的价格范围如何？ A：这种电机的市场零售价通常在1000到2000元之间。即使是高性价比的品牌，如明智，也需要约1500元，低于1000元的也有，但不多。在高预期市场需求情况下，价格可以做到1000元以下，但目前市面上极少有售价低于700到800元的情况。例如在呼吸机行业，尽管电机功率不大，但年需求量至少四五万套，对于厂商来说订单量还是相当可观，但成本很难低于100美元。 Q：目前机器人电机与执行器专业的产品技术路线和生产工艺在未来价格方面的走势预期如何？ A：就目前而言，如果产品技术路线和生产工艺保持不变，预计价格降低的空间不大，低于700元的成本评估难度较大。但对于无框力矩电机而言，由于其应用场景广泛、生产工艺相对成熟，价格有更大的想象空间，特别是在协作机器人行业，已经有成本降至200元的案例。目前批量价格普遍在500到800元之间，但对于电机厂家来说，如果批量足够大，并简化设计以降低配置，生产成本可以降至200元以下。 Q：无框立体电机的成本为什么可以低至200元？ A：这主要是因为其结构相对简单，许多部件如补铁、绕线、硅钢片都可以与其他电机共用生产线，因此可以共享若干物料。这种平台化应用与物料共享导致生产成本分摊较低。同时，在汽车行业由于年产量巨大，能将成本降至很低（例如10美元），也因此可以在150到200元人民币的价格区间有盈利空间。一旦批量大且产品设计追求极致性价比，成本相应会降低。不过，这种高速自动化的产线的初期投资成本会很高。 Q：国内外在无框力矩电机领域的竞争格局和差距是怎样的？ A：做无框力矩电机的厂家比空心杯电机的厂家竞争更加分散。在某些特定行业内，如机器人行业，国际知名品牌如科尔摩根和国内品牌如布科的差距正在缩小。国际品牌在效率、功率密度和轴向尺寸等机器人行业关心的指标上仍有些微的领先。但成本相对较高，因此它们通常进入比如手术机器人这样的高附加值市场，而在协作机器人等行业竞争较为困难。科尔摩根的优势在于拥有丰富的产品线和定制化能力，而且在产品一致性方面也领先。总结其核心竞争壁垒，主要在于设计能力和材料