1769-IT6 同步传输控制 噪音小

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2.1.1 工业机器人：伺服电机系统是机器人“心脏”

工业机器人指面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人，在工业生产加工过程中通过自 动控制来代替人类执行某些单调、频繁和重复的长时间作业，主要包括焊接机器人、搬运机器 人、码垛机器人、包装机器人、喷涂机器人、切割机器人和净室机器人。工业机器人在机械结 构上有类似人类的行走、扭腰、大臂、小臂、手腕、爪子等部件，由计算机控制。工业机器人 广泛应用于电子、物流、化工等工业领域。按照机械机构分类，工业机器人可以分为线性机器 人（又叫直角坐标机器人）、多自由度机器人（又叫多关节机器人）、并联机器人（又叫 deltaΔ 机器人）和水平多关节机器人（又叫 scara 机器人）等。

工业机器人对精度要求较高，一般使用伺服电机，伺服系统成本在机器人中的占比为 25%。伺 服系统作为工业机器人核心零部件，可以将控制层指令准确、及时、稳妥地传送到执行层。

2.1.2 协作机器人：轻量化设计背景下，无框电机成

协作机器人追求轻量化、人机相互。协作机器人是在 SCARA 机器人以及垂直多关节机器人等机 械结构基础上衍生出的新类型。协作机器人除在外观形态上与传统工业机器人有些差别外，在 产品特性上也区别于传统工业机器人追求的“刚度”，协作机器人更多追求轻量化、柔性和安 全协作性。此外在结构特点、交互方式、部署成本以及应用场景等方面与传统工业机器人也存 在一定的差距。

协作机器人具有紧凑小型化、轻量化特性，因此选择更加紧凑、高效率的电机方案。协作机 器人与传统工业机器人在构造上有一定差异，协作机器人通常采用整体式的无框电机，采用关 节一体化技术。无框电机只由定子和转子两个部分组成，相较于传统电机，去除了轴、轴承和 外壳，使其体积更小、结构更紧凑，易于维护，并便于被高度集成到协作机器人本体的中空结 构内，从而提高其机械性能。除了伺服电机外，协作机器人通常还使用体积小、重量轻的谐波 减速机。我们认为随着未来机器人小型化的发展，协作机器人关节中狭窄的安装空间和末端力 矩的要求显著增高，对无框电机本身性能的挑战也不断提升。

2.1.3 人形机器人：全新市场带来新增量

人形机器人运动离不开驱动器，目前驱动器方案可以分为刚性驱动、弹性驱动和准直驱。双 足人形机器人关节运动特点和人类关节运动类似，运动速度较快、机动性较好，因此相比其他 驱动器，人形机器人驱动器需要具有高功率密度、高响应性、高能量利用效率和耐冲击性等特 性。参考丁宏钰等的《国内外双足人形机器人驱动器研究综述》，目前人形机器人电动驱动器 方案可以分为三类：

1） 刚性驱动：1983 年，早稻田大学研究的 WL－10R 机器人使用刚性驱动器 TSA。自此双足 人形机器人开始广泛应用刚性驱动器为关节动力源。刚性驱动器主要由电机、高传动比减 速器、编码器、力矩传感器和控制板等组成（力矩传感器是可选择项）。相比其他方案， 刚性驱动较为成熟，但能量效率相对较低一些。

2） 弹性驱动：1995 年，麻省理工学院的 Pratt 等提出了弹性驱动器 SEA( series elastic actuator) 的概念。美国宇航局的机器人 Valkyrie 和意大利技术研究院的机器人 WalkMan 都使用了弹性驱动器。弹性驱动器通过增加弹性单元来模拟肌肉系统功能，可以缓冲 外部冲击和储能，使关节表现出柔顺、安全和高能量效率特性。但由于弹性元件引入，系 统变为欠驱动系统，因此运动控制精度较低。

3） 准直驱驱动：2016 提出了准直驱方案，准直驱驱动器含义是依靠驱动器电机开环力控，不 依赖于附加力或力矩传感器，就可以本体感知机器人脚部和外界的交互力，也被称为本体 驱动器。一般方案是采用电机加低传动比减速器的方案，同时要求负载质量和转动惯量尽 可能地小，这样可以实现高带宽力控和良好的抗冲击能力。准直驱驱动器主要由高扭矩密 度电机、低传动比减速器、编码器和控制板等组成。相比其他方案，运动控制系统较为复 杂。

我们认为特斯拉人形机器人在方案方面偏好刚性驱动方案，其一体化关节（旋转关节）类似 协作机器人设计，无框力矩电机是核心，利用高转速电机+高减速比减速器实现快速响应。以 协作机器人为例，一体化机器人关节主要由扭矩传感器、谐波减速机、力矩电机、制动器、增 量编码器、值编码器和伺服驱动器组成。根据金力等《驱控一体化机器人关节的研制及应 用》，一体化机器人关节采用无框力矩电机，电机定子与关节壳体之间一般通过耐高温树脂胶 粘接或过盈配合连接。电机转子与电机轴之间一般通过树脂胶粘接。无框力矩电机的大直径长度比和多磁极对保证了电机的大扭矩输出性能和低转速特性，其转子中空结构，方便关节的内 部走线。

人形机器人需要完成复杂的工作，对手部“灵巧性”提出需求。根据来淼等的《腱驱动仿人 型五指灵巧手的设计》，目前灵巧手的传动方式有很多，常见的有齿轮传动、连杆传动和腱传 动等多种方案。腱传动使用钢丝绳模仿人手的肌腱部位，将驱动器外置于手掌或者手臂处，用 腱绳实现远距离传动，精简了手指处的结构设计，相对齿轮和连杆，钢丝绳的重量和摩擦更小， 我们推测特斯拉人形机器人采用的是经典的六电机+金属腱绳方案。

人形机器人采用集成化方案，对轻量化、紧凑结构追求较高，手部采用轻量高效的空心杯电 机，身体部位采用无框电机等构成的一体化关节。特斯拉 Optimus 共有 28 个运动关节，包括 三种旋转执行器和三种线性执行器：其中旋转关节采用电机+传感器+谐波减速器的方案；而线 性关节采用电机+丝杠+传感器（从形态上，我们推测是无框电机）；特斯拉机器人灵巧手采取 了折中的方案，使用较为经典的六电机驱动方式，拇指采用双电机驱动弯曲和侧摆，其它四指 各用一个电机带动，电机采用蜗杆传动机构。从数量来看，共 12 个驱动，手指部分我们推测 是空心杯电机+驱动装置+传动装置构成。

机器人电机市场占电机市场约 1%，增速相对较快。Skyquest 预计 2021 年全球机器人相关电机 规模为 11 亿美元，2030 年有望达到 28 亿美元，复合增速达 13.4%。根据 Fortune Business Insights 公布的数据，2021 年全球电机市场规模约为 1139 亿美元，机器人相关电机市场份额 约 1%，但增速相对较快。

我们认为人形机器人有望复制特斯拉新能源车成长道路，较快实现大规模量产。特斯拉新能 源汽车个五年突破 10 万销量，第二个五年达到百万销量，展示了特斯拉较强的量产能力。 我们认为有望人形机器人复制特斯拉新能源汽车 0-1 的过程，有望在初步量产后快速上量。目 前方案下人形机器人身体拥有 28 个无框电机，手部对应 12 个空心杯电机，假设人形机器人量 产后，无框电机价值量为 800 元/个，空心杯电机 1000 元/个，则 100 万人形机器人对应电机 市场空间约为 344 亿元。

国内企业加速推进人形机器人相关项目+落地场景逐渐清晰，看好人形机器人加速落地。 1） 国内企业纷纷入局机器人项目，近期傅利叶智能发布了新研发的通用人形机器人 GR-1， GR-1 是国内的自主研发、可商业化落地的人形机器人产品，展示了机器人直腿行走、 敏捷避障等功能，国内人形机器人推进迅速。此外，华为、字节跳动也入局机器人业务； 腾讯 Robotics X 实验室发布了灵巧操作研究成果，并推出自研机器人灵巧手“TRX-Hand” 和机械臂“TRX-Arm”。我们认为国内多家企业入局机器人相关环节，有望加速人形机器 人落地。 2） 人形机器人有望在工厂场景落地。2023 年二季度业绩说明会上，特斯拉 CEO 埃隆·马斯克 公布了备受关注的特斯拉人形机器人 Optimus 的新进展。马斯克表示，特斯拉已经生产 了 10 台人形机器人。预计在今年 11 月份进行行走测试，计划明年在特斯拉工厂进行实用 性测试。

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