1769-IT6 同步傳輸控制 噪音小

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2.1.1 工業機器人：伺服電機系統是機器人“心臟”

工業機器人指面向工業領域的多關節機械手或多自由度機器人，在工業生產加工過程中通過自 動控制來代替人類執行某些單調、頻繁和重復的長時間作業，主要包括焊接機器人、搬運機器 人、碼垛機器人、包裝機器人、噴涂機器人、切割機器人和凈室機器人。工業機器人在機械結 構上有類似人類的行走、扭腰、大臂、小臂、手腕、爪子等部件，由計算機控制。工業機器人 廣泛應用于電子、物流、化工等工業領域。按照機械機構分類，工業機器人可以分為線性機器 人（又叫直角坐標機器人）、多自由度機器人（又叫多關節機器人）、并聯機器人（又叫 deltaΔ 機器人）和水平多關節機器人（又叫 scara 機器人）等。

工業機器人對精度要求較高，一般使用伺服電機，伺服系統成本在機器人中的占比為 25%。伺 服系統作為工業機器人核心零部件，可以將控制層指令準確、及時、穩妥地傳送到執行層。

2.1.2 協作機器人：輕量化設計背景下，無框電機成

協作機器人追求輕量化、人機相互。協作機器人是在 SCARA 機器人以及垂直多關節機器人等機 械結構基礎上衍生出的新類型。協作機器人除在外觀形態上與傳統工業機器人有些差別外，在 產品特性上也區別于傳統工業機器人追求的“剛度”，協作機器人更多追求輕量化、柔性和安 全協作性。此外在結構特點、交互方式、部署成本以及應用場景等方面與傳統工業機器人也存 在一定的差距。

協作機器人具有緊湊小型化、輕量化特性，因此選擇更加緊湊、高效率的電機方案。協作機 器人與傳統工業機器人在構造上有一定差異，協作機器人通常采用整體式的無框電機，采用關 節一體化技術。無框電機只由定子和轉子兩個部分組成，相較于傳統電機，去除了軸、軸承和 外殼，使其體積更小、結構更緊湊，易于維護，并便于被高度集成到協作機器人本體的中空結 構內，從而提高其機械性能。除了伺服電機外，協作機器人通常還使用體積小、重量輕的諧波 減速機。我們認為隨著未來機器人小型化的發展，協作機器人關節中狹窄的安裝空間和末端力 矩的要求顯著增高，對無框電機本身性能的挑戰也不斷提升。

2.1.3 人形機器人：全新市場帶來新增量

人形機器人運動離不開驅動器，目前驅動器方案可以分為剛性驅動、彈性驅動和準直驅。雙 足人形機器人關節運動特點和人類關節運動類似，運動速度較快、機動性較好，因此相比其他 驅動器，人形機器人驅動器需要具有高功率密度、高響應性、高能量利用效率和耐沖擊性等特 性。參考丁宏鈺等的《國內外雙足人形機器人驅動器研究綜述》，目前人形機器人電動驅動器 方案可以分為三類：

1） 剛性驅動：1983 年，早稻田大學研究的 WL－10R 機器人使用剛性驅動器 TSA。自此雙足 人形機器人開始廣泛應用剛性驅動器為關節動力源。剛性驅動器主要由電機、高傳動比減 速器、編碼器、力矩傳感器和控制板等組成（力矩傳感器是可選擇項）。相比其他方案， 剛性驅動較為成熟，但能量效率相對較低一些。

2） 彈性驅動：1995 年，麻省理工學院的 Pratt 等提出了彈性驅動器 SEA( series elastic actuator) 的概念。美國宇航局的機器人 Valkyrie 和意大利技術研究院的機器人 WalkMan 都使用了彈性驅動器。彈性驅動器通過增加彈性單元來模擬肌肉系統功能，可以緩沖 外部沖擊和儲能，使關節表現出柔順、安全和高能量效率特性。但由于彈性元件引入，系 統變為欠驅動系統，因此運動控制精度較低。

3） 準直驅驅動：2016 提出了準直驅方案，準直驅驅動器含義是依靠驅動器電機開環力控，不 依賴于附加力或力矩傳感器，就可以本體感知機器人腳部和外界的交互力，也被稱為本體 驅動器。一般方案是采用電機加低傳動比減速器的方案，同時要求負載質量和轉動慣量盡 可能地小，這樣可以實現高帶寬力控和良好的抗沖擊能力。準直驅驅動器主要由高扭矩密 度電機、低傳動比減速器、編碼器和控制板等組成。相比其他方案，運動控制系統較為復 雜。

我們認為特斯拉人形機器人在方案方面偏好剛性驅動方案，其一體化關節（旋轉關節）類似 協作機器人設計，無框力矩電機是核心，利用高轉速電機+高減速比減速器實現快速響應。以 協作機器人為例，一體化機器人關節主要由扭矩傳感器、諧波減速機、力矩電機、制動器、增 量編碼器、值編碼器和伺服驅動器組成。根據金力等《驅控一體化機器人關節的研制及應 用》，一體化機器人關節采用無框力矩電機，電機定子與關節殼體之間一般通過耐高溫樹脂膠 粘接或過盈配合連接。電機轉子與電機軸之間一般通過樹脂膠粘接。無框力矩電機的大直徑長度比和多磁極對保證了電機的大扭矩輸出性能和低轉速特性，其轉子中空結構，方便關節的內 部走線。

人形機器人需要完成復雜的工作，對手部“靈巧性”提出需求。根據來淼等的《腱驅動仿人 型五指靈巧手的設計》，目前靈巧手的傳動方式有很多，常見的有齒輪傳動、連桿傳動和腱傳 動等多種方案。腱傳動使用鋼絲繩模仿人手的肌腱部位，將驅動器外置于手掌或者手臂處，用 腱繩實現遠距離傳動，精簡了手指處的結構設計，相對齒輪和連桿，鋼絲繩的重量和摩擦更小， 我們推測特斯拉人形機器人采用的是經典的六電機+金屬腱繩方案。

人形機器人采用集成化方案，對輕量化、緊湊結構追求較高，手部采用輕量高效的空心杯電 機，身體部位采用無框電機等構成的一體化關節。特斯拉 Optimus 共有 28 個運動關節，包括 三種旋轉執行器和三種線性執行器：其中旋轉關節采用電機+傳感器+諧波減速器的方案；而線 性關節采用電機+絲杠+傳感器（從形態上，我們推測是無框電機）；特斯拉機器人靈巧手采取 了折中的方案，使用較為經典的六電機驅動方式，拇指采用雙電機驅動彎曲和側擺，其它四指 各用一個電機帶動，電機采用蝸桿傳動機構。從數量來看，共 12 個驅動，手指部分我們推測 是空心杯電機+驅動裝置+傳動裝置構成。

機器人電機市場占電機市場約 1%，增速相對較快。Skyquest 預計 2021 年全球機器人相關電機 規模為 11 億美元，2030 年有望達到 28 億美元，復合增速達 13.4%。根據 Fortune Business Insights 公布的數據，2021 年全球電機市場規模約為 1139 億美元，機器人相關電機市場份額 約 1%，但增速相對較快。

我們認為人形機器人有望復制特斯拉新能源車成長道路，較快實現大規模量產。特斯拉新能 源汽車個五年突破 10 萬銷量，第二個五年達到百萬銷量，展示了特斯拉較強的量產能力。 我們認為有望人形機器人復制特斯拉新能源汽車 0-1 的過程，有望在初步量產后快速上量。目 前方案下人形機器人身體擁有 28 個無框電機，手部對應 12 個空心杯電機，假設人形機器人量 產后，無框電機價值量為 800 元/個，空心杯電機 1000 元/個，則 100 萬人形機器人對應電機 市場空間約為 344 億元。

國內企業加速推進人形機器人相關項目+落地場景逐漸清晰，看好人形機器人加速落地。 1） 國內企業紛紛入局機器人項目，近期傅利葉智能發布了新研發的通用人形機器人 GR-1， GR-1 是國內的自主研發、可商業化落地的人形機器人產品，展示了機器人直腿行走、 敏捷避障等功能，國內人形機器人推進迅速。此外，華為、字節跳動也入局機器人業務； 騰訊 Robotics X 實驗室發布了靈巧操作研究成果，并推出自研機器人靈巧手“TRX-Hand” 和機械臂“TRX-Arm”。我們認為國內多家企業入局機器人相關環節，有望加速人形機器 人落地。 2） 人形機器人有望在工廠場景落地。2023 年二季度業績說明會上，特斯拉 CEO 埃隆·馬斯克 公布了備受關注的特斯拉人形機器人 Optimus 的新進展。馬斯克表示，特斯拉已經生產 了 10 臺人形機器人。預計在今年 11 月份進行行走測試，計劃明年在特斯拉工廠進行實用 性測試。

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