人形機(jī)器人：線性關(guān)節(jié)四大核心零部件產(chǎn)業(yè)格局全梳理

人形機(jī)器人：線性關(guān)節(jié)四大核心零部件，產(chǎn)業(yè)格局全梳理7月6日，2023世界人工智能大會(huì)在上海開(kāi)幕。作為科技圈的明星代表，特斯拉首次應(yīng)邀參展，現(xiàn)場(chǎng)展示了TeslaBot人形機(jī)器人。該人形機(jī)器人身高172cm，體重56.6kg，就是一個(gè)正常成年人的身形。機(jī)器人全身?yè)碛?8個(gè)自由度，就如同人體的關(guān)節(jié)。手部有11個(gè)自由度，可以更加靈活的抓握，且力大無(wú)比，可以單手舉起一臺(tái)鋼琴。馬斯克認(rèn)為，現(xiàn)在可能是人類(lèi)歷史上最深刻的一個(gè)時(shí)期，特斯拉的人形機(jī)器人還在開(kāi)發(fā)階段，處于比較早期的階段，但未來(lái)將會(huì)有非常多的機(jī)器人。在現(xiàn)在看來(lái)，機(jī)器人和人類(lèi)的比例在某個(gè)階段將會(huì)超過(guò)1:1。特斯拉機(jī)器人硬件部分三大核心部位在于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、線性關(guān)節(jié)、手部關(guān)節(jié)。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：采用旋轉(zhuǎn)式驅(qū)動(dòng)器，主要由電機(jī)+諧波減速器+位置傳感器+力矩傳感器構(gòu)成。線性關(guān)節(jié)：采用線性驅(qū)動(dòng)器，主要由無(wú)框力矩電機(jī)/步進(jìn)電機(jī)+行星滾柱絲杠/滾珠絲杠+力矩傳感器+編碼器+軸承組成。手部關(guān)節(jié)：由空心杯電機(jī)+螺紋絲杠+精密行星齒輪箱+編碼器。特斯拉驅(qū)動(dòng)器圖示：資料來(lái)源：TeslaAIDay2022發(fā)布會(huì)其中，人形機(jī)器人的線型關(guān)節(jié)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作控制的核心部件，包括行星滾柱絲杠、靈活傳感器和智能編碼器等。行星滾柱絲杠作為一種精準(zhǔn)傳動(dòng)裝置，具有高精度和高剛度，已經(jīng)在機(jī)器人領(lǐng)域得到應(yīng)用；靈活傳感器可以適應(yīng)不同的形狀和變化，用于機(jī)器人的接觸感知和力控制；編碼器作為伺服系統(tǒng)的反饋裝置，很大程度上決定伺服系統(tǒng)精度。01

無(wú)框力矩電機(jī)

無(wú)框力矩電機(jī)一種特殊的力矩電機(jī)，但沒(méi)有軸、軸承、外殼、反饋或端蓋，只包含轉(zhuǎn)子和定子。

定子是外部部件，外面包覆著能產(chǎn)生電磁力的銅繞組，整體緊湊地安裝在機(jī)器外殼的主體內(nèi)；轉(zhuǎn)子是內(nèi)部部件，由帶永磁體的旋轉(zhuǎn)鋼圓環(huán)組件構(gòu)成，直接固定于機(jī)器軸上。人形機(jī)器人關(guān)節(jié)體積有限，需要在有限的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)盡可能高的功率密度，從而達(dá)到最好的效果。無(wú)框力矩電機(jī)集成到機(jī)器人結(jié)構(gòu)中，能夠最大限度減小電機(jī)占用空間。無(wú)框力矩電機(jī)能夠很好地集成于機(jī)器人關(guān)節(jié)：資料來(lái)源：特斯拉發(fā)布會(huì)

無(wú)框力矩電機(jī)相較于標(biāo)準(zhǔn)伺服電機(jī)技術(shù)難度更高，因?yàn)闊o(wú)框力矩電機(jī)屬于低壓電機(jī)，但其要求輸出的功率較大，同時(shí)又要求體積較小，便于安裝和節(jié)約空間。從收入體量看，海外品牌實(shí)力強(qiáng)勁，國(guó)產(chǎn)品牌規(guī)模仍較小。

國(guó)外參與企業(yè)主要是科爾摩根、Moog、MaxonMotor等。國(guó)內(nèi)具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)的廠商主要有步科股份、昊志機(jī)電、匯川技術(shù)、禾川科技等。步科股份全新第三代FMC無(wú)框力矩電機(jī)系列系自主研發(fā)設(shè)計(jì)，性能優(yōu)于同業(yè)產(chǎn)品，產(chǎn)品尺寸可實(shí)現(xiàn)與國(guó)際接軌，相較于外資品牌成本優(yōu)勢(shì)明顯，且可提供定制化解決方案。昊志機(jī)電的DD直驅(qū)電機(jī)運(yùn)用獨(dú)創(chuàng)的模塊化定子結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)的電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)，使得電機(jī)的冷卻效率最大化，進(jìn)而提升了電機(jī)的輸出特性。02

行星滾柱絲杠：國(guó)產(chǎn)替代藍(lán)海市場(chǎng)

機(jī)器人傳動(dòng)裝置包括齒輪傳動(dòng)（圓柱齒輪傳動(dòng)、錐齒輪傳動(dòng)、齒輪鏈傳動(dòng)、齒輪齒條傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)等）、絲杠傳動(dòng)、行星齒輪傳動(dòng)和RV減速器傳動(dòng)外，還常用柔性元件傳動(dòng)（諧波齒輪傳動(dòng)、繩傳動(dòng)和同步齒形帶傳動(dòng)等）。其中滾珠絲杠在機(jī)器人上大量應(yīng)用（低成本機(jī)器人也會(huì)采用普通絲杠）。行星滾柱絲杠最早在1942年發(fā)明，但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大和成本高，一直沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。相比滾珠絲杠副，行星滾柱絲杠在承載能力、傳動(dòng)效率、壽命方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，基于行星滾柱絲杠開(kāi)發(fā)的電動(dòng)缸性能更優(yōu)。行星絲杠與滾珠絲杠主要的區(qū)別在于負(fù)載的傳遞單元使用螺紋滾柱而不是滾柱。行星絲杠通過(guò)螺紋滾柱來(lái)傳遞負(fù)載：來(lái)源：《行星滾柱絲杠副產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用分析》人形機(jī)器人、精密機(jī)床等行業(yè)的發(fā)展帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)企業(yè)在行星滾柱絲杠方面的投入。特斯拉“Optimus”采用行星絲杠作為下肢的線性驅(qū)動(dòng)器：國(guó)內(nèi)行星滾柱絲杠目前還處于早期階段，生產(chǎn)難度較大，國(guó)內(nèi)企業(yè)較少布局。近年來(lái)以華中科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)為代表的高校力量逐步推動(dòng)底層研究。中國(guó)目前的主要參與企業(yè)包括秦川機(jī)床、鼎智科技（江蘇雷利子公司）、新劍傳動(dòng)等廠商。秦川機(jī)床子公司漢江機(jī)床在滾柱傳動(dòng)系統(tǒng)方面布局較早，2014年漢江機(jī)床取得整體注塑滾柱直線導(dǎo)軌副專(zhuān)利。此后，公司進(jìn)一步拓展?jié)L柱導(dǎo)軌類(lèi)新產(chǎn)品，并逐步就滾柱絲杠副進(jìn)行研究。2020年，漢江機(jī)床完成滾柱直線導(dǎo)軌副等15項(xiàng)絲杠產(chǎn)業(yè)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，完成滾柱絲杠副可靠性試驗(yàn)等基礎(chǔ)性能試驗(yàn)5項(xiàng)。鼎智科技產(chǎn)品包括線性執(zhí)行器、混合式步進(jìn)電機(jī)等，是全球線性執(zhí)行器產(chǎn)品領(lǐng)域內(nèi)較少數(shù)具備絲杠部件和螺母部件獨(dú)立生產(chǎn)能力的企業(yè)。其中，公司線性執(zhí)行器包括滑動(dòng)絲杠、滾動(dòng)絲杠，行星滾柱絲杠。公司在微型行星滾柱絲杠的研發(fā)與生產(chǎn)上已有里程碑式達(dá)成。該產(chǎn)品與滾珠絲杠相比負(fù)載能力更高、使用壽命更長(zhǎng)，可以適應(yīng)更極端的環(huán)境；與梯形絲杠相比精度和效率更高。新劍傳動(dòng)公司行星滾柱絲杠電動(dòng)缸產(chǎn)線系列產(chǎn)品已于2022年3月實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。該產(chǎn)品是省級(jí)首臺(tái)套，替代進(jìn)口卡脖子工程，將成為液壓驅(qū)動(dòng)、滾珠絲杠電動(dòng)缸的未來(lái)技術(shù)主力替代方案。公司建有國(guó)內(nèi)行星滾柱絲杠首條批量化生產(chǎn)線，行星滾柱絲杠已建成350萬(wàn)套的批量化生產(chǎn)能力，并在汽車(chē)行業(yè)首先進(jìn)行了應(yīng)用。03力矩傳感器：為機(jī)器人提供觸覺(jué)，產(chǎn)品價(jià)格昂貴

力矩傳感器是一種電子裝置，用于監(jiān)測(cè)、檢測(cè)、記錄施加在其上的線性力和旋轉(zhuǎn)力，常用于打磨、拋光碰撞檢測(cè)等領(lǐng)域。根據(jù)MarketInsight，2022年全球力矩傳感器市場(chǎng)空間為84億美元，約600億元。按照測(cè)量維度上分，力矩傳感器可分為一維至六維傳感器，其中六維傳感器可測(cè)量X、Y、Z三軸力和力矩。高性能進(jìn)口力傳感器價(jià)格昂貴，技術(shù)難度大。2022年，在接受高工機(jī)器人采訪時(shí)，坤維科技創(chuàng)始人熊琳表示：“一臺(tái)高性能的進(jìn)口力傳感器的價(jià)格頂?shù)蒙蠂?guó)內(nèi)一臺(tái)協(xié)作機(jī)器人的價(jià)格，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)機(jī)器人行業(yè)用不起，加之標(biāo)校能力和生產(chǎn)方式等多方面的約束，國(guó)內(nèi)多數(shù)六維力傳感器廠商無(wú)法滿(mǎn)足產(chǎn)能需求，阻礙了第三代工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?！逼浼夹g(shù)難點(diǎn)主要在于，六維力傳感器除了要解決對(duì)所測(cè)力分量敏感的單調(diào)性和一致性問(wèn)題外，還要解決因結(jié)構(gòu)加工和工藝誤差引起的維間（軸間）干擾問(wèn)題、動(dòng)靜態(tài)標(biāo)定問(wèn)題以及矢量運(yùn)算中的解耦算法和電路實(shí)現(xiàn)。高性能六維傳感器價(jià)格從幾千到上萬(wàn)不等，價(jià)值量較高。國(guó)內(nèi)參與者主要是昊志機(jī)電、宇立儀器（安川電機(jī)、KUKA、ABB的力傳感器合作商）、坤維科技（供貨給節(jié)卡、遨博、睿爾曼、越疆、思靈、大族等國(guó)內(nèi)協(xié)作機(jī)器人廠商）。04編碼器：決定伺服系統(tǒng)精度

編碼器作為伺服系統(tǒng)的反饋裝置，很大程度上決定伺服系統(tǒng)精度。伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器將反饋信號(hào)輸入控制器，這樣便能得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置等狀況?？刂破鞲鶕?jù)編碼器的反饋信號(hào)計(jì)算偏差，再次控制電機(jī)，糾正偏差。通常檢測(cè)電機(jī)的位置并不復(fù)雜，但是很多電機(jī)運(yùn)行環(huán)境惡劣，對(duì)于編碼器精度、分辨率、牢固性以及成本等方面提出諸多要求。目前我國(guó)編碼器市場(chǎng)行業(yè)前三海德漢、多摩川、禹衡光學(xué)占據(jù)了50%的份額。國(guó)內(nèi)編碼器