電機(jī)行業(yè)專題報(bào)告：機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的“心臟”電機(jī)有望迎來(lái)廣闊空間

電機(jī)行業(yè)專題報(bào)告：機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的“心臟”，電機(jī)有望迎來(lái)廣闊空間人形機(jī)器人快速進(jìn)化，電機(jī)是其重要部件人形機(jī)器人可用于日常環(huán)境，是國(guó)家科技綜合水平的重要體現(xiàn)人形機(jī)器人通常用于日常生活環(huán)境，協(xié)助人類完成復(fù)雜和多樣的工作。隨著工業(yè)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的日趨成熟，人們對(duì)機(jī)器人技術(shù)智能化本質(zhì)的認(rèn)識(shí)日益加深。機(jī)器人技術(shù)向人類生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域的滲透。與工業(yè)機(jī)器人相對(duì)固定的作業(yè)環(huán)境不同，人形機(jī)器人通常使用于人類的日常生活環(huán)境中。人形機(jī)器人具備類似人類的感知、決策、行為以及擬人化的移動(dòng)特性，從外觀上更加容易被使用者接受并產(chǎn)生親切感，因此能夠在人類所在的環(huán)境中與人類和諧相處，協(xié)助人類完成復(fù)雜和多樣的工作。人形機(jī)器人具有顯著的優(yōu)勢(shì)，是國(guó)家科技綜合水平的重要體現(xiàn)。人形機(jī)器人又稱仿人機(jī)器人或類人機(jī)器人，指具有人的形態(tài)和功能的機(jī)器人，具有擬人的肢體、運(yùn)動(dòng)與作業(yè)技能，以及感知、學(xué)習(xí)和認(rèn)知能力。人形機(jī)器人具備人類的外形特征和行動(dòng)能力，可以采用雙腿行走方式，通過(guò)手臂和身體的協(xié)調(diào)完成一些簡(jiǎn)單的功能，以及通過(guò)簡(jiǎn)單的語(yǔ)言和人類交流。與傳統(tǒng)的機(jī)器人相比，人形機(jī)器人具有顯著的優(yōu)勢(shì)。人形機(jī)器人建立在多學(xué)科基礎(chǔ)之上，綜合運(yùn)用機(jī)械、電氣、材料、傳感、控制和計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)擬人化的功能，環(huán)境適應(yīng)更通用、任務(wù)操作更多元、人機(jī)交互更親和，是國(guó)際公認(rèn)的機(jī)器人技術(shù)集大成者，是一個(gè)國(guó)家科技綜合水平的重要體現(xiàn)。人形機(jī)器人發(fā)展歷史：日本最先研究，目前進(jìn)入早期產(chǎn)業(yè)化落地階段商用工業(yè)機(jī)器人誕生于美國(guó)，人形機(jī)器人則以日本的研究成果最為矚目。“Robot”（機(jī)器人）一詞首先出現(xiàn)在捷克著名劇作家卡雷爾·恰佩克（KarelCapek）的話劇《羅素姆的萬(wàn)能機(jī)器人》中，這是一個(gè)源于捷克文“Robota”（勞役、苦工）和波蘭文“Robotnik”（工人）的新造詞，被用來(lái)形容為人類服務(wù)的機(jī)器奴隸。到了1962年，世界上第一款量產(chǎn)的實(shí)用機(jī)器人“VERSTRAN”誕生于美國(guó)，與Unimation公司生產(chǎn)的“UNIMATE”機(jī)械臂一起，成為世界上最早商用的工業(yè)機(jī)器人，由此拉開了機(jī)器人發(fā)展的序幕。而人形機(jī)器人起步于上世紀(jì)60年代后期，以日本的研究成果最為矚目。人形機(jī)器人發(fā)展歷經(jīng)四個(gè)階段，目前進(jìn)入早期產(chǎn)業(yè)化落地階段。根據(jù)中國(guó)機(jī)器人網(wǎng)、顧浩楠《人形機(jī)器人歷史沿革與產(chǎn)業(yè)鏈淺析》等，人形機(jī)器人的發(fā)展歷程主要分為四個(gè)階段：第一階段，是以早稻田大學(xué)仿人機(jī)器人為代表的早期發(fā)展階段；第二階段，是以本田仿人機(jī)器人為代表的系統(tǒng)高度集成的能力破冰階段；第三階段，是以波士頓動(dòng)力仿人機(jī)器人為代表的高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)發(fā)展階段；第四階段是以特斯拉Optimus機(jī)器人為代表的產(chǎn)業(yè)化落地階段，該階段尚處于發(fā)展前期。1973年，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授研發(fā)出世界上第一款人形機(jī)器人WABOT-1的WL-5號(hào)兩足步行機(jī)；1986年，日本本田開始進(jìn)行人形機(jī)器人ASIMO的研究，并成功于2000年發(fā)布第一代機(jī)型；2016年，美國(guó)波士頓動(dòng)力公司發(fā)布雙足機(jī)器人Atlas，具有極強(qiáng)的平衡性和越障能力，能夠承擔(dān)危險(xiǎn)環(huán)境搜救任務(wù)；2022年9月30日，特斯拉人形機(jī)器人“擎天柱”（Optimus）原型機(jī)正式在特斯拉AI日亮相，是目前人形機(jī)器人最前沿的代表之一。電機(jī)驅(qū)動(dòng)更注重“智能”，機(jī)器人對(duì)伺服電機(jī)要求高電機(jī)驅(qū)動(dòng)更注重“智能”，運(yùn)動(dòng)控制精度有很大保障。機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器是雙足人形機(jī)器人關(guān)鍵部件，按動(dòng)力來(lái)源可以分為液壓、氣動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、記憶金屬、生物類(心肌細(xì)胞)等，其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)是較為常見(jiàn)的兩種形式，如美國(guó)波士頓動(dòng)力機(jī)器人主要采用高爆發(fā)液壓伺服技術(shù)，更注重“力量”；特斯拉機(jī)器人主要采用高扭矩密度電機(jī)伺服技術(shù)，更注重“智能”。電機(jī)方案的優(yōu)勢(shì)在于，在運(yùn)動(dòng)控制方面，其設(shè)計(jì)比液壓控制有更成熟的解決方案，處理器編碼器也相對(duì)更容易正確獲取運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)反饋，控制精度也有很大保障，而且相較液壓成本便宜了很多。電機(jī)是機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)器人對(duì)伺服電機(jī)要求高。機(jī)器人電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)器人對(duì)伺服電機(jī)的要求比較高：首先要求伺服電機(jī)具有快速響應(yīng)性；其次，伺服電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比要大。在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的情況下，要求機(jī)器人的伺服電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小；最后，伺服電機(jī)要具有控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著控制信號(hào)的變化，電機(jī)的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化。同時(shí)為了配合機(jī)器人的體形，伺服電機(jī)必須體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。還要經(jīng)受得起苛刻的運(yùn)行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運(yùn)行，并能在短時(shí)間內(nèi)承受數(shù)倍過(guò)載。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的“心臟”，對(duì)運(yùn)動(dòng)精度起決定作用電機(jī)用以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，是機(jī)器人的核心硬件電機(jī)用以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，根據(jù)需要被安裝在機(jī)器人關(guān)節(jié)上控制運(yùn)動(dòng)。電機(jī)（俗稱“馬達(dá)”）是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。在電路中用字母M表示，它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源。機(jī)器人關(guān)節(jié)是機(jī)器人的基礎(chǔ)部件，是各桿件間的結(jié)合部分，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各種運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副，一個(gè)關(guān)節(jié)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器、控制器和關(guān)節(jié)電機(jī)。機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)具有減速、傳動(dòng)、提升扭矩功能，它被視為機(jī)器人的執(zhí)行單元，根據(jù)需要被安裝在各關(guān)節(jié)上控制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人諸如行走、跑、彈跳等動(dòng)作均由機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生。機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)作為機(jī)器人的核心硬件，直接決定機(jī)器人的重要性能，是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的“心臟”。電機(jī)誕生于19世紀(jì)，已在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中廣泛應(yīng)用。電動(dòng)機(jī)主要包括一個(gè)用以產(chǎn)生磁場(chǎng)的電磁鐵繞組或分布的定子繞組，和一個(gè)旋轉(zhuǎn)電樞或轉(zhuǎn)子和其它附件組成。在定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，其在電樞鼠籠式鋁框中有電流通過(guò)并受磁場(chǎng)的作用而使其轉(zhuǎn)動(dòng)。1820年7月21日，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現(xiàn)了“電流的磁效應(yīng)”，建立了電磁的相互聯(lián)系。1821年英國(guó)物理學(xué)家法拉第制成了第一個(gè)實(shí)驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的模型。至今，電動(dòng)機(jī)已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到廣泛應(yīng)用。電機(jī)有多種類型，可與其他零部件集成減少整體體積電機(jī)有多種類型，一般包括定子和轉(zhuǎn)子。基于不同的維度，如使用范圍、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，電機(jī)有不同的分類，如按工作電源種類劃分，可以分為直流電機(jī)、交流電機(jī)；按結(jié)構(gòu)和工作原理劃分，可以分為直流電機(jī)、異步電機(jī)、同步電機(jī)；按用途劃分，可以分為驅(qū)動(dòng)用電機(jī)、控制用電機(jī)等等。以直流電機(jī)為例，電機(jī)結(jié)構(gòu)上一般包括定子和轉(zhuǎn)子，電機(jī)工作時(shí)不轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為定子，而始終處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的部分稱為轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子是直流電機(jī)能夠進(jìn)行兩種能量轉(zhuǎn)換的核心樞紐，因此轉(zhuǎn)子也稱為電樞。與直流電機(jī)類似，交流電機(jī)也是由定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)殼及其它的輔助零件組成，核心部件為定子和轉(zhuǎn)子。電機(jī)可以單獨(dú)存在，也可集成減少整體體積。電機(jī)可以作為一個(gè)單獨(dú)的零件存在，但有些時(shí)候也會(huì)和其他零件集成到一起，有利于減小整體體積，比如電動(dòng)車上經(jīng)常用到三合一電驅(qū)動(dòng)，是將電機(jī)、減速器、電機(jī)控制器集成到一起，減小了整體的體積和重量，提高空間利用率；在電動(dòng)車上甚至有六合一電驅(qū)動(dòng)（電機(jī)、減速器、電機(jī)控制器、DC/DC、充電機(jī)、配電盒）、八合一電驅(qū)動(dòng)（電機(jī)、減速器、電機(jī)控制器、DC/DC、充電機(jī)、配電盒、電池管理器、整車控制器）等。特斯拉人形機(jī)器人內(nèi)置3種線性執(zhí)行器及3種旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，全身28個(gè)關(guān)節(jié)Optimus共有28個(gè)執(zhí)行器，線性及旋轉(zhuǎn)各14個(gè)。對(duì)于雙足人形機(jī)器人而言，要完成基本行走與抓取等常規(guī)動(dòng)作，通常需要30~40臺(tái)直流伺服電機(jī)。同時(shí)伺服電機(jī)還需要滿足體積小，高爆發(fā)、高功率以及高密度等特點(diǎn)。特斯拉Optimus（擎天柱）內(nèi)置3種線性執(zhí)行器及3種旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器。其中線性執(zhí)行器14個(gè)，主要包括無(wú)框力矩電機(jī)+行星滾柱絲杠；旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器14個(gè)，主要包括無(wú)框力矩電機(jī)+諧波減速器，合計(jì)共有28個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)執(zhí)行器。28個(gè)執(zhí)行器分布于肩、肘、腕、軀干、髖、膝、踝等部位。根據(jù)2022特斯拉AIday的展示，28個(gè)執(zhí)行器分布在：①肩部6個(gè)（旋轉(zhuǎn)×6）；②肘部2個(gè)（直線×2）；③腕部6個(gè)（旋轉(zhuǎn)×2+直線×4）；④軀干2個(gè)（旋轉(zhuǎn)×2）；⑤髖部6個(gè)（旋轉(zhuǎn)×4+直線×2）；⑥膝部2個(gè)（直線×2）；⑦踝部4個(gè)（直線×4）。空心杯電機(jī)是靈巧手關(guān)鍵部件，具有良好的節(jié)能效果、動(dòng)力性能及控制性能人形機(jī)器人手指空間狹小，空心杯電機(jī)是關(guān)鍵零部件?？招谋姍C(jī)是人形機(jī)器人靈巧手的關(guān)鍵零部件。對(duì)于人形機(jī)器人而言，其手指空間狹小，因而人形機(jī)器人手指關(guān)節(jié)需配備更多小型化且能夠輸出較大力的電機(jī)，屬于直流永磁伺服電動(dòng)機(jī)的空心杯電機(jī)完美契合人形機(jī)器人對(duì)應(yīng)手指關(guān)節(jié)輕量化、高精度等需求。目前以特斯拉為代表的著力于人形機(jī)器人量產(chǎn)化的企業(yè)主要采用了空心杯電機(jī)方案。效率高、轉(zhuǎn)速快、響應(yīng)快，空心杯電機(jī)具有良好的節(jié)能效果、動(dòng)力性能及控制性能。空心杯電機(jī)在結(jié)構(gòu)上突破傳統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，采用了無(wú)鐵芯轉(zhuǎn)子，也叫空心杯型轉(zhuǎn)子，這種新穎的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)徹底消除了因鐵芯形成渦流而造成的電能損耗。同時(shí)空心杯電機(jī)重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大幅降低，從而減少轉(zhuǎn)子自身的機(jī)械能損耗。由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)變化而使電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性得到極大改善，不但具有突出的節(jié)能特點(diǎn)，更為重要的是具備了鐵芯電機(jī)所無(wú)法達(dá)到的控制和拖動(dòng)特性?？招谋姍C(jī)為微特電機(jī)，具有突出的節(jié)能特性、靈敏方便的控制特性和穩(wěn)定的運(yùn)行特性，技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。作為高效率的能量轉(zhuǎn)換裝置，在很多領(lǐng)域代表了電動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向。產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加速，電機(jī)有望迎來(lái)廣闊空間AI助力+政策支持，人形機(jī)器人有望迎來(lái)歷史性發(fā)展機(jī)遇多地發(fā)布支持政策，人形機(jī)器人有望迎來(lái)歷史性發(fā)展機(jī)遇。近期多地發(fā)布政策支持人形機(jī)器人的發(fā)展，6月北京市人民政府辦公廳印發(fā)《北京市機(jī)器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)方案（2023-2025年）》提出，著眼世界前沿技術(shù)和未來(lái)戰(zhàn)略需求，加緊布局人形機(jī)器人，帶動(dòng)醫(yī)療健康、協(xié)作、特種、物流四類優(yōu)勢(shì)機(jī)器人產(chǎn)品躍升發(fā)展，實(shí)施百項(xiàng)機(jī)器人新品工程，打造智能驅(qū)動(dòng)、產(chǎn)研一體、開放領(lǐng)先的創(chuàng)新產(chǎn)品體系。上海、深圳、山東等地今年以來(lái)也都發(fā)布了關(guān)于人形機(jī)器人的支持政策，人形機(jī)器人在工業(yè)、醫(yī)療、家庭服務(wù)等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用空間，隨著各項(xiàng)重磅政策接踵而至，人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈或迎來(lái)歷史性發(fā)展機(jī)遇。具身智能時(shí)代開啟，AI助力人形機(jī)器人向前邁進(jìn)。人形機(jī)器人作為通用機(jī)器人的代表和具身智能的優(yōu)秀載體，一方面正在受益于通用人工智能的發(fā)展，另一方面，也以“具身智能”成為AI與物理世界的接口，和下一代通用人工智能的終端平臺(tái)。AI大模型在機(jī)器人任務(wù)中主要扮演了推理決策的角色，將人類給出的自然語(yǔ)言指令拆解為機(jī)器人可執(zhí)行的步驟。多模態(tài)的AI大模型補(bǔ)全了機(jī)器人核心的推理決策能力，有望助力人形機(jī)器人走向通用之路。核心零部件是人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈主要上游，電機(jī)成本占比較高產(chǎn)業(yè)鏈包括上游零部件、中游本體及下游應(yīng)用，相比常規(guī)機(jī)器人技術(shù)要求更高。人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈主要包括上游的核心零部件，例如無(wú)框力矩電機(jī)、空心杯電機(jī)、傳感器、專用芯片等；中游為機(jī)器人本體制造，包括設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試三大環(huán)節(jié)；下游為人形機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域，包括工業(yè)制造、倉(cāng)儲(chǔ)物流、醫(yī)療服務(wù)、商業(yè)服務(wù)、家庭使用等。從技術(shù)上來(lái)看，相較于常規(guī)機(jī)器人，人形機(jī)器人涉及學(xué)科廣泛，技術(shù)更加復(fù)雜，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和執(zhí)行器、控制系統(tǒng)、傳感器、人工智能、人機(jī)交互、能源管理、機(jī)器視覺(jué)等核心技術(shù)都有著極高的要求。核心零部件是人形機(jī)器人的重要支撐，電機(jī)在核心零部件中占比較高。核心零部件供給是未來(lái)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展的重要支撐，人形機(jī)器人三