人形機器人行業(yè)研究

人形機器人行業(yè)研究1.結論及投資分析以特斯拉為代表的汽車廠商積極投入人形機器人產業(yè)，汽車零部件有望發(fā)揮研發(fā)、制造、資金等優(yōu)勢，借助汽車客戶優(yōu)勢，切入機器人新賽道。特斯拉機器人的設計、開發(fā)、供應鏈借鑒了汽車的豐富經驗，相關汽車零部件有望率先參與特斯拉機器人產業(yè)，打造第二成長曲線。我們認為在汽車零部件尋找機器人相關投資機會選擇的標準有兩個：一是特斯拉車鏈供應商，二是具有機器人相關業(yè)務或者原有業(yè)務有向機器人延伸可能的公司。機器人關節(jié)的執(zhí)行總成、減速器、絲杠等環(huán)節(jié)彈性大，部分汽車零部件供應商原有業(yè)務與機器人關鍵部件有協(xié)同性，有望向機器人業(yè)務延展。2.Teslabot不斷迭代，孕育下一輪科技革命2.1.特斯拉引領，人形機器人即將爆發(fā)特斯拉強勢進軍人形機器人市場，引領下一輪科技革命。2021年8月19日，特斯拉在首個AI日上發(fā)布人形機器人概念圖及視頻，宣布特斯拉通用機器人計劃。2022年9月30日的AI日特斯拉Optimus原型機首次現身，特斯拉人形機器人加速推進。特斯拉計劃將Optimus系列機器人與Model系列電動車作為同樣重要的產品線，打通工業(yè)、商用、家用場景限制，填補勞動力缺口，用機器代替人類執(zhí)行危險、無聊、重復和人們不愿意做的工作，整合各類應用場景，成為繼PC、手機、智能電動汽車后下一代的超級智能終端。特斯拉人形機器人不斷迭代，商業(yè)化落地持續(xù)加速。2022年9月特斯拉原型機只能緩慢張手、抬手，發(fā)布會現場由工人人員搬運出場，發(fā)布會展示的視頻中只能做下蹲、拿/搬運箱子、抓取物體、澆花等簡單動作。2023年5月特斯拉發(fā)布的演示視頻中可以集體步行、靈活抓取放下物體等更復雜的動作。2023年9月，特斯拉再度發(fā)布新視頻，特斯拉機器人可以依靠視覺對物體分類、找準身體平衡感，能做出單腿直立等動作。特斯拉人形機器人以每3-6個月的時間間隔加速迭代，細節(jié)方案越來越向商業(yè)落地靠近。1.1.人形機器人有望成為下一個新能源汽車回顧新能源車的發(fā)展，人形機器人處在商業(yè)化的前夜。在特斯拉出現之前，新能源車也面臨過成本與需求不清晰的混沌期，主要是短期技術的限制造成的。盡管電動汽車19世紀就誕生，早于汽油車，但當時電池密度低、壽命端，無法與快速進步的內燃機汽車競爭，在過去百年之中市場先選擇了汽油車。隨著2005年后電池技術的多輪迭代，續(xù)航、充電、壽命等性能都取得突破，在特斯拉的引領下，成本與需求的瓶頸被打破，新能源汽車市場最終迎來了爆發(fā)。人形機器人目前尚未大規(guī)模量產，但隨著控制方法、人工智能、深度學習等計算機、通信技術的不斷突破，人形機器人快速迭代，以最新一代的波士頓動力雙足機器人Atlas為例，僅6年左右的時間，Atlas從蹣跚學步進展到了流暢跑酷。在勞動力不足的大背景下，技術進步疊加資本進入，產業(yè)也亟待更多人形機器人的市場化落地。特斯拉有望成為人形機器人行業(yè)的破局者，特斯拉人形機器人Optimus是新能源車中的Model系列。特斯拉從Roaster到ModelS/X，再到Model3/Y，加速了全球電動化，尤其是特斯拉中國工廠，一方面實現了更高效率、更低成本的大規(guī)模生產，另一方面拉動了消費者對電動車接受度的提升。特斯拉人形機器人有望復制其在新能源汽車上的路徑，發(fā)揮其強大的工程能力以及人工智能上的優(yōu)勢，整合并創(chuàng)新現有技術，實現低成本、高效率的大規(guī)模量產，推動人形機器人全球化的應用。另外，中國供應鏈在特斯拉新能源汽車降本上發(fā)揮了重要作用，上海工廠扮演了特斯拉產能釋放的最重要的角色之一，我們認為在人形機器人市場，中國供應商和供應鏈同樣也會發(fā)揮類似的作用。3.人形機器人的關鍵部件3.1.采用電驅路線，執(zhí)行器是人形機器人的最核心特斯拉人形機器人采用電驅動的技術路線，即電機+減速器的執(zhí)行器。根據2022年特斯拉AIDAY發(fā)布會，特斯拉人形機器人全身包括28個運動關節(jié)（不含手部），采用集中式的布局，包括三種旋轉執(zhí)行器和三種線性執(zhí)行器。特斯拉的人形機器人手指有6個執(zhí)行器和11個自由度，搭載了能夠驅動手指并進行感知的傳感器。機器人關節(jié)驅動器是雙足仿人機器人關鍵部件，按動力來源可以分為液壓、氣動、電機驅動等，特斯拉人形機器人采用電機驅動的方式。電機驅動方案的驅動器一般由電機、減速器、編碼器、控制板和控制軟件等組成，分為剛性驅動器、彈性驅動器和準直驅驅動器等類型。傳統(tǒng)剛性驅動器由電機、高傳動比減速器、剛性力矩傳感器、輸出端組成，其中剛性力矩傳感器是可選擇項；彈性驅動器在高傳動比減速器與輸出端之間加了彈性體，用位置傳感器檢測彈性體的形變，可以推斷出力矩的大?。粶手彬岒寗悠魇歉吡孛芏入姍C+低傳動比減速器的組合，通過電機的電流大小間接推斷出輸出力矩的大小。剛性驅動器設計理論相對成熟，在傳統(tǒng)的雙足機器人、工業(yè)機器人、協(xié)作機器人和工業(yè)精密轉臺等方面得到廣泛應用，但由于電機和減速器功率密度限制，限制其在雙足仿人機器人上的應用。彈性驅動器由于彈性體引入，給控制帶來了難度，尤其在機器人腿部使用，因此彈性驅動器需要在功率密度、能量效率、結構布局等指標間平衡，結合機器人整機結構布局、運動步態(tài)控制算法做整合優(yōu)化。準直驅驅動器目前主要應用在四足機器人中，技術發(fā)展迅速，但需要在編碼器技術創(chuàng)新和電機功率密度上突破。3.2.精密減速器：旋轉執(zhí)行器的“肌腱”特斯拉人形機器人的肩、髖等需要大角度旋轉關節(jié)所采用的主要是旋轉執(zhí)行器。根據特斯拉2022年AIDay發(fā)布會，特斯拉旋轉關節(jié)分為3種尺寸，由無框電機、雙編碼器、力矩傳感器、諧波減速器組成。精密減速器是旋轉執(zhí)行機構的核心部件之一。減速器是連接動力源和執(zhí)行機構的中間機構，具有匹配轉速和傳遞轉矩的作用，類似于工業(yè)機械的“肌腱”。電機有高轉低扭的特點，因此每臺伺服電機都要搭配使用一個減速器，實現降低轉速、提升扭矩以滿足不同的工況。按照控制精度劃分，減速器可分為一般傳動減速器和精密減速器。一般傳動減速器控制精度低，可滿足機械設備基本的動力傳動需求。精密減速器回程間隙小、精度較高、使用壽命長，更加可靠穩(wěn)定，應用于機器人、數控機床等高端領域。精密減速器種類較多，包括諧波減速器、RV減速器、擺線針輪行星減速器、精密行星減速器等。諧波齒輪減速器是一種靠波發(fā)生器使柔輪產生可控的彈性變形波，通過其與剛輪的相互作用，實現運動和動力傳遞的傳動裝置，其構造主要由帶有內齒圈的剛性齒輪（剛輪）、帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪）、波發(fā)生器三個基本構件組成。諧波傳動有回差小、運動精度高、傳動比大、體積小、重量輕等優(yōu)點。諧波傳動的工作原理采用波發(fā)生器主動、剛輪固定、柔輪輸出形式，當波發(fā)生器裝入柔輪內圓時，迫使柔輪產生彈性變形而呈橢圓狀，使其長軸處柔輪齒輪插入剛輪的輪齒槽內，成為完全嚙合狀態(tài)；而其短軸處兩輪輪齒完全不接觸，處于脫開狀態(tài)，當波發(fā)生器連續(xù)轉動時，迫使柔輪不斷產生變形并產生了錯齒運動，從而實現波發(fā)生器與柔輪的運動傳遞。柔輪是諧波減速器關鍵部件，在諧波減速器運動中不斷變形，容易發(fā)生疲勞斷裂，因此提升柔輪精度、保持壽命是柔輪設計和熱處理工藝最為關鍵的目標，其原材料、齒輪齒形設計以及熱處理工藝都會對其性能產生影響。RV減速器是在傳統(tǒng)擺線針輪、行星齒輪傳動裝置的基礎上發(fā)展起來的傳動機構。RV減速機由一個行星齒輪減速機的前級和一個擺線針輪減速機的后級組成，主要零件包括正齒輪（行星輪）、RV齒輪、曲柄軸、銷（針齒銷）、外殼（針輪）、輸出軸等。RV減速機通過正齒輪變速、差動齒輪變速進行變速。正齒輪變速通過行星輪和太陽輪實現的齒輪變速。差動齒輪變速是行星輪帶動曲軸旋轉，曲軸帶動RV齒輪擺動。在第一減速部中，輸入軸的旋轉從輸入齒輪傳遞到直齒輪，按齒數比進行減速；在第二減速部中，有一個曲柄軸與直齒輪相連接，在曲柄軸的偏心部分，通過滾動軸承安裝RV齒輪，曲柄軸會帶動RV減速機做偏心運動，當曲柄軸轉動一周，RV齒輪就會沿與曲柄軸相反的方向轉動一個齒，從而達到減速效果。RV減速機具有高精度、大速比、高剛性、高過負載及長壽命特點，且具有振動小，噪音低，能耗低等優(yōu)點。RV減速器與諧波減速器一樣，具有精度高、單機傳動比大等特點，但相較于諧波減速器，RV減速器組成更加復雜，導致體積和重量較大，由于不存在變形運動，因此具有更高的剛性和扭矩承載能力，主導重負載精密減速器領域。行星減速機包含一個中央太陽齒輪，由幾個行星齒輪包圍，由行星架固定，并封閉在齒圈內。當入力側動力驅動太陽齒時，可帶動行星齒輪自轉，并依循著內齒環(huán)之軌跡沿著中心公轉，行星之旋轉帶動連結于托盤之出力軸輸出動力，利用齒輪的速度轉換器，將電機（馬達）的回轉數減速到所要的回轉數，并得到較大轉矩。行星減速機有重量輕、體積小、傳動比范圍大、效率高、運轉平穩(wěn)、噪聲低適應性強等特點，采用直齒與斜齒兩種齒輪類型，通常減速比10以下為一級減速，當一個齒輪傳動無法滿足比較大的齒輪傳動比時，必須2套或3套來滿足大減速比的需求，但容積會增大，因此行星減速機主要運用于直角坐標系智能機器人。不同減速原理的減速機構各有特點，需要根據機器人的設計側重不同對減速器選型。一般采用大減速比的機構使用諧波減速器或者擺線針輪減速器，小減速比的機構選擇行星減速器、皮帶/鏈條傳動、簡單齒輪傳動等。減速器的選型取決于機器人的功能、空間布局和設計等多方面因素，各類減速器的性能沒有絕對的優(yōu)劣之分。其中，諧波減速器具有單級傳動比大、體積小、質量小、運動精度高并能在密閉空間和介質輻射的工況下正常工作的優(yōu)點。在輸出力矩相同時，諧波減速器相比一般減速器的體積可減少2/3，重量可減輕1/2，因此諧波減速器在機器人小臂、腕部、手部等部件具有較強優(yōu)勢。RV減速器傳動比范圍大、精度較為穩(wěn)定、疲勞強度較高，具有更高的剛性和扭矩承載能力，在機器人大臂、機座等重負載部位擁有優(yōu)勢。諧波減速器容許力矩負載在1,500N·m以內，RV減速器容許力矩負載可達8,000N·m，因此諧波減速器在大負載工況下有局限，RV減速器在輕量化工況下有不足。此外，RV減速器零部件數量多，制造和裝配難度大，大規(guī)模生產難度更高。全球諧波減速器和RV減速器市場格局集中度高，長期被日本廠商主導，但國產廠商不斷追趕，國產化率逐步提升。精密行星減速器市場格局較分散，眾多國產廠商均有參與。諧波減速器市場上，日本廠商哈默納科長期占據主導地位，2021年哈默納科占據全球諧波減速器市場的82%，綠的諧波占比7%，其他廠商占比11%。中國諧波減速器市場上，2021年哈默納科與綠的諧波分別以36%、25%的市場份額處于領先地位，來福、新寶、大族、德福分別占據8%、7%、5%、4%的市場份額。根據高工機器人統(tǒng)計，2022年國內RV減速器市場國產替代趨勢顯著，納博特斯克雖然以51%市占率穩(wěn)居首位，但同比持續(xù)下降，國產品牌環(huán)動科技、珠海飛馬、秦川、中大力德、南通振康市場份額逐步攀升，市占率分別達14%、8%、4%、4%、3%。在全球范圍內，德國、日本等國家的精密行星減速器產品在材料、設計水平、質量控制、精度、可靠性和使用壽命等方面處于行業(yè)領先地位。精密行星減速器國產廠家有科峰智能、紐氏達特、中大力德等，國外精密行星減速器主要廠家為日本新寶、紐卡特、威騰斯坦等。2022年國內精密行星減速器市場，日本新寶市場份額約20.4%，處于領先地位。目前仿生機器人的關節(jié)減速器方案以諧波為主，不同類型的機器人減速器選型各有特點，隨著關節(jié)方案的推陳出新，相應的減速器設計有望不斷創(chuàng)新。仿生機器人代表廠商中優(yōu)必選WalkerX每條腿使用了6個諧波減速器，美國敏捷機器人Digit每條腿會使用4個諧波減速器，美國OSU（俄勒岡州立大學）的Cassie雙足機器人采用的是1級或2級行星減速器。TeslaBot采用的是高減速比的諧波減速器，HondaAsimo采用的也是類似的設計。人形機器人的關節(jié)數量遠高于工業(yè)機器人（每臺使用2-6個），因此人形機器人的爆發(fā)將大幅擴大精密減速器的使用量。3.3.絲杠：化旋轉為直線運動，線性執(zhí)行器的關鍵特斯拉線性執(zhí)行器是通過絲杠機構將電機的旋轉運動轉化成直線運動，進而實現對機械裝置的直線位移。線性執(zhí)行器是特斯拉Optimus兩大類執(zhí)行器之一，特斯拉2022年AIDAY發(fā)布會上展示的方案是無框電機+絲杠+力傳感器+單編碼器，全身28個關節(jié)中線性執(zhí)行器占一半，即全身共有14個線性執(zhí)行器，腿部和上肢均有分布。線性執(zhí)行器的動力源仍是基于旋轉的無框力矩電機，通過絲杠將相應的旋轉運動最終轉化成直線運動。相比旋轉關節(jié)，線性執(zhí)行機構的精度和剛度更好，耐沖擊性強，能量效率高，因此擎天柱的線性執(zhí)行器主要分布在腿部負責支撐和承力的髖關節(jié)（每條腿1個）、膝關節(jié)（每條腿1個）及踝關節(jié)（每條腿2個），上肢的肘關節(jié)（每個手臂1個）和腕關節(jié)（每個手臂2個）。腿部和肘關節(jié)采用線性執(zhí)行器驅動器關節(jié)的優(yōu)點是空間利用率高，可以縱向布局，布置更大更長的電機，提供更大的推動力，實現低功耗高推力。特斯拉的線性執(zhí)行器在極限測試中能提起一架500kg重的鋼琴。不過同樣功率密度下，絲杠的輸出速度偏低，關節(jié)力透明度欠佳。絲杠是將旋轉運動變成直線運動的傳動副零件，按摩擦特性可分為三類:即滑動絲杠、滾動絲杠及靜壓絲杠?；瑒咏z杠的牙型多為梯形，滾動絲杠分為滾珠絲杠和滾柱絲杠兩大類。2022年AIDAY發(fā)布會上特斯拉機器人線性執(zhí)行器的方案中使用了10個行星滾柱絲杠和4個梯形絲杠?；瑒咏z桿與滾動絲杠相比結構更簡單，由螺桿和螺母組成，沒有滾珠或滾柱?；瑒咏z桿的優(yōu)點是制造簡單，成本低，有自鎖性（相對滾珠絲桿），但傳動效率、精度、轉速均不如滾動絲杠。行星滾柱絲杠與滾珠絲杠的結構相似，區(qū)別在于行星滾柱絲杠載荷傳遞元件為螺紋滾柱，是線接觸；滾珠絲杠載荷傳遞元件為滾珠，是點接觸。行星滾柱絲杠在主螺紋絲杠的周圍布置了6-12個螺紋滾柱絲杠，滾柱螺母內使用的是小螺紋滾柱與主絲杠相互嚙合，螺母的結構類似于行星齒輪箱，因此行星滾珠絲杠的承載能力非常強。行星滾柱絲杠能承受的靜載為滾珠絲杠的3倍，壽命為滾珠絲杠的15倍，轉速更高，體積更小，可以自鎖部分。滾珠絲杠是點接觸，因此摩擦力小，相比滾柱絲杠的傳動效率高，噪音小，但負載、剛性、耐沖擊性、壽命、轉速等性能不如滾柱絲杠，且不能自鎖。成本上，滾珠絲杠高于滑動絲桿，但低于滾柱絲杠。反向行星滾柱絲杠的工作原理與標準滾柱絲杠相同，只是螺母和螺釘的功能相對于滾柱相反。由螺母旋轉作為主動輸入，絲杠直線運動作為被動輸出。螺母旋轉時，滾柱既繞著螺母軸線公轉，又繞著自身軸線自轉。反向式行星滾柱絲杠因其可將螺母作為電機轉子實現電機和直線傳動機構融合設計的特點，在要求空間緊湊的機電伺服系統(tǒng)中得到了越來越多的應用。特斯拉2022年AIDAY發(fā)布會中的線性執(zhí)行機構采用了反向行星滾柱絲杠技術，即螺母旋轉、螺桿不動的滾柱絲杠方案。全球滾柱絲杠廠商主要在歐洲，舍弗勒基本壟斷國際高端行星滾柱絲杠市場，國內只有少量廠商參與滾柱絲杠的研發(fā)和生產，產品性能與國外廠商差距較大。全球具有大批量制造滾柱絲杠的廠商主要有4家，包括瑞士的GSA、瑞士的ROLLVIS、法國的EWELLIX和美國的MOOG（滾柱絲杠業(yè)務收購的意大利VCS），其中舍弗勒控股GSA，2022年收購了EWELLIX，ROLLVIS2016年被GSA收購，因此國際高端行星滾柱絲杠市場均被舍弗勒控制，GSA是全球最大的滾柱絲杠廠商。EWELLIX、Rollvis、GSA是全球滾柱絲杠龍頭，國內廠商與國外差距較大，滾柱絲杠的國產化率較低。2022年Rollvis、GSA和Ewellix在中國市場份額占比分別為26%、26%、14%，中國本土行星滾柱絲杠廠商合計市場份額占比為19%。滾珠絲杠市場上NSK、THK、HIWIN、SKF等是主要的供應商，其中日本和歐洲滾珠絲桿企業(yè)占據了全球約70%的市場份額，全球CR3約占35%份額。隨著大規(guī)模應用和規(guī)?；a，滾珠絲杠產品價格逐步下降，從由2014年的225元/套下跌至2021年的181元/套。滾柱絲杠由于加工難度高、應用規(guī)模小，目前價格昂貴，遠高于滾珠絲杠。3.4.空心杯電機：靈巧手關節(jié)的主體特斯拉機器人靈巧手使用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。TeslaOptimus的每只靈巧手使用了6只空心杯關節(jié)，在靈巧手中相應的傳動配置是空心杯關節(jié)+蝸輪蝸桿+多級行星減速器?？招谋姍C是一種特殊的直流電機，突破傳統(tǒng)直流電機的結構形式，采用無鐵芯轉子和空心杯線圈電樞繞組，屬于直流、永磁、伺服微特電機，因形狀類似水杯被稱為“空心杯電機”。其由于特殊的轉子結構具備較好性能：（1）靈敏調節(jié)，空心杯電機起動、制動迅速，響應較快，在推薦運行區(qū)域內的高速運轉狀態(tài)下，可以對轉速進行靈敏調節(jié)；（2）節(jié)能，無鐵芯設計避免渦流引發(fā)的電能損耗，極大提高能量轉換效率；（3）輕量化，與同等功率的鐵芯電動機相比，其重量、體積減輕1/3-1/2，顯著提高能量密度。空心杯電機工藝流程復雜，加工難度較高，核心技術壁壘主要是繞線工藝。由于空心杯電機對體積、轉速和功率密度的高標準，線圈繞制成為決定性影響因素，其線徑、匝數、線性等都直接影響各項核心參數，不同繞線機制的空心杯槽滿率差異較大，進而影響電機損耗、散熱、功率?？招谋姍C下游應用領域廣闊，主要應用在對精度、轉速、控制性能要求較高的光學、測量、國防、航空航天等領域，同時在醫(yī)療領域的假肢、外骨骼等細分市場也有廣泛應用。根據NTCysd測算2022年全球空心杯電機市場規(guī)模為51.0億人民幣，預計2028年市場規(guī)模將達到83.0億人民幣，CAGR約為8.5%。根據QYResearch的統(tǒng)計數據，2021年中國空心杯電機市場規(guī)模為2.36億美元，預計2028年市場規(guī)模將達到4.73億美元，CAGR約為10.44%。目前空心杯電機市場上，海外廠商占據領先地位，根據QYResearch的統(tǒng)計數據，2021年全球CR3占據空心杯電機55.43%的市場份額，市場集中度較高，海外頭部廠商包括瑞士MaxonMotor、德國Faulhaber，而國內廠商近年來不斷在技術研發(fā)實現創(chuàng)新突破，加速產品迭代，涌現出鳴志電器、鼎智科技等較具競爭力的企業(yè)，但從空心杯電機性能及價格上看，國內企業(yè)與國外頭部企業(yè)仍存在一定差距。機械手的傳動機構決定效率、可靠性和成本，一般機器人機械手傳動方式分為齒輪傳動、連桿傳動、肌腱傳動、材料形變等，大多數機械手采用線驅方案。3.5.人形機器人的其他關鍵零部件3.5.1.無框力矩電機無框力矩電機，是一種以輸出扭矩為衡量指標的無框架式永磁電機。無框力矩電機不同于傳統(tǒng)的永磁電機，它沒有機殼（也稱為“框架”），只有轉子和定子2個部件。無框力矩電機由驅動器供電，驅動器控制U/V/W三相電形成電磁場，永磁體的轉子在此磁場的作用下轉動。無框力矩電機可以通過霍爾元件做為反饋信號，也可以通過另外加裝的編碼器信號做為反饋，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度，達到伺服控制的目的。無框力矩電機作為動力源，具有與傳統(tǒng)伺服電機相同的用途，但在某些應用中具有明顯的優(yōu)勢。在電機原理上，無框力矩電機可長時間低速運行（甚至停機），而伺服電機主要靠脈沖來定位，使輸出的控制量隨輸入目標（或給定值）任意變化的自動控制系統(tǒng)。在電機性能上，無框力矩電機即使在被鎖定（即轉子不能轉動）的情況下，也能繼續(xù)低速運行而不會損壞電機，而伺服電機將電壓信號轉換成扭矩和速度來驅動，電機轉子轉速由輸入信號控制。此外，無框力矩電機可以直驅作為動力源，元件集成到機器結構中，有效降低風摩損失，改變傳動方式，減少所用零件，因此具備較高的剛度、效率、靜音性以及穩(wěn)定性和維護性。無框力矩電機主要廠商包括TQ-RoboDrive、科爾摩根、AlliedMotion、TECNOTIO、Parker等，產品大多應用至機器人、醫(yī)學、航空航天、光學和其他技術要求高的場景中，各家廠商的產品各具技術優(yōu)勢和特點，但都旨在通過定轉子技術設計，提高扭矩密度，實現自主可控的靈活性和較強的負載性，并力求實現設計簡化，在保證運動平穩(wěn)基礎上，減少能量損失和維護成本。3.5.2.力傳感器力矩傳感器又稱為扭矩傳感器，力傳感器是感知并度量力的關鍵部件。按照測量維度，力傳感器可以分為一至六維力傳感器。單軸力傳感器指測量單一維數方向上的力或力矩，同理多軸力傳感器就是可以檢測多個維數方向上的力或力矩。六維力和力矩傳感器指的是一種能夠在笛卡爾坐標系中同時測量力和力矩并且可以各三個分量的轉換成為電信號的器件。單軸力矩傳感器技術門檻不高，生產企業(yè)眾多，六維力矩傳感器技術門檻較高，供應商較少。根據感力原件的不同，傳感器主要分為三類：應變式力傳感器、光學式傳感器以及壓電式力傳感器。應變式力傳感器，采用的是硅應變片或金屬箔，本質是材料本身發(fā)生形變進而轉化為阻值變化；光學式傳感器則是通過光柵反映形變，再轉化成力；壓電式傳感器是將被測物理量變化轉換成壓電材料因受機械力產生靜電電荷或電壓變化的傳感器，可分為電容和壓電兩種，電容是通過極距的變化導致電壓變化，壓電則是通過形變改變電荷。人形機器人中力/力矩的傳感需求來自主體、關節(jié)、手腕、靈巧手等。在平面路面上工作的人形機器人可不采用六維力傳感器，但面對復雜路況的情況下，人形機器人需要采用六維力傳感器，主體的力控方案根據實際需求和成本情況的不同有多種解決方案。關節(jié)方面，旋轉關節(jié)在減速機外部放置一個力矩傳感器。直線關節(jié)如果是旋轉電機，放扭矩力控傳感器，如果是直線電機，在推桿上放拉壓力傳感器。手腕力控根據機器人的工作性能要求來確定。靈巧手力控有兩種技術路線，一種在直線電機推桿上放拉壓力傳感器，另一種在手部內放置觸覺傳感器。根據貝哲斯咨詢數據，2022年全球力和力矩傳感器市場規(guī)模為572億元，預計2028年全球市場規(guī)模將增長至805億元人民幣，2022-2028年CAGR預計為5.84%。目前六維力矩傳感器單價昂貴。根據e-motionsupply和愛采購網站數據，ATI旗下機器人常用的mini45、axia80m8、nano43型號產品進口價格全都超過3萬元人民幣，大型傳感器omega191進口價格在10.5萬元。國產廠商海伯森產品標價為4.5萬元，FUTEK實驗用大型六維力傳感器價格在10萬-20萬之間。全球的六維力傳感器廠商主要包括歐美廠商ATI、AMTI、Kistler，日本企業(yè)Sintokogio、WACOH-TECH，以及機器人末端工具生產商SCHUNK、OnRobot、Robotiq等。國內廠商主要有宇立儀器、坤維科技、海伯森等。國外六維力傳感器價格普遍較高，但性能較穩(wěn)定，國產六維力/力矩傳感器與海外廠商傳感器在靈敏度、串擾、抗過載能力及維間耦合誤差等方面仍存在差距。3.5.3.編碼器編碼器，是一種用來測量機械旋轉或位移的傳感器。它能夠測量機械部件在旋轉或直線運動時的位移位置或速度等信息，并將其轉換成一系列電信號。根據檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式；根據其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式。編碼器在實際應用中主要分為單編碼器方案、雙編碼器方案和多編碼器方案。單編碼器方案輸出信號的調試和校準相對容易，可減少調試時間和成本，滿足大多數基本應用場景需求，但抗干擾能力較弱，輸出信號的穩(wěn)定性較差，主要應用在位置反饋、角度測量等輔助場景。雙編碼器方案可以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，增加抗干擾能力，提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，滿足高精度應用場景的需求大量應用在機械加工和機器人控制中，特斯拉擎天柱、本田ASIMO、智元遠征A1均有應用。雙編碼器方案調試和校準相對復雜，維護成本較高，需要占用更多的空間和資源。多編碼器方案優(yōu)勢與雙編碼器方案相同，此外還可增加系統(tǒng)的靈活性和可擴展性，但成本過高，通常應用在工業(yè)自動化生產線上，且需要更加嚴格的設計和管理，以確保多個編碼器之間的協(xié)調和一致性。2022年我國編碼器市場規(guī)模達25.74億元，國外廠商占據主要市場份額，日系的多摩川和歐系的海德漢分別以25.6%、14.3%的市占率處于領先地位。國產編碼器在使用性能上與國外編碼器仍有一定差距，在使用方式上，國產編碼器通常是360度（無限轉動）的，國外編碼器的工作角度較多為90度、180度等。國外編碼器在功能性方面更加豐富，分辨率通常較高，可以滿足高要求的控制系統(tǒng)。此外，國外廠商編碼器安全性更好，適用于惡劣環(huán)境下的應用場景，耐用性更強，國產編碼器大多成本較低，可以滿足客戶降本需求。目前我國主要編碼器廠商主要包括宜科電子、東崎、