【无标题】_无框电机 原理

文 | BFT机器人

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特斯拉人形机器人产业链分析：核心零部件详解

3.1 关节成本占比过半，重点关注电机、丝杠、减速器、传感器

我们可以从最新版本 Tesla Optimus 参数上看出: 

体型参数: 完全体的特斯拉人形机器人身高 172cm,体重 73kg,用电功率在静坐时为 100W慢走时 500W，全身超 200 个自由度。

电动和控制系统结构: 躯干 28 个执行器 (不包括手指) +2.3kWh，52V 电池组。特斯拉SoC 芯片，支持WIFI，LTE。

躯干关节执行器: 不同关节选用不同执行器，共计 3 款旋转执行器和3 款直线执行器6种组合，预计全身关节将分别使用 14 个旋转执行器和 14 个直线执行器。

旋转执行器: 主要由无框力矩电机+谐波减速器/行星减速器+力矩传感器+编码器+轴承组成;

线性执行器: 主要由无框力矩电机/步进电机+行星滚柱丝杠/滚珠丝杠+力矩传感器+编码器+轴承组成。

手部结构: 手部结构采用和人体相同的五指多关节设计，每手拥有 6 个执行器，11 个自由度，可提起 20 磅(9kg)物体，具有精确控制握持力输出的传感器。手部执行器主要由空心杯电机+精密行星减速器+滚珠丝+传感器+编码器构成。

关节执行器成本占比超51%,电机、滚珠丝杠、减速器、传感器占比较高。

根据我们对特斯拉Optimus关节执行器中核心零部件的构成判断，结合量产价格假设，我们对特斯拉Optimus成本拆分进行测算分析。可以得出，在我们的假设下Optimus制造成本约2.25万美金，其中关节执行器总体成本占比达51.42%,旋转关节、线性关节、手部关节占比分别达20.87%、22.41%和8.13%。从具体零部件成本占比来看：

①电机类占比达15.52%。其中无框力矩电机、空心杯电机、步进电机占比分别达10.34%、4.43%、0.74%。

②丝杠类占比达12.07%。其中行星滚柱丝杠占比达9.85%、滚珠丝杠占比达2.22%。

③减速器类占比达7.76%。其中谐波减速器占比达5.91%、行星减速器占比达1.85%。

④传感器类占比达7.51%。主要为力矩传感器。

3.2 旋转关节: 无框力矩电机+谐波减速器+传感器+编码器

旋转执行器主要由无框力矩电机、谐波减速器、传感器、编码器等构成。

根据Tesla AlDay发布的旋转执行器构成，我们预计旋转执行器主要由无框力矩电机、谐波减速器/行星减速器、力矩传感器、编码器、角接触轴承、交叉滚子轴承组成，其中核心部件为无框力矩电机、谐波减速器、力矩传感器、编码器等。

从成本角度来看，旋转执行器中无框力矩电机、谐波减速器、编码器、力矩传感器占比分别达28.91%、28.32%、16.52%及16.22%。接下来我们将重点从这四部分展开论述各零部件的特点及供应格局。

3.2.1.无框力矩电机

无框力矩电机结构简单，只包含转子和定子两部分。

无框力矩电机一种特殊的力矩电机，但没有轴、轴承、外壳、反馈或端盖，只包含转子和定子。定子是外部部件，外面包覆着能产生电磁力的铜绕组，整体紧凑地安装在机器外壳的主体内；转子是内部部件，由带永磁体的旋转钢圆环组件构成，直接固定于机器轴上。

人形机器人一般使用无框力矩电机提供动力，具有体积小、性能强、环境耐受度高等优势。

人形机器人关节体积有限，需要在有限的体积内实现尽可能高的功率密度，从而达到最好的效果。无框力矩电机集成到机器人结构中，能够最大限度减小电机占用空间。此外，无框电机元件集成于机器中，可去除联轴器、皮带等机器元件，从而提升机器性能。直驱解决方案可最大限度降低系统的柔性，从而提供更加可靠的性能。集成式电机还能提高动态响应和系统效率，并可简化添加液体冷却以显著增加可用连续转矩。另外，无框电机由于体积小，还可直接整合到机器元器件中以确保不受工作环境影响。

机器人产业发展促进了无框力矩电机的进步与技术迭代。

俄罗斯Mashinoappara在1984年推出了无框无刷力矩电机，但当时受限于技术水平，电机的转矩密度很低；近年来机器人行业的发展推动了永磁力矩电机的技术迭代，转矩密度、功率密度等性能指标是80年代的2-3倍，性能得到了很大程度的提升。

从收入体量看，海外品牌实力强劲，国产品牌规模仍较小。

外资品牌发展较早，实力较强的企业有Kollmorgen、Allied motion、Parker、TQ Robodrive、Aerotech、TM TECH、Axsys、ETEL、Muirhead Aerospace、Gomtec。以Kollmorgen为例，2022年营收规模达135.5亿元，相较于国内厂商优势明显。

国内做得比较好的品牌主要有步科股份、昊志机电、汇川技术、禾川科技等。其中，步科股份全新第三代FMC无框力矩电机系列系自主研发设计，性能优于同业产品，产品尺寸可实现与国际接轨，相较于外资品牌成本优势明显，且可提供定制化解决方案；昊志机电的DD直驱电机运用独创的模块化定子结构、创新设计的电机冷却结构，使得电机的冷却效率最大化，进而提升了电机的输出特性。

3.2.2.谐波/行星减速器

旋转关节使用的主要减速器是谐波减速器，部分较大关节可配合使用行星减速器，以提升抗冲击能力。

1、谐波减速器

谐波减速器由波发生器、柔轮和刚轮三部分构成。

①波发生器：图示绿色椭圆形部分，中间是凸轮，外圈是滚珠轴承，其内圈固定在凸轮上，外圈通过滚珠发生弹性形变。

②柔轮：图示粉红色部分，使用柔性金属材料制成，外圈有齿。

③刚轮：图示青色部分，使用刚性材料制成，内圈有齿。三部分可任意固定一个，其余一个主动、一个从动，实现减速或增速；也可变换成两个输入，一个输出，组成差动传动。

实际使用中，通常固定刚轮，利用电机带动波发生器，柔轮输出转动。波发生器为椭圆形，将波发生器塞入柔轮，会迫使柔轮变为椭圆形，与波发生器紧密贴合。再将波发生器和柔轮的整体塞入刚轮，柔轮长轴两端的外齿刚好和刚轮的内齿啮合，而短轴两端的外齿与刚轮的内齿脱开。

谐波减速器的原理核心在于柔轮和刚轮之间的“错齿运动”。

波发生器轴承处连接电机，电机带动波发生器一起顺时针转动。转动过程中，椭圆形的波发生器会迫使柔轮不断变形，柔轮上的齿会顺时针依次与刚轮内圈的每一个齿啮合。一般情况下，柔轮比刚轮少两个齿，波发生器每顺时针转动一圈，就使得柔轮逆时针错位两个齿，随着电机的不断转动，这种错位效应连续起来，便表现为柔轮的逆时针转动。

假设刚轮总共有200个齿，柔轮共有198个齿，电机带动波发生器每转动一圈，柔轮便会旋转2/200圈，即1/100圈。因此，电机需要转动100圈，柔轮才会转动一圈，减速比为100。柔轮的转速比波发生器要小很多，这实现了降低电机转速和增大输出扭矩的效果。

行业壁垒：壁垒较高，伴随着研发、生产、销售等各个环节。谐波减速器厂商只有打通全环节，才能形成良性循环，不断发展壮大：

研发阶段：长期正向研发，形成成套技术体系是关键，柔轮材料、齿形和结构设计为行业痛点。

对于成熟的谐波减速器厂商，若计划开发一款针对下游某应用场景的产品，可通过谐波减速器各项性能指标的补偿来实现，技术路线选择较为丰富。对于新进入的厂商，在开始抢占市场份额时往往会针对大品牌的某一种或几种产品进行逆向研发及仿制，最后产品即便质量合格，但逆向研发限制了公司技术的体系化，以及后续产品改良和创新。若不具备成体系的技术，随着下游应用场景对减速器的性能要求发生变化，新进入厂商无法及时根据客户需求作出调整，而面临淘汰风险。

试机验证：对于下游机器人等设备商来说，一旦选定了减速器品牌，便不会轻易更换。

减速器的质量问题往往来源于长时间使用的疲劳损坏，如果下游厂商引入质量不达标的新品牌减速器，产品在使用1年后出现大规模质量问题，会带来较大规模的损失。因而，下游厂商大规模引入新品牌减速机前，需要经过1-2年的质量验证，通过试机来验证品牌的可靠性，选定品牌后往往不会轻易更换。新的谐波减速器厂商很难进入市场，唯有具备合格的质量、更低的价格以及更好的售后服务。

产能扩建：固定资产投资壁垒高，大批量生产下需保持一致性，对设备和装配工人要求较高。

从供应角度看，谐波减速器作为一种通用设备，竞争日趋激烈，规模效应下单位成本降低为关键所在，而降低单位成本就需要产能扩建。作为精密设备，谐波减速器加工精度需要达到毫米级别，加工设备严重依赖进口，设备初始投入较大。

从需求角度看，客户对于供应商的批量供应能力和产品质量的一致性有较高要求，不具备批量供应能力的小厂商很难获得较大订单，从而形成盈利和资金回笼。除了设备以外，谐波减速器的装备需要不断调整、校正、平衡才能最终组成出合格的产品，该环节依赖有成熟经验的装配工人。

对于新厂商而言，很难在短时间内招聘足够数量有成熟经验的装配工人，因而这也对公司扩产形成了较大的阻碍。

竞争格局：哈默纳科为全球龙头，我国谐波减速器国产替代稳步推进。

全球市场来看，哈默纳科为谐波传动领域的开拓者，深耕谐波领域50多年，无论从研发投入时间，还是从营收规模和产能来看，都遥遥领先，处于绝对龙头地位。根据0Fweek,2021年全球谐波减速器市场内主要参与者有哈默纳科、日本新宝、绿的谐波、中技克美等。

其中哈默纳科全球市占率约82%,绿的谐波占比约7%,其他厂商占比约11%。根据华经产业研究院统计，2020-2021年，中国市场最大的两个外资品牌——哈默纳科和日本新宝在中国市场的占有率由46%降低至42.9%。

2020年，国内做谐波减速器的企业有十几家，其中实力较强的有绿的谐波、来福谐波、福德机器人、大族传动等企业，2020-2021年，这四家企业在中国市场上的占有率之和由35.9%提升至41.1%。

国产品牌如雨后春笋般涌现，绿的谐波占据优势地位。

①中技克美研发布局最早，但其谐波减速器主要供应中国航空航天等特种领域，市场空间相对较小，公司营收规模也较小，产品服务与销售渠道不具备特别明显的竞争优势。

②绿的谐波2003年董事长亲自带队进行研发，至今已有近20年的历史。

③2010年以来工业机器人下游快速成长，需求放量，国内厂商纷纷开始布局：大族传动2010年开始攻关谐波；来福谐波2013年成立并投入研发谐波；同川科技2015年立项研发谐波；中大力德2016年开始研发谐波；国茂股份2021年成立国茂精密，并收购安徽聚隆精密减速器相关资产。

从产能的角度来看，国产品牌中，绿的谐波优势明显，已经进入研发→扩产→盈利→再研发再扩产的良性循环阶段。国产品牌很多已初步具备量产能力，但与绿的谐波的差距还是较为明显的。绿的谐波2022年产能已达40万台/年，2023年有望继续扩产至59万台。

相比之下，2021年，同川科技产能约10万台/年，大族传动产能约6万台/年，国茂股份产能约3万台，而同年中大力德仅可小规模量产。

 

潜在进入厂商多，竞争可能加剧。

很多具备资本优势和技术基础的大企业纷纷开始布局谐波，产业链有望持续降本。双环传动主营业务为机加工齿轮传动产品，2013年开始布局RV减速器，目前环动科技的营收主要来源于RV,借助在该领域积累的客户资源，2018年进军谐波，有望进入该领域市场。此外，美的集团也正在布局谐波领域，相关产品通过了库卡机器人10000小时寿命测试，未来也具备进入谐波领域市场的潜力。

2、行星减速器

行星减速器主要由行星轮、太阳轮、内齿环三部分构成。

行星减速器由一个内齿环紧密结合于齿箱壳体上，环齿中心有一个外部动力驱动的太阳轮，两者之间有一组由三颗齿轮等分组合于托盘上的行星轮，行星轮依靠出力轴、内齿环及太阳齿支撑于其间。

当外部动力驱动太阳齿轮时，可带动行星齿轮自转，并沿着固定的内齿环沿着中心公转，旋转带动连结于托盘的出力轴，从而输出动力，达到降低转速和提升扭矩的效果。

行星减速器更抗冲击，在人形机器人领域有望与谐波减速器形成优势互补。

谐波减速器具有减速比大、体积小、重量轻等特点，但根据UCLA Zhu.Taoyuanmin博士研究，谐波减速器因为减速比高，传输透明度较低，抗冲击属性较差。

大气隙半径无框力矩电机+行星减速器的组合，能够有效提高人形机器人抗冲击的能力。行星减速器有望在人形机器人部分关节替代谐波减速器，实现抗冲击性能的提升。

行星减速器更适合用于人形机器人胯骨等空间较大的部位。

相较于谐波减速器，行星减速器减速比更低，难以提升足够倍数的扭矩，就需要将无框力矩电机的气隙半径做得足够大，以输出更大的扭矩。这导致了配套的无框力矩电机本身需要做得非常大，因而行星减速器更适合用于机器人胯骨等体积非常大的应用场景。

竞争格局：全球行星减速器市场份额较为集中，德资品牌占据前三名。

行星减速器作为一种通用减速器，属于较成熟的产品，全球市场主要被外资品牌占据。根据QY Research调研结果，2022年全球行星减速器排名前五品牌分别为赛威传动/纽卡特/威腾斯坦/精锐科技/纽氏达特，市占率分别为12.2%/11.7%/11.6%/10.2%/7.0%,合计超过50%。其中赛威传动、纽卡特、威腾斯坦均为德资企业，市占率合计超30%,精锐科技为台资企业、纽氏达特为大陆本土企业。

我国行星减速器上市企业主要有宁波东力、通力科技、中大力德、兆威机电、优德精密、丰立智能等。

宁波东力、通力科技的业务主体就是通用减速器，均有较为成熟的行星减速器产品；中大力德主营机械传动相关业务，包括精密减速器、传动行星减速器、无刷直流减速电机等；兆威机电主要做微型传动系统、精密注塑件和精密模具，涉及行星减速器业务；优德精密主营各类精密模具零部件以自动化设备零部件，传动设备和传动部件包含RV减速器及高精度曲柄轴。丰立智能主营钢齿轮、精密减速器及零部件等。

3.2.3.编码器

编码器是机械与电子紧密结合的精密测量器件，一般应用于机械角度、速度、位置的测量。编码器通过光电原理或电磁原理将一个机械的几何位移量转换为电子信号，这种电子信号通常需要连接到控制系统，例如PLC、高速计数模块、变频器等，控制系统经过计算便可以得到测量的数据，以便进行下一步工作。

编码器可以分为增量式和绝对式两类，增量式编码器将位移转换成周期性的电信号，再把电信号转变成计数脉冲；绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，示值只与测量的起始和终止位置有关。

编码器主要应用于伺服系统，是伺服电机的核心元件。伺服系统由伺服驱动器发出信号给伺服电机驱动其转动，同时编码器将伺服电机的运动参数反馈给伺服驱动器，伺服驱动器再对信号进行汇总、分析、修正。通常，编码器用于工业系统的运动控制中，用于测量并反馈被测物体的位置和状态，例如机床、机器人、电机反馈系统以及测量和控制设备等。

编码器可分为光电编码器、磁电编码器、电容编码器三种，工作原理差异较大：

光电编码器：由发光元件、光敏元件及码盘组成。作用是将旋转位置信息转化为光脉冲信号以对器进行检测。当安装在电机转轴上的码盘旋转时，固定住的发光元件发出的光经过码盘，产生透光和不透光的光脉冲。光敏元件检测到这些脉冲后，再转化为数字信号进行输出。

磁电编码器：由磁阻传感器、硒鼓、信号处理电路组成。将磁鼓刻录成等间距小磁极，磁极被磁化后，旋转时产生周期分布的空间漏磁场。磁传感器探头通过磁电阻效应，将变化着的磁场信号转化为电阻阻值的变化，在外加电势的作用下，变化的电阻值转化成电压的变化，经过后续信号处理电路的处理，模拟的电压信号转化成计算机可识别的数字型号，从而实现编码。

电容编码器：由转子、固定发送器和固定接收器组成。转子包含正弦模式，旋转过程中，发送器的高频参考信号以可预测的方式进行调制。编码器检测接收板上电容电抗的变化，并使用解调算法将其转换为旋转运动的增量。

光编码器性能更好，磁编码器更稳定可靠，电容编码器兼具前两者优势。

电容编码器比光学编码器更坚固耐用，可以免受灰尘、污垢和油污等各种环境污染物的影响，还能更好地应对振动和极端温度。此外，电容编码器不采用LED,与光学编码器相比，使用寿命更长、体积更小、电流消耗(6-18 mA)更低。电容编码器不受电磁干扰和电噪声的影响，与磁性编码器一样坚固耐用，但精度和分辨率更高。

3.2.4.力传感器

力传感器通过检测各种力的物理效应来检测力的大小，并将力的大小转化成相关电信号。力学传感器可以检测张力、压力、重量、扭矩、应力等各种物理量，是各种动力设备、工程机械、工作机械、工业自动化系统不可或缺的核心零部件。通常可被检测到的力的物理效应包括：

①被测量力使得物体发生形变，②利用应变片受力或形变时电阻发生的变化，③通过压电晶体把力直接转换成晶体两表面的电位差，④力所引起的机械谐振固有频率变化，⑤待测力与其他已知力形成平衡。

力学传感器按照测量维度可分为一至六维。六维传感器的定义为：在某直角坐标系中，传感器能同时测量沿三个坐标轴方向的力或者绕三个坐标轴坐标方向上的力矩，这种传感器就称为六维传感器。如果只能测量三个维度的力或者力矩，就叫三维力传感器。能测几个维度，就叫几维传感器，最常见的是一维、三维和六维的传感器，其他维度比较少。

多维力传感器广泛应用于机器人末端关节，实现对力的测量和控制。

工业机器人本身是没有触觉的，末端关节加装力传感器后，就能够让机器人有“触觉”,实现对出力大小的控制。在工业机器人领域，力传感器广泛运用于检测、预防、测量、控制、示教、保护等环节，使得工业机器人能感知、测量并记录自己所施加力的大小，并检测设备的异常出力，提高生产环节的智能性和可靠性。

行业壁垒：多维力学传感器壁垒较高，涉及材料控制及工艺。

相较于其他元器件，传感器产品还包括芯片、陶瓷基板等，这些零部件一般需由上游企业配套提供，另外传感器的生产工艺和技术要点多，涉及材料控制和工艺控制等，因而企业自身需具备较强的技术整合能力。

尤其是六维传感器，并非三个一维力传感器和三个扭矩传感器的简单叠加，需要考虑多通道的温漂、蠕变、交叉干扰、数据处理的实时性，因而技术难度较低维力传感器更高。力传感器维度越高，成本和难度越高，协作机器人和人形机器人不一定需要用六维传感器。

3.3 线性关节: 无框力矩电机+行星滚柱丝杠+传感器+编码器

线性关节主要由无框力矩电机/步进电机+行星滚柱丝杠/滚珠丝杠+传感器+编码器构成。根据Tesla Al Day发布的线性执行器构成，预计线性执行器主要由无框力矩电机/步进电机、行星滚柱丝杠/滚珠丝杠、力矩传感器、编码器、深沟球轴承、四点接触轴承组成，其运动原理是采用内部旋转螺杆结构，通过永磁力矩电机带动螺杆旋转推动执行杆，从而实现将旋转运动转为直线运动。从成本角度来看，直线执行器中行星滚柱丝杠、无框力矩电机、力矩传感器、编码器占比分别达43.96%、19.23%、15.11%及7.69%。接下来我们将重点从电机和滚珠丝杠展开论述其产品特点及供应格局。

直线执行器的特点：直线执行器主要分布于膝肘等负责支撑和承力，且摆动角度不大但体积紧凑的单自由度关节和腕踝两个双自由度的关节。

相比旋转执行器来说，直线执行器可以节省成本，亦能够为相应结构提供更有针对性的性能。和Optimus实用化的设计理念相关，一个结构可靠、低耗能的机器人，高动态响应并不是核心诉求。我们认为直线执行器的优势在于以下几点.

①空间利用率高：直线执行器可纵向布局，最大限度利用腿部内部空间，也提供更大的推力，如2022年Tesla Al Day上展示的一台线性执行器可以吊起一台半吨重的钢琴，这也与机器人进行零件搬运的工作目标相吻合。②耗能较低：直线执行器的螺杆传动机构通过合理设计可具备自锁能力，即下半身不动时可以自动锁定姿态，可以形成一个低功耗且稳定的底部支架。如果采用传统抱闸制动电机方案，制动器需要占用额外重量且提供的制动力矩相对较小。

3.3.1.永磁同步电机

我们认为直线执行器使用的永磁同步电机可能有两种，无框力矩电机和步进电机。同时，直线电机未来也有可能成为线性关节的可行性方案。无框力矩电机我们已在前文分析，此处我们将针对步进电机和直线电机做相应的分析。

步进电机原理：步进电机是一种通过步进(即以固定的角度移动)方式使轴旋转的电机。

其内部构造使它无需传感器，通过简单的步数计算即可获知轴的确切角位置。与所有电机一样，步进电机也包括固定部分(定子)和活动部分(转子)。定子上有缠绕了线圈的齿轮状突起，而转子为永磁体或可变磁阻铁芯。

步进电机的基本工作原理为给一个或多个定子相位通电，线圈中通过的电流会产生磁场，而转子会与该磁场对齐；依次给不同的相位施加电压，转子将旋转特定的角度并最终到达需要的位置。

当转子为永磁体时，转子与定子电路产生的磁场对齐。这种转子可以保证良好的扭矩，并具有制动扭矩。这意味着，无论线圈是否通电，电机都能抵抗位置的变化。但与其他转子类型相比，其缺点是速度和分辨率都较低。

优点：坚固性，高可靠性，结构简单，维护成本低，对启动/停止/反转具有出色的响应能力，并且可以在许多环境下工作。

缺点：电动机效率低下。无论负载如何，都会消耗较大功率。

由于无框力矩电机与伺服电机原理相同，只是不同于传统的伺服电机，没有机壳，只有定子和转子2个部件，  (相较于有框电机，无框电机配置灵活，安装方便，着眼于目前驱动系统的高度集成化趋势，可以说无框电机更贴合工程师的目标期望)所以我们将步进电机和伺服电机结构图进行对比可以比较步进电机与无框力矩电机的结构原理。

直线电机原理：直线电机是一种特殊类型的无刷同步伺服电机，类似于力矩电机，但它是敞开的扁平形状。通过线圈绕组(初级部分)与永磁体(次级部分)间的电磁相互作用，电能高效率地转换成直线运动的机械能。初级部分的常见名称还有电机，运动件，平台或滑架，而次级被称为磁道或磁路。直线电机是直接把输入电力转化为线性动能，与传统的扭力及旋转动能不同。未来，直线电机亦有望应用在机器人领域。

优点：实现定子和动子之间真正意义上的无接触磨损，寿命长、速度快、响应快，并且安装方便。

缺点：磁力有限，所以刚性、定位精度无法做到丝杠的水平，并且造价较高。直线电机目前应用领域仍然是自动化等高速、高响应场合。在对精度、刚性、承载要求高的场合，直线电机很难替代丝杠。

3.3.2.行星滚柱丝杠/滚珠丝杠

滚珠丝杠是实现回转运动和直线运动相互转化的理想产品，被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杠线性执行器是微特电机和滚珠丝杆副的组合，滚珠丝杆副在具有螺旋滚道的丝杆和螺母间装有滚珠作为中间传动件，在螺母上闭合的回路中循环滚动，使丝杆和螺母间的运动由滑动变为滚动，减小了运动摩擦，可以完成高速传动任务。并且滚珠丝杆线性执行器可以满足精确定位，实现快速响应。滚珠丝杆螺母的传动效率在90%-96%,相较于梯形丝杆螺母26%-70%的传动效率，滚珠丝杆可以使用更少的驱动功率。

滚珠丝杆广泛应用于机床工具、机器人制造等领域。在技术上不断朝向高精、高速、高荷重及低噪音的方向精进，有多种抑制温度上升的创新产品，以克服加工时产生的高温造成螺杆热变形影响精度。随着客户生产设备不断向工程集约、节能轻量化方向迈进，维持产品性能并减少体积和通过热处理延长产品使用寿命成为滚珠丝杆产业发展的重点趋势。

行星滚柱丝杠与滚珠丝杠区别：行星滚柱丝杠传动方式是在主螺纹丝杠的周围，行星布置了6-12个螺纹滚柱丝杠，这样将电机的旋转运动转换为丝杠或螺母的直线运动。行星滚柱丝杠与滚珠丝杠的结构相似，区别在于行星滚柱丝杠载荷传递元件为螺纹滚柱，是典型的线接触；而滚珠丝杠载荷传递元件为滚珠，是点接触。

主要优势是有众多的接触点来支撑负载，能够提供高于滚珠丝杠的额定动载和静载，螺纹滚柱替代滚珠将使负载通过众多接触线迅速释放，从而能有更高的抗冲击能力。

特斯拉Optimus滚柱丝杠方案特点：特斯拉的反向(inverted)行星滚柱丝杠方案与常规方案略微不同，  "反向"意为将螺杆、螺母角色互换。非反向方案为电机带动螺杆旋转，螺母与主体固定，螺母沿螺纹被螺杆带动将其旋转运动变换为直线运动。

反向方案变为螺母旋转，螺杆与主体固定，此时螺母旋转带动螺杆运动，螺杆将螺母的旋转运动转换为直线运动。剖面图可以看到伺服电机转子直接带动螺母旋转。该方案特点是行星滚子与螺母多点咬合滚动配合，承载能力极强，寿命超长，比常规滚珠丝杠提升一个数量级，但难点是滚子及螺母磨制工艺复杂耗时，装配时需要匹配不同滚子的相位，操作难度大，需要通过设计和工艺在保证性能的前提下将成本降低。

行业壁垒：滚珠丝杠制造具有结构刚性和速度的要求，壁垒在于专利、生产设备、材料及工艺。

为实现高速和精密的加工，滚珠丝杠除在机床设备的结构刚性进行加强设计外，同时还需要具备高速主轴系统和高速进给系统，以实现高速材料切削的过程。行业壁垒主要体现在设计专利，工业设备，微量元素配方的原材料，工艺know-how如热处理等。

3.4 手部关节: 空心杯电机+行星减速器+滚珠丝杠+传感器

手部关节主要由空心杯电机、精密行星减速器、滚珠丝杠和传感器构成。

空心杯电机使手指拥有活动能力，精密行星齿轮箱使得机械手定位更精准、运用更灵活，编码器提供了手部高精度位置反馈和速度反馈，传感器使机器人拥有类似人类的知觉功能和反应能力。

特斯拉人形机器人每只手包括6个驱动器和11个自由度。驱动器通过齿轮驱动一根金属线来控制手指弯曲，并集成了感应器和锁定装置。自由度是机器人的运动技术指标，决定了机器人整体的灵活性和活动范围，可用轴关节的移动、摆动或旋转动作的运动方式和数量来体现。

手部的11个自由度结合控制软件，可以使机械手如同人手一般完成复杂灵巧的操作。并且机械手能承担大约9公斤的负重。从成本角度来看，手部执行器中空心杯电机、行星减速器、滚珠丝杠、传感器占比分别达54.55%、18.18%、13.64%及9.09%。接下来我们将重点从空心杯电机及传感器两部分展开论述其产品特点及供应格局。

2.4.1.空心杯电机

空心杯电机是采用无铁芯转子的控制电动机。空心杯电机属于直流永磁的伺服、控制电动机，在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用无铁芯转子，这种特别的转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的涡流损耗，使得电动机运转性能优化，并具备控制和拖动特性。

传统铁芯电机由带槽的铁芯结构组成，绕组缠绕在槽之上，而空心杯电机由于绕组没有铁芯，省去铁芯的空间，可以做到更小的尺寸和更高的效率。

空心杯电机主要由后盖、接线端子、电刷端盖、电刷、换向器、杯形绕组(转子)、转轴、垫圈、滑动轴承、外壳、磁铁(定子)、法兰、定位环组成。定子由永磁体、壳体、法兰组成。外壳提供了恒定的磁场，使电机无铁损耗。

由于没有软磁性牙齿，所产生的转矩是均匀的，即使在低速下也能使运行平稳。在较高的速度下，电机能减少振动，减少噪音。在绕组和换向器的转子中，绕组通过换向板连接到轴上。换向系统使用一对贵金属刷，减少了电刷火花，减少的电刷火花产生较少的电磁排放。

空心杯电机具有高功率密度、高动态响应等优势。无齿槽效应保持空心杯电机低速运行平稳和低振动、低噪音状态；结构紧凑保证空心杯电机具有更高的功率密度，即单位体积下所产生功率更高；低电感保证空心杯电机的高动态响应和高的加速度。

有刷空心杯电机由于体积、重量等优势，可以应用于机器人手部。

空心杯电机分为有刷电机和无刷电机，无刷空心杯电机又称直流无刷无齿槽电机，其转速高，力矩大，具有高动态响应能力，适合应用于机器人关节。有刷空心杯电机又称直流有刷无铁芯电机，一般国内的“空心杯电机”泛指有刷电机，其具有比较低的反向力矩，具有高效率，高加速度，低摩擦等特性，同时在体积和重量方面有优势，可以应用于机器人手部。

 

行业壁垒：空心杯电机的技术壁垒在于绕线工艺。空心杯电机无铁芯转子的结构给绕线带来困难，目前海外企业的绕线工艺更先进且处于保密状态，国内绕线成熟设备较少，大多生产处于手工或半手工状态。

3.4.2.触觉传感器

手部关节可使用力觉和触觉传感器。其中，触觉传感器使机器人手部具备靠触觉来感知的能力。触觉传感器主要有四种方式：压电式、压阻式、电容式和光学原理式。

①压电触觉传感器基于压电效应原理，即在外界力的作用下，压电材料表面因形变会产生电压。它的频率响应好，测量范围大，但分辨率不是很理想。

②压阻式触觉传感器基于压阻效应原理，即施加外力时会产生自身电阻的变化。它测量范围大，鲁棒性好，但是迟滞效应较大。

③电容式触觉传感器利用电容的变化来测量接触力。其空间分辨率高，功耗低，但抗干扰能力差。④光学原理的触觉传感器靠检测光的参数变化间接感知外界的接触信息。优点是抗干扰能力强，具有很高的空间分辨率。

触觉传感器的技术壁垒在于对触觉传感机理的研究深度和材料纯度。由于机械、材料、电子、精密制造等技术难题，复现人体触觉传感机制的研究进展缓慢；材料方面，导电橡胶、导电塑料、碳纳米管、石墨烯等是可用作触觉传感器的材料，而国内目前的材料质量、生产水平并不稳定。

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人形机器人商业化关键：刚需应用场景及降本驱动量产

4.1 商业化痛点：刚需服务场景、规模化降本、标准构建

1、"用得上":工业应用有望更快落实，服务领域则是长期广阔的应用场景

人形机器人可在衣食住行等环节辅助完成繁杂任务，满足个人用户潜在需求。此外，在老龄化趋势下，人形机器人还可以满足老人看护、病患照顾等场景应用。如果未来人形机器人能够提供日常生活所需要的的服务，减少人的参与，将会获得C端巨大的市场需求。然而，服务应用场景的丰富能力主要取决于人形机器人的人工智能水平，人机交互能力与运动规划能力随人工智能水平提高，有望实现更加复杂的应用场景。

刚性服务场景是当前需要解决的重要问题。我们将人形机器人与日常使用的扫地机器人对比可以发现，扫地机器人之所以可以迅速落地，是因为它们可以在现实生活中找到与之完全匹配替代的成熟产品，且该产品具有明显弊端，而扫地机器人可以显著地解决其弊端。

例如，过去的吸尘器产品可以帮助人们将灰尘更简单地清理出来，但却离不开人的操作。而扫地机器人在帮助人们清理灰尘的同时减少了人们的参与，因此形成了对吸尘器的完美替代，同时由于其所需工艺技巧尚不复杂，研发成本较低促使了其可以快速实现市场化的普及。

当前人形机器人应用场景仍偏教育、展览等，工业场景有望率先落地。

目前，人形机器人的开发程度和功能完整性尚不完全，缺乏可完全替代的丰富的刚性应用场景需求。我们对比波士顿动力、优必选、特斯拉人形机器人主要的应用场景可以看出，目前主要集中于家庭服务、商业导览接待服务、搜救搬运等领域。

由于性能未完全开发及智能水平较低，许多工作人形机器人尚缺乏完全替代效益，例如家庭服务板块人形机器人尚未拥有可完全替代现有日常用品功能的能力，商业导览接待领域人形机器人尚不能对客户所提出的所有问题进行解答，而搜救领域缺乏实地搜救场景和经验的考察应用，人们、一般企业和市场对其接受度和需求性较低，因此人形机器人目前在服务领域多用于科研教育或者商业展览、展示等场景，以期普及作用。

与此同时，我们也可以看出，目前人形机器人企业亦在探索工业场景的应用，比如Tesla bot首批量产机器人有望投向其超级工厂，优必选亦计划与天奇股份合作探索人形机器人在新能源汽车、3C电子、智慧物流等工业场景的应用。我们认为人形机器人有望优先在工业场景率先落地，与工业机器人类似，可以实现人力替代降低工厂生产成本，同时完成工业机器人无法执行的非标准及灵活运动的动作。

2、“用得起”:较高的制造成本制约商业化，设备规模化降本空间大

人形机器人制造成本尚高，量产后设备降价空间大。规模化降本带动售价下降，将有望促进市场化进程。例如新能源汽车的发展，除了补贴以外，新能源车企亦逐步调低其销售价格促进规模的增长。当前人形机器人由于较高的制造成本，整体售价未能达到商业化的要求。

参考之前的测算结果，横向对比主流人形机器人，我们可看出特斯拉Optimus具有市场化潜力的关键在于其成本可控制在约2.2万美元，远低于波士顿动力Atlas约12.9万美元的成本，与优必选Walker约1.9万美元的成本可同台竞争。若能进一步下探到2万美元以下，竞争优势将更加明显。若特斯拉成功实现其降本目标，则有可能成为人形机器人行业的首个实现大规模量产并商业化的项目。

大规模量产情形下，核心零部件降本空间大。硬件目前占据绝大部分成本，但规模的提升会有效降低成本实现规模效应，因此随着技术的升级，以及一定的量产出现，硬件成本将有效带动整体制造成本的下降，促进售价逐步合理化，达到吸引市场购买行为的水平。

3、行业标准及规范的构建，将助力产业有序成长。

人形机器人处于初期研发阶段，标准构建将促进产业有序、快速成长。2023年1月，国家工信部等十七部门关于引发《"机器人+"应用行动实施方案》的通知，到2025年，制造业机器人密度较2020年实现翻番，服务机器人、特种机器人行业应用深度和广度显著提升，政策明确引导机器人产业发展，同时重点强调开展标准的构建：

①行业机器人应用工艺流程和专用算法模型、融合设备接口、应用数据安全、人机交互安全等标准的研制与推广；

②针对特定行业准入要求，加强机器人特殊安全要求和检测方法标准研究；

③开展机器人新产品通用技术规范、模块化设计与制造、应用安全与可靠性等标准化工作；

④推进机器人新兴技术领域专有安全基础标准、产品标准、方法标准等标准化工作。

⑤研究制定机器人伦理相关标准规范。

⑥推动机器人应用标准国际化合作。统一的行业标准尚还需要继续探索，但政策明确鼓励人形机器人研发公司跨行业标准互采并研究制定行业标准，将有效助力行业形成有序、正向循环，加快实现模块化、标准化、规模化的生产。

4.2 市场化展望：有望复制新能源汽车及智能手机发展历程

类似新能源汽车及智能手机，机器人有望迎来快速增长阶段。复盘新能源汽车及智能手机，可以看出标志性的产品、技术难点的攻克、产品性能的提升、销售价格的下降均是促进产业链快速发展的重要契机、人形机器人处于初期研发阶段，未来有望走向成本导向型时代。

较低的成本往往会带来递增的消费积极性，且伴随未来人形机器人智能化水平和性能的提升加之越来越多的企业发展了刚性应用场景，人形机器人会更加稳定且更多的参与到日常生活服务中，人们对人形机器人的需求也会得到大幅度的增加，人形机器人将有可能成为往后改变人类生活的爆款产品。

特斯拉的Optimus有望带领人形机器人行业迎来“IPHONE时刻”。以较低的成本满足消费者绝大部分的需求，进而促进产业的转型提升。由于人形机器人高冗余度设计，使其可以像智能手机一样不断更新换代，从而不断满足客户各种不同场景的应用需求。我们期待特斯拉Optimus产品凭借特斯拉强大的软件技术团队以及其新能源汽车供应链及核心技术的赋能，将有望成为人形机器人中重要的标志性产品，率先实现量产，助力行业进入高速增长阶段。

报告来源：安信证券

报告编辑：智能机器人系统

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