機器人伺服電機行業(yè)研究

機器人伺服電機行業(yè)研究1.電機行業(yè)概覽：萬億級市場，細分領域眾多1.1電機技術：技術原理共通，延展性較強電機一般指電動機，亦稱“馬達”，可將電能轉換為機械能，為用電器或各種機械提供驅動力，在現(xiàn)代工業(yè)和生活中應用極為普遍。電機的基本原理為電磁感應定律——電能在線圈上產(chǎn)生旋轉磁場，并推動轉子轉動。電機的基本構造包括：定子（鐵芯、繞組和基座）、轉子（鐵芯、繞組），此外不同類別電機可能配有電刷、傳感器、驅動器、風扇等配件。電機原理雖然簡單，但高端設計十分復雜，牽涉設計、工藝和設備等環(huán)節(jié)，涵蓋電磁學、摩擦學、熱、流體、振動、聲學等自然科學和相關技術工程領域。電機技術種類非常多。法拉第1921年制成世界第一臺電機，1831年發(fā)現(xiàn)電磁感應定律，經(jīng)過200年技術更新迭代，電機品類已十分龐雜。根據(jù)電源種類不同，分為直流電機和交流電機。直流電機響應快，啟動轉矩大，調速性能好（轉子受力由電流和磁場強度決定），調速范圍寬，缺點是需要換向，結構更復雜，后續(xù)維護不便利，且限制了電機容量和速度，功率范圍0.01W-1000kW；交流電機不需要換向器，因此結構簡單、制造方便，牢固，使用壽命長，功率覆蓋范圍大（幾W-百萬kW）。根據(jù)有無電刷，分為有刷電機和無刷電機。交流電機不需要電刷換向，因此有刷無刷僅涉及直流電機。無刷電機的換向和調速工作由霍爾傳感器、控制器、磁編碼器等電子元件完成，替代了電刷，同時賦予電機更多的控制性能，數(shù)字變頻的可控性更強。無刷電機解決了電刷運轉產(chǎn)生的電火花問題，且運轉時的摩擦減少，噪音降低，壽命延長；缺點在于成本較高，技術難度較高，因此常用在控制要求較高、轉速較高的設備上。根據(jù)轉子定子是否同步，分為同步電機和異步電機，兩者均屬于交流電機。同步電機較復雜，效率高，造價高，大多用于大型發(fā)電機場合和2000KW以上的電動機上；異步電動機簡單，成本低，易于安裝，效率略低，應用更廣泛。根據(jù)用途不同，分為非控制電機和控制電機。非控制電機用于電動工具、家電和其他通用小型設備中，側重電機在啟動和運行過程中的力能指標；控制電機可以對電機的轉速、位置和轉矩進行精準控制，更側重于高精度和快速響應，因此多用于自動化設備中。常見的控制電機包括步進電機和伺服電機兩種。步進電機利用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉換成相應的角位移，也稱脈沖電機；

伺服電機利用輸入的電壓信號轉換成角位移或角速度輸出，通過改變控制電壓改變電機的轉速和轉向。伺服電機在精度、可靠性、噪音、過載能力、能量轉換效率等方面性能優(yōu)于步進電機，但是成本較高，因此兩者呈互補關系。電機核心指標為轉速、功率、扭矩等。電機參數(shù)指標是選擇電機的重要參考，包括：

輸入功率，輸出功率，額定電流，堵轉電流，額定轉速，加速度，減速度，震動，噪音，功率因素，效率，堵轉轉矩，額定轉矩，最大轉矩，轉動慣量，相間絕緣電阻，相對地絕緣電阻等。其中，重要參數(shù)以及含義分別為：1）額定功率：電機設計時的理想功率也是最大功率；2）額定電壓：該電機的建議工作電壓，電壓決定了轉速和一系列參數(shù)，超過電壓可能會出現(xiàn)局部過熱問題，不可以長期運行；3）額定轉速：額定功率下電機的轉速；4）額定轉矩：力矩=里×力臂，相當于電機的“力氣”，在機器人領域，轉矩一般用于使得機器人移動或者使得機械臂完成各種動作；5）電機效率：電機輸出的機械能與消耗的電能的之比；6）噪音：電動機在空載穩(wěn)態(tài)運行時的分貝數(shù)；7）物理參數(shù)：尺寸、重量、固定孔的位置等；8）壽命；9）價格。此外，控制電機還需考慮控制精度和響應時間等。1）響應時間：電機的轉速從零開始增長的過程。為了滿足自動控制快速響應的要求，轉速變化時間應盡可能短，即電機轉速變化應迅速跟上控制信號的要求。2）控制精度：電機運行的實際位置與控制器輸出位置之間的偏誤程度。不同應用場景的側重點不同，因此關注的核心指標也有差別。例如汽車電機更側重功率密度（單位體積對外輸出密度），機器人電機更側重控制精度，重型機械電機更側重扭矩等。1.2行業(yè)特征：市場容量萬億級，誕生細分領域龍頭電機的下游應用市場極為廣泛，空間千億美元。電機作為必不可少的關鍵基礎機電部件，廣泛應用于家電、汽車、信息處理器、視聽設備、工業(yè)自動化等領域。以家庭場景為例，根據(jù)祥明智能招股說明書援引高工咨詢的數(shù)據(jù)，發(fā)達國家微特電機的家庭平均擁有量為80-130臺，而中國大城市家庭平均擁有量大約在20-40臺；汽車為最主要電機細分市場，一輛商用車采用超過40個電動機，從低功率到高功率不等。根據(jù)GrandviewResearch的研究數(shù)據(jù)，2020年全球電機市場規(guī)模為1427億美元，預計2021-2028年全球電機市場規(guī)模復合增長率將達到6.40%。從下游細分市場來看，汽車占比最高，占40.5%，其次為工業(yè)機械、HVAC設備（供熱、通風與空氣調節(jié)）、空調、運輸、家電等。電機需求分散化和長尾化，選型考慮因素眾多。電機的選擇取決于終端產(chǎn)品設計，電機選型貫穿于工程師設計和生產(chǎn)產(chǎn)品的全過程中，與產(chǎn)品特征和工程師設計理念緊密相關，因此其需求表現(xiàn)出極強的分散和長尾特征。參考Maxon的產(chǎn)品說明書，電機選型考慮因素眾多：首先，驅動需求必須明確：驅動負載需要多高的轉速和多大的轉矩？在不同的負載狀況下，運行持續(xù)時間是多少？對加速性能有什么要求？負載慣量是多少？驅動參數(shù)還需考慮同步帶、齒輪、絲杠等，全部折算到電機軸。其次，電源供電的要求：對電機引線端施加的最大電壓是多少？對電流有什么樣的限制？如果使用電池或太陽能電池供電，還需使用伺服放大器，放大器的最大電流通常是一個重要的限制參數(shù)。此外，其它重要信息也需考慮：被加速的物體(類型、轉動慣量)、運行模式(連續(xù)、間歇、正反向運行)、環(huán)境條件(溫度、濕度、介質)、電源、電池。最后，還需考慮限制條件包括：驅動單元的最大長度是多少(含齒輪箱和編碼器的直徑)？電機的預期使用壽命是多少？使用哪種換向系統(tǒng)？稀有金屬換向系統(tǒng)適合于低電流連續(xù)運行工況、石墨換向系統(tǒng)適合于高電流連續(xù)運行工況以及頻繁出現(xiàn)電流峰值的場合(啟動/停止操作、正反向運行)。如果希望獲得最高轉速和最長使用壽命，則應采用電子換向系統(tǒng)。電機軸上的負載力是多少？必須使用滾珠軸承還是可以使用經(jīng)濟的燒結合金軸承？電機行業(yè)總量大、單品產(chǎn)量小、需求長尾化、定制屬性強，導致電機行業(yè)不存在“贏家通吃”的情況，大多表現(xiàn)為深耕細分領域的中小型公司，競爭格局高度分散。電機行業(yè)涌現(xiàn)出的優(yōu)秀公司主要有三類：1）聚焦于單品銷量較大的下游行業(yè)，例如汽車電機、空調電機、洗衣機電機等，公司產(chǎn)品具有性價比優(yōu)勢，國內上市公司如大洋電機、江蘇雷利、微光股份、方正電機、祥明智能等；2）電機平臺型公司，電機SKU多+快速定制化能力強，產(chǎn)品具有價格優(yōu)勢、快速響應客戶需求，國內外上市公司如瑞士Maxon、鳴志電器、兆威機電等；3）電機產(chǎn)品與其他產(chǎn)品產(chǎn)生協(xié)同效應，作為核心競爭力為下游產(chǎn)品賦能，如安川電機、匯川技術、金龍機電等。2.機器人行業(yè)的典型電機類型一覽2.1伺服電機：控制精度高，廣泛應用于工業(yè)自動化伺服電機是工業(yè)自動化行業(yè)中應用最廣的電機。伺服來自英文servo，指系統(tǒng)跟隨外部指令進行人們所期望的運動，實現(xiàn)對位置、速度、加速度和力矩的精準控制。伺服電機具有響應速度快、精度高、加減速度快、速度不受負載影響等優(yōu)點，且轉速范圍寬、高速性能好、低速運行平穩(wěn)，同時抗過載能力強，能承受3倍于額定轉矩的負載，適用于對有瞬間負載波動和要求快速起動的場合。伺服系統(tǒng)一般由驅動器、電機、編碼器構成。①伺服驅動器（指令裝置）屬于驅動層，又稱“伺服控制器”、“伺服放大器”，一般通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位；改變控制電壓可以變更伺服電機的轉速及轉向。②伺服電機屬于執(zhí)行層，伺服電機在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，把輸入的電壓信號變換成轉軸的角位移或角速度輸出。③編碼器（反饋裝置）通常內置在伺服電機末端，用來測量電機的轉角、轉速和位置，對控制精度具有關鍵作用。驅動器根據(jù)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。伺服電機分為直流和交流伺服電動機。1）直流伺服電機分為有刷和無刷電機：①有刷電機成本低，結構簡單，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對使用環(huán)境有要求（無塵、易爆環(huán)境不宜），通常用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合；②無刷電機體積小重量輕，出力大響應快，速度高慣量小，力矩穩(wěn)定轉動平滑，控制復雜，智能化，電子換相方式靈活，可以實現(xiàn)方波或正弦波換相，電機免維護，高效節(jié)能，電磁輻射小，溫升低壽命長，適用于各種環(huán)境。2）交流伺服電動機又分為異步伺服電動機和同步伺服電動機。交流伺服電機優(yōu)點在于速度控制特性良好，在整個速度區(qū)內可實現(xiàn)平滑控制，幾乎無振蕩，90%以上的高效率，發(fā)熱少，高速控制，高精確度位置控制，額定運行區(qū)域內可實現(xiàn)恒力矩，慣量低，低噪音，無電刷磨損，免維護。缺點在于控制較復雜，驅動器參數(shù)需要現(xiàn)場調整PID參數(shù)確定，需要更多的連線。高性能的伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步交流伺服電動機，控制驅動器多采用快速、準確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。伺服電機作為工業(yè)自動化的核心零部件，市場規(guī)模隨產(chǎn)業(yè)自動化升級穩(wěn)步增長。1）替代需求：在機床、紡織機械、印刷機械和包裝機械等領域，伺服電機相比步進電機具有精度、扭矩、過載等性能方面的優(yōu)勢，滲透率不斷提升；2）新增需求：工業(yè)機器人、電子智造裝備等行業(yè)對精度性能要求較高，其迅速增長為伺服電機市場貢獻較大增量。根據(jù)GrandViewResearch與MIR數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2020年全球伺服電機市場規(guī)模367億元，預計2026年有望達到539億元。中國伺服電機起步較晚，尚處于成長階段，2020年中國伺服電機市場規(guī)模約149億元，預計2026年有望達到225億元。伺服電機的核心難度，即導致各國差距之處，主要在于電機的基礎性研究、高精度伺服驅動器和編碼器。1）基礎性技術研究：包括高端電機的結構設計、產(chǎn)業(yè)化制造技術、生產(chǎn)工藝的突破、性能指標的實用性檢驗，導致高端伺服電機的性能、質量和穩(wěn)定性的差異；

2）材料，特別是適應高溫的材料；磁材和絕緣性材料等，國內的磁材總體性能差，伸縮長度會發(fā)生變化；3）驅動系統(tǒng)：目前的伺服系統(tǒng)標準仍然依靠國外定義，包括共目線結構體系，先進的控制算法，自適應振動抑制，自適應參數(shù)整定，齒槽轉矩補償，磁飽和控制，弱磁控制、安全控制等，需要時間和經(jīng)驗的積累、大量的數(shù)據(jù)逐步實現(xiàn)各項功能；4）編碼器：目前高精度編碼器嚴重依賴進口，小型化仍待突破，而編碼器對定位精度影響很大。伺服電機行業(yè)65%份額為外資品牌，高端市場基本被外資壟斷。根據(jù)MIR數(shù)據(jù)，中國伺服電機競爭格局中外資品牌占65%，國產(chǎn)品牌占35%。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院報告，目前主流品牌可分為歐系、日系和國產(chǎn)品牌等類別，其中歐系日系占據(jù)中高端市場，國產(chǎn)主要集中在中低端市場。①歐系品牌占比20%：如西門子、倫茨、博世力士樂等，過載能力高、動態(tài)響應好、驅動器開放性強，但價格昂貴、體積重量大；②日系品牌占比45%：如安川、三菱、松下等，品牌性能和價格相對低、體積小、重量輕、可靠性和穩(wěn)定性強，但動態(tài)響應能力較弱、開放性較差低，總體上性價比更高，最適合中端需求；③國產(chǎn)伺服占比35%：

如臺灣臺達、匯川技術、華中數(shù)控等，產(chǎn)品基本成熟，精度和可靠性較差，中小功率居多，中低端伺服系統(tǒng)已實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，但高端伺服系統(tǒng)尚未形成商品化和批量生產(chǎn)能力。2.2步進電機：經(jīng)濟性更高，適合低精度要求場景步進電機也是一種控制電機。步進電機源于自英語單詞“Step”，意為“走一步”，是一種形象的翻譯。步進電機能將電脈沖信號轉換為角位移/直線位移，并且位移量與脈沖數(shù)成正比，轉速或線速度與脈沖頻率成正比。通過調整電脈沖信號或脈沖頻率就可以實現(xiàn)對電機的運動控制。步進電機能根據(jù)控制脈沖的要求迅速啟動、反轉、制動和無極調速；

工作時能不失步，精度高，停止時能鎖住。步進電機包括VR、PM、HB三種。1）VR步進電機，即反應式（VariableReluctance），由繞組、轉子由軟磁材料組成，結構簡單，成本低，但動態(tài)性能差，效率低，發(fā)熱大，已逐步被歐美國家淘汰。2）PM步進電機，即永磁式（PermanentMagnet），由永磁材料制成，動態(tài)性能好，體積相對較小，但精度較差，輸出力矩較小，是一種成本較為經(jīng)濟的選擇。3）HB步進電機，即混合式（Hybrid），綜合了前兩者的優(yōu)點，可以實現(xiàn)精確的小增量步距運動，轉子和定子上有多個小齒以提高步矩精度，輸出力矩大，動態(tài)性能好，步距角小，但結構相對復雜，成本相對較高。步進電機控制方式類似于伺服電機，包括驅動器和編碼器。驅動器在負載能力的范圍內，通過改變脈沖頻率來調速；編碼器信號檢測轉子位置，進行控制信號的反饋和電流調節(jié)。作為開環(huán)的控制系統(tǒng)，由于過載能力較低、調速范圍相對較小、低速運動有脈動、不平衡等問題，一般應用于小型或簡易型機器人中。步進電機VS伺服系統(tǒng)，可靠性低，經(jīng)濟性高。步進電機相比伺服電機，不足之處在于：

精度略低；開環(huán)系統(tǒng)的低可靠性，低速存在共振區(qū)；運行噪音較高；無過載能力，易失步；

能量轉化效率低，自身損耗及發(fā)熱較高；動態(tài)響應慢，加減速低；優(yōu)勢在于：調試較為簡單，伺服驅動器涉及的參數(shù)多、使用手冊長，且不同品牌的驅動器區(qū)別可能很大；成本更低；精度方面，在大多數(shù)場合，步進的分辨率已遠高于機械要求的精度，對于高要求場合，通過細分驅動、添加閉環(huán)控制等方式，也可以達到很高的控制精度。因此，伺服電機更適用于要求高效率、高速高響應、高可靠性的場合，步進電機用于要求不高、成本敏感的場合，控制系統(tǒng)的設計須綜合考慮控制要求、成本等因素，選擇適當?shù)目刂齐姍C。2.3空心杯電機：結構緊湊，能量轉換效率高空心杯電機屬于直流、永磁、伺服電機?？招谋姍C與傳統(tǒng)電機的轉子結構不同，采用無鐵芯轉子，線圈通過連接板，和換向器、主軸鏈接到一起，共同組成轉子。由于線圈形狀像個杯子，因此稱為空心杯。無鐵芯結構消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗，能量轉換效率提高，最高可達90%+，同時降低電機重量和轉動慣性，可達到更高的控制和拖動特性?？招谋姍C分為有刷和無刷兩種。1）空心杯有刷電機：采用電刷換向，轉動過程中會摩擦碳刷，造成損耗，需要定期更換碳刷，電機壽命有限，平均為幾千小時；容易產(chǎn)生電火花和電磁波，干擾電子設備；優(yōu)勢在于，有刷電機不存在渦流損耗，特別是在高速運轉下，相比無刷電機的損耗顯著更低；結構更簡單，成本更低；2）空心杯無刷電機：采用電子換向，通過霍爾元件感知永磁體位置，電子線路切換線圈中電流的方向，進而改變磁力，其優(yōu)勢在于消除了電刷的損耗和電火花對電子設備的干擾，壽命可達到數(shù)萬小時，但無刷電機存在渦輪損耗，渦輪功率損耗隨速度的平方增加；另外添加了換向器和控制器等，增加了系統(tǒng)的組件和成本?？招谋姍C具有節(jié)能、控制性能好、能量密度高等優(yōu)點，但功率較低?？招谋姍C的優(yōu)點在于：1）節(jié)能：能量轉換效率很高，其最大效率一般在70%以上，部分產(chǎn)品可達到90%以上（鐵芯電動機一般在70%）；2）控制性能好：起動、制動迅速，響應極快，機械時間常數(shù)小于28毫秒，部分產(chǎn)品可以達到10毫秒以內（鐵芯電動機一般在100毫秒以上）；在推薦運行區(qū)域內的高速運轉狀態(tài)下，可以方便地對轉速進行靈敏的調節(jié)；3）拖動性能好：運行穩(wěn)定性十分可靠，轉速波動能控制在2%以內；4）能量密度高：與同等功率的鐵芯電動機相比，其重量、體積減輕1/3-1/2；5）散熱效果好：銅板線圈內外表面都有空氣流動，溫升較小。但缺點在于功率上限低：由于沒有牢固的鐵芯支撐，線圈厚度較薄，且線圈和輸出軸的連接強度有限，因此體積、功率等無法做到很大，一般空心杯電機最大功率僅幾百瓦，屬于一種微特電機。空心杯電機在高精度、高速響應、緊湊高效場景得到廣泛應用。1）需要快速響應的系統(tǒng)：軍用領域導彈方向的快速調節(jié)、高靈敏度的記錄和檢測設備、工業(yè)機器人、仿生義肢；

2）對重量和能耗要求的飛行器，包括無人機、航模等；3）其他家電、工業(yè)產(chǎn)品，可以替代傳統(tǒng)電機，提高產(chǎn)品性能。根據(jù)國際咨詢機構QYResearch統(tǒng)計數(shù)據(jù)，預計2022年全球空心杯直流電機市場規(guī)模為7.5億美元，2022-2028年復合增速8%，至2028年增加至11.9億美元；2021年中國、歐洲市場份額分別為35%、26%?？招谋袌鲩L期被外資壟斷，蘊藏大量國產(chǎn)替代機遇。空心杯電機的產(chǎn)品制造和量產(chǎn)的難度高，繞線和自動化工藝復雜，對繞線工人的技能水平要求高，難以實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。目前空心杯市場被德國FAULHABER與瑞士Maxon主導，隨著國內市場對空心杯電機認知程度不斷提高，國產(chǎn)廠商的量產(chǎn)工藝水平不斷突破，未來有望實現(xiàn)國產(chǎn)替代。3.解析不同機器人對電機的差異化需求3.1工業(yè)機器人：工業(yè)場景要求響應速度和控制精度工業(yè)機器人（多關節(jié)機器人）通常有6個關節(jié)，對應6個電機?？刂破鳌⑺欧姍C和減速器被稱為工業(yè)機器人的三大零部件：1）控制器是機器人的“大腦”，通過硬軟件結合來控制機器人的運動位置、姿態(tài)和軌跡；2）伺服電機是機器人的“驅動力“，根據(jù)控制器發(fā)出的命令輸出力矩，動態(tài)控制機器人的速度和位置；3）減速器用于降速增矩：伺服電機一般輸出的轉速高、力矩小，不能滿足機器人本體的運動需求，需要通過減速器來降低轉速、增加力矩。根據(jù)高工機器人數(shù)據(jù)，伺服電機在工業(yè)機器人總成本中占比20%。工業(yè)機器人對電機性能要求較高：高功率密度、高扭矩慣量比、高起動轉矩、低慣量和較寬廣且平滑的調速范圍。1）高功率密度：工業(yè)機器人的體積和負載要求電機重量輕、體積??；2）高扭矩慣量：代表更高加減速性能，更快響應速度；3）高啟動轉矩：啟動轉矩越大，電動機加速越快，啟動過程越短，也越能帶重負載起動；4）低慣量：慣量越低，精度和響應速度越好；5）寬廣平滑的調速范圍：隨著控制信號的變化，電動機的轉速能連續(xù)變化，調速范圍1:1000～10000，功率范圍一般為0.1～10kW。3.2四足機器人：側重高功率密度、高扭矩密度四足機器人是學術界產(chǎn)業(yè)界積極研發(fā)的、具有發(fā)展前景的一類機器人。相比輪式和履帶式機器人，具有良好的環(huán)境適應能力，在復雜的地理地形環(huán)境下，不平整地面上，保證機器人運動的靈活性、穩(wěn)定性和人際協(xié)調性，因此可以協(xié)助人類完成危險性高、工作環(huán)境惡劣的任務，如搶險救災、高位巡檢、安全偵查、地形勘測、太空探索等。高動態(tài)特性，參考獵豹的奔跑模式，在高速奔跑中依然能快速調整步態(tài)和運動方式。四足機器人通常采用12個伺服電機，每條腿三個關節(jié)：外展關節(jié)、髖關節(jié)和膝關節(jié)。為了避免膝關節(jié)電機外置易造成損壞，將膝關節(jié)電機置于髖關節(jié)處上，采用連桿機構驅動膝蓋關節(jié)自由度，這種設計可以減少腿部的傳動慣量，有利于機器人高速奔跑。此外，踝關節(jié)擁有類似于髖關節(jié)的2個自由度，但由于踝關節(jié)主要作用是調節(jié)足端和地面的接觸，基本不提供動力，因此一般設計為被動的彈性關節(jié)，如橡膠、海綿等。四足機器人電機更側重高扭矩密度、高功率密度、轉動慣量小、響應速度塊。1）四足機器人在行走、奔跑、跳躍時步態(tài)都不相同，電機一直處于正反轉交替狀態(tài)，轉矩輸出并不是處于額定值，而是一個隨著運動狀態(tài)不斷變化的量，因此電機轉矩在較短時間內達到峰值；2）電機不停運行在正轉和反轉的狀態(tài)下，需要有較高的響應速度，要求電機的轉動慣量小、重量輕；3）四足機器人采用12個電機，每個電機安裝空間有限，直徑和長度要短，扁平化結構；4）其他約束條件：電機的散熱和溫升、電機控制器的最高頻率限制、激勵電流的有效值等。5）另外，為了使機器人的關節(jié)輸出足夠的扭矩，需要增加減速器，將高速低扭矩的電機輸出轉化為低速大扭矩的關節(jié)輸出。四足機器人電機的商業(yè)化程度較低。由于四足機器人商業(yè)化應用較少，因此還未形成標準化產(chǎn)品。電機廠商主要由四足機器人公司自主設計，或者找伺服電機廠商定制化生產(chǎn)。四足機器人電機的進入壁壘不高，但是能做到高扭矩密度、響應速度快、輕量化小型設計等綜合性能的難度很高，全球各高校和科研機構也在不斷尋求技術突破，從而突破四足機器人的性能優(yōu)化，例如MIT自主研發(fā)的獵豹系列的電機，可以達到33Ｎ·ｍ的扭矩而質量僅1kg。3.3人形機器人：要求高效率、高動態(tài)、高功率密度人形機器人的自由度決定電機數(shù)量，機器人靈活性越高，電機越多。當前全球人形機器人玩家較少，已實現(xiàn)推出原型機/產(chǎn)品的公司包括日本本田、美國波士頓動力、美國敏捷機器人、中國優(yōu)必選、中國小米和美國特斯拉等。其中，本田ASIMO有34個自由度，均為旋轉執(zhí)行器，采用伺服電機+諧波減速器方案，優(yōu)必選Walker有40個自由度，采用相似架構；敏捷機器人DigitRobot有20個自由度，采取伺服電機+諧波減速器/擺線減速器方案，小米CyberOne有21個自由度，采取相似架構；波士頓動力Atlas有28個自由度，采用液壓驅動方案；特斯拉Optimus有28個自由度，采用6種執(zhí)行器，旋轉執(zhí)行器為電機+諧波減速器，線性執(zhí)行器為電機+滾柱絲杠。人形機器人電機有三個關鍵點：高效率、高動態(tài)和高功率密度。①高效率：低能耗和低摩擦損失很重要，因為機器人通常由電池供電，能經(jīng)受得起苛刻的運行條件，可進行十分頻繁的正反向和加減速運行，并能在短時間內承受過載。②高動態(tài)：整個驅動器（電機、機構、接線、傳感器和控制器）的慣性應盡可能低，電動機從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時間應短。③高功率密度：機器人應用需要高速、高扭矩電機，這些電機還需要小巧，緊湊，輕巧。3.4機器人手部：側重輕量化、高效率、低成本關于靈巧手的研究最早可追溯至1960s，21世紀以來研究進程加快，但目前仍處于實驗室階段，少數(shù)實現(xiàn)商用。在應用端，靈巧手可以代替人手完成多種抓取和操作任務，具有極大的應用價值，例如，家用領域可以完成家務、陪護、康養(yǎng)等任務，工業(yè)領域可以完成裝配等精細化作業(yè)任務，特種領域可以在太空、深海、核電站等代替人手實現(xiàn)精準操作；

在技術端，靈巧手在靈活性、適應性、可控性、敏銳感知、小型化等方面仍有挑戰(zhàn)。靈巧手有多種驅動技術方案，柔性驅動包括氣動型、液壓驅動型、肌腱驅動型等；剛性驅動包括齒輪連桿驅動型、連桿驅動型、關節(jié)電機驅動型等。目前最常見的靈巧手均為電機驅動，具有能耗低、控制系統(tǒng)簡單、電路設計方便等優(yōu)點。不同靈巧手方案的電機數(shù)量不等。2002年日本岐阜大學合作開發(fā)Gifu-III靈巧手，合計20個關節(jié)和16個自由度，采用Maxon公司直流伺服電機；英國Shadow公司的靈巧手已投入商業(yè)化應用，合計24個自由度，其中20個電機驅動，4個欠驅動，每個手指都集成了力、位置和觸覺傳感器，可以抓取柔軟或易碎的物體；韓國IRIM實驗室研制了線驅動靈巧手FLLEXHand，合計15個自由度；清華大學機械系PESA手具有20個關節(jié)，15個自由度，15個電機驅動；特斯拉

Optimus單手有11個自由度，采用6個執(zhí)行器，采用空心杯電機+蝸輪蝸桿+金屬肌腱驅動的方案。靈巧手電機大多采用微特電機，結構緊湊，效率高。靈巧手需要滿足質量輕、結構緊湊和抓取力強的要求，因此采用的電機應該具有尺寸小、質量輕、精度高、扭矩大的特點，多采用微特電機+行星減速器的方式。空心杯電機具有尺寸小、質量輕、精度高、控制性能好、能量密度高等特點，能夠滿足手指高度緊湊的結構要求和驅動性能要求以Maxon的空心杯電機為例：德國航空航天中心（DRL）與哈爾濱工業(yè)大學（HIT）合作研發(fā)的DLR-HITHand采用15個帶霍爾傳感器的無刷主流電機，長度10.4mm、外徑為21.2mm，重量15g，安裝諧波驅動齒輪，最大扭矩8.04mNm，結構緊湊、功率密度高、價格低廉。4.國內相關公司梳理4.1

匯川技術：工控自動化國內標桿，伺服電機領軍品牌匯川技術是國內工業(yè)自動化控制龍頭。公司成立于2003年，2004年生產(chǎn)出第一批機器，2008年推出PLC、伺服產(chǎn)品，2009年“匯川永磁同步電機驅動控制軟件”榮獲中國國際軟件博覽會金獎，2010年上市，2010-2019年歷經(jīng)三次組織變革，取得遠超行業(yè)平均的持續(xù)增長，2021年年產(chǎn)1100萬臺伺服電機項目進一步擴大產(chǎn)能，2022年收購大連智鼎科技，完善大功率變頻電機布局。目前，公司產(chǎn)品覆蓋通用自動化、電梯電氣大配套、新能源汽車、工業(yè)機器人、軌道交通五大類，其中通用自動化包括變頻器、伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、工業(yè)視覺系統(tǒng)、傳感器、高性能電機等核心部件，產(chǎn)品線齊全。業(yè)績穩(wěn)健增長，抗周期能力顯著。2021年公司實現(xiàn)營業(yè)收入179.43億元，同比增長56%；歸母凈利潤35.73億元，同比增長70%，其中通用自動化、電梯、新能源分別占比50%、28%、20%。2021年公司毛利率、凈利率分別為35.82%、20.51%。2022H1公司實現(xiàn)營業(yè)收入和歸母凈利潤103.97億元、19.75億元，分別同比增長25.65%、26.36%，在疫情和宏觀環(huán)境不利影響下取得逆勢增長，行業(yè)龍頭地位進一步鞏固。作為工控自動化龍頭，公司充分受益自動化大浪潮，產(chǎn)品條線持續(xù)擴張，業(yè)務多點開花。1）變頻器和伺服系統(tǒng)的市占率在內資品牌中穩(wěn)居第一，市場競爭力強勁。公司掌握高性能伺服控制技術、高性能伺服電機技術等核心技術，產(chǎn)品矩陣豐富，覆蓋單軸/多軸伺服系統(tǒng)、通用/專用伺服系統(tǒng)、新一代伺服系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)、高精度伺服驅動系統(tǒng)等，廣泛應用于3C制造、機械手、LED、鋰電、印刷包裝、紡織、機床、注塑機等業(yè)務領域。2）工業(yè)機器人業(yè)務高速增長，產(chǎn)品品類擴張。公司的工業(yè)機器人產(chǎn)品包括SCARA機器人、六軸機器人、視覺系統(tǒng)、高精密絲杠、控制系統(tǒng)等整機及零部件。根據(jù)睿工業(yè)，2021年公司SCARA機器人的國內市場份額為14%，名列第三，內資第一。目前公司工業(yè)機器人業(yè)務已經(jīng)實現(xiàn)盈利，未來有望高速成長。3）戰(zhàn)略布局新能源車景氣賽道，電控產(chǎn)品放量在即。公司已進入理想、小鵬、威馬等造車新勢力及長城、廣汽等傳統(tǒng)車企供應鏈，2022H1產(chǎn)品迭代至第四代高壓電驅總成、異步電機總成，新能源車業(yè)務可期。4.2

埃斯頓：國內工業(yè)機器人龍頭，全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展快速崛起埃斯頓是國內工業(yè)機器人龍頭企業(yè)，立足自主研發(fā)，技術創(chuàng)新驅動進步。公司成立于1993年，2002年研發(fā)金屬成形機床數(shù)控系統(tǒng)，2006年拓展金屬成形機床電液伺服系統(tǒng)等核心部件業(yè)務，2008年推出交流伺服系統(tǒng)，2012年布局工業(yè)機器人產(chǎn)品線，2019年收購德國CLOOS，取得焊接機器人全球前沿技術，2021年全面進軍工業(yè)智能化和數(shù)字化制造領域。公司形成工業(yè)自動化系列產(chǎn)品、工業(yè)機器人系列產(chǎn)品、工業(yè)數(shù)字化系列產(chǎn)品三大核心業(yè)務；其中工業(yè)自動化系列產(chǎn)品線包括全系列交流伺服系統(tǒng)，變頻器，PLC，觸摸屏，視覺產(chǎn)品和運動控制系統(tǒng)等。市場份額持續(xù)擴張，盈利略有承壓。2021年公司實現(xiàn)營業(yè)收入30.20億元，同比增長20%；歸母凈利潤1.22億元，同比下降5%；2022H1公司實現(xiàn)營業(yè)收入和歸母凈利潤分別為16.55億元、0.76億元，同比增長6%、21.3%。公司重視自主研發(fā)，2017-2021年研發(fā)支出由1.06億元上升至2.82億元，研發(fā)費用率長期維持10%的較高水平。2020年6月福布斯發(fā)布2020中國最具創(chuàng)新能力榜單，埃斯頓榮登“2020年中國最具創(chuàng)新力企業(yè)榜”，成為工業(yè)機器人企業(yè)唯一登榜者。機器替人疊加國產(chǎn)替代，公司發(fā)展前景廣闊。1）機器人銷量快速增長，空間廣闊。2021年公司工業(yè)機器人出貨量約1.1萬臺/套，國內市占率為4.4%，在人力成本上升+勞動力短缺+產(chǎn)業(yè)自動化升級+國產(chǎn)替代等多重驅動下，工業(yè)機器人有望持續(xù)滲透，公司作為龍頭將首先受益。2）股權激勵彰顯信心。2022年8月公司發(fā)布長期激勵計劃和員工持股計劃，員工持股計劃考核目標是2022/2023年公司收入分別不低于38億元、52億元，同比分別+25.83%、36.84%，彰顯公司對于未來發(fā)展的信心。4.3

鳴志電器：運動控制平臺企業(yè)，空心杯電機國內龍頭新銳鳴志電器聚焦運動控制及智能電源領域關鍵部件制造，產(chǎn)品品類齊全。公司成立于1994年，1998年鳴志電機工廠建成，HB步進電機產(chǎn)品投產(chǎn)，2007年與美國AMP公司合資安浦鳴志，開展控制電機驅動系統(tǒng)業(yè)務，2008年永磁式步進電機產(chǎn)品投產(chǎn)，2012年交流伺服電機產(chǎn)品、直流無刷電機產(chǎn)品投產(chǎn)，2014年收購美國AMP，2015年收購美國LINENGINEERING，與PBCLinear合資成立鳴志派博思，2018年收購瑞士TechnosoftMotionAG，通過內生+外延雙輪驅動實現(xiàn)快速發(fā)展。目前產(chǎn)品已覆蓋混合步進電機、永磁步進電機、線性電機、伺服電機、直流無刷電機、無刷無槽電機、電機驅動與集成、電動滑臺、智能LED調光、LED智能控制與驅動、大型設備管理與故障診斷等多個領域。業(yè)績持續(xù)高增，毛利率穩(wěn)定在較高水平。2021年公司實現(xiàn)營業(yè)收入27.14億元，同比增長22.66%，2017-2022復合增長率13.6%；歸母凈利潤2.80億元，同比增長39.27%；

其中控制電機及其驅動系統(tǒng)產(chǎn)品收入20.98億元，占比77%。2021年毛利率、凈利率分別為37.66%、10.37%。2022H1實現(xiàn)營業(yè)收入和歸母凈利潤分別12.7億元、0.7億元，分別同比-1.9%、-45,4%，主要因為公司及工廠位處上海，3月以來受疫情影響較大，工廠停工、物流受限、倉庫封閉、原材料供應不穩(wěn)定等情況對境內外業(yè)務造成多重不利影響，6月以來復工復產(chǎn)后公司經(jīng)營情況已得到迅速恢復，預計下半年有望恢復高增態(tài)勢。產(chǎn)品品類齊全形成平臺化運營，新興高附加值占比持續(xù)提升，產(chǎn)能有序釋放支撐公司高增長。1）產(chǎn)品線不斷完善，高附加值應用領域快速成長。公司產(chǎn)品線涵蓋25個系列，覆蓋運動控制、智能電源、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等五大領域，形成平臺化運營模式。2014-2018年陸續(xù)收購美國AMP、美國LINENGINEERING、瑞士TechnosoftMotionAG等外資高端品牌，公司不斷吸納核心研發(fā)技術與客戶群體，強化研發(fā)實力。2022H1，工業(yè)自動化、生化醫(yī)療、服務機器人、半導體工廠等新興高附加值領域收入增長20%、21%、50%和85%，上述領域收入同比增加1.04億元。2）深入布局空心杯電機，把握產(chǎn)業(yè)發(fā)展導向。在無刷空心杯領域，鳴志EC系列直流無刷無槽電機提供?13mm~?30mm多種規(guī)格，空載轉速達15000rpm~50000rpm；在有刷空心杯領域，鳴志DCU系列直流有刷電機提供?8mm~?24mm多種規(guī)格，空載轉速達10000rpm~16000rpm，采用空心轉子設計方案，具有高加速度、低轉動慣量、無齒槽效應、無鐵損小巧輕便等特點。公司具備AMP、TMotion兩家公司在空心杯電機領域多年的核心技術優(yōu)勢，并廣泛吸收了其客戶資源，有望在空心杯電機市場搶占先機。3）全球產(chǎn)能布局有序推進。公司上海工廠產(chǎn)能預計于22Q4遷移至太倉工廠，越南年產(chǎn)400萬臺HB步進電機項目預計23Q1開始試運行，公司生產(chǎn)效率與產(chǎn)能規(guī)模將得到有效提升。4.4

兆威機電：精密傳動行業(yè)翹楚，布局藍海前景廣闊兆威機電專注于微型驅動領域，產(chǎn)品包括微型傳動系統(tǒng)、精密注塑件和精密模具三大類。公司成立于2001年，制定了“精密微小超薄”的發(fā)展路線，2002-2004年先后成為三協(xié)、松下、三洋等企業(yè)供應商，2008年成為德國博世BOSCH汽車的認證供應商，2014年成功開發(fā)3.4mm直徑微型減速齒輪箱，2021年完成C款標準品齒輪箱的全系列升級，啟動正齒輪箱產(chǎn)品系列化的研發(fā)。目前，公司產(chǎn)品覆蓋汽車電子、通訊、醫(yī)療器械、智能家居、AI機器人等領域，重點聚焦5G商用、智慧醫(yī)療、人工智能、IOT等領域的開拓，為客戶的智能化驅動提供定制化服務。疫情下消費市場承壓，導致短期業(yè)績擾動。2021年公司實現(xiàn)營業(yè)收入11.40億元，同比下降5%；歸母凈利潤1.48億元，同比下降40%，其中微型傳動系統(tǒng)、精密注塑件和精密模具分別占比65%、30%和5%。2021年毛利率、凈利率分別為29.73%、12.94%。2022H1公司實現(xiàn)收入和歸母凈利潤4.69億元、0.55億元，分別同比-12.44%、-37.86%，主要受到智能家居、服務機器人、通訊業(yè)務板塊的負面影響；汽車電子和醫(yī)療領域分別實現(xiàn)26.77%和16.46%的正增長，為公司積極拓展的重點領域。重視基