電機行業(yè)專題報告：機器人運動的“心臟”電機有望迎來廣闊空間

電機行業(yè)專題報告：機器人運動的“心臟”，電機有望迎來廣闊空間人形機器人快速進(jìn)化，電機是其重要部件人形機器人可用于日常環(huán)境，是國家科技綜合水平的重要體現(xiàn)人形機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)機器人相關(guān)技術(shù)的日趨成熟，人們對機器人技術(shù)智能化本質(zhì)的認(rèn)識日益加深。機器人技術(shù)向人類生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域的滲透。與工業(yè)機器人相對固定的作業(yè)環(huán)境不同，人形機器人通常使用于人類的日常生活環(huán)境中。人形機器人具備類似人類的感知、決策、行為以及擬人化的移動特性，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。人形機器人具有顯著的優(yōu)勢，是國家科技綜合水平的重要體現(xiàn)。人形機器人又稱仿人機器人或類人機器人，指具有人的形態(tài)和功能的機器人，具有擬人的肢體、運動與作業(yè)技能，以及感知、學(xué)習(xí)和認(rèn)知能力。人形機器人具備人類的外形特征和行動能力，可以采用雙腿行走方式，通過手臂和身體的協(xié)調(diào)完成一些簡單的功能，以及通過簡單的語言和人類交流。與傳統(tǒng)的機器人相比，人形機器人具有顯著的優(yōu)勢。人形機器人建立在多學(xué)科基礎(chǔ)之上，綜合運用機械、電氣、材料、傳感、控制和計算機來實現(xiàn)擬人化的功能，環(huán)境適應(yīng)更通用、任務(wù)操作更多元、人機交互更親和，是國際公認(rèn)的機器人技術(shù)集大成者，是一個國家科技綜合水平的重要體現(xiàn)。人形機器人發(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)機器人誕生于美國，人形機器人則以日本的研究成果最為矚目?！癛obot”（機器人）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《羅素姆的萬能機器人》中，這是一個源于捷克文“Robota”（勞役、苦工）和波蘭文“Robotnik”（工人）的新造詞，被用來形容為人類服務(wù)的機器奴隸。到了1962年，世界上第一款量產(chǎn)的實用機器人“VERSTRAN”誕生于美國，與Unimation公司生產(chǎn)的“UNIMATE”機械臂一起，成為世界上最早商用的工業(yè)機器人，由此拉開了機器人發(fā)展的序幕。而人形機器人起步于上世紀(jì)60年代后期，以日本的研究成果最為矚目。人形機器人發(fā)展歷經(jīng)四個階段，目前進(jìn)入早期產(chǎn)業(yè)化落地階段。根據(jù)中國機器人網(wǎng)、顧浩楠《人形機器人歷史沿革與產(chǎn)業(yè)鏈淺析》等，人形機器人的發(fā)展歷程主要分為四個階段：第一階段，是以早稻田大學(xué)仿人機器人為代表的早期發(fā)展階段；第二階段，是以本田仿人機器人為代表的系統(tǒng)高度集成的能力破冰階段；第三階段，是以波士頓動力仿人機器人為代表的高動態(tài)運動發(fā)展階段；第四階段是以特斯拉Optimus機器人為代表的產(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器人WABOT-1的WL-5號兩足步行機；1986年，日本本田開始進(jìn)行人形機器人ASIMO的研究，并成功于2000年發(fā)布第一代機型；2016年，美國波士頓動力公司發(fā)布雙足機器人Atlas，具有極強的平衡性和越障能力，能夠承擔(dān)危險環(huán)境搜救任務(wù)；2022年9月30日，特斯拉人形機器人“擎天柱”（Optimus）原型機正式在特斯拉AI日亮相，是目前人形機器人最前沿的代表之一。電機驅(qū)動更注重“智能”，機器人對伺服電機要求高電機驅(qū)動更注重“智能”，運動控制精度有很大保障。機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動器是雙足人形機器人關(guān)鍵部件，按動力來源可以分為液壓、氣動、電機驅(qū)動、記憶金屬、生物類(心肌細(xì)胞)等，其中電機驅(qū)動和液壓驅(qū)動是較為常見的兩種形式，如美國波士頓動力機器人主要采用高爆發(fā)液壓伺服技術(shù)，更注重“力量”；特斯拉機器人主要采用高扭矩密度電機伺服技術(shù)，更注重“智能”。電機方案的優(yōu)勢在于，在運動控制方面，其設(shè)計比液壓控制有更成熟的解決方案，處理器編碼器也相對更容易正確獲取運動狀態(tài)的實時反饋，控制精度也有很大保障，而且相較液壓成本便宜了很多。電機是機器人執(zhí)行機構(gòu)，機器人對伺服電機要求高。機器人電動伺服驅(qū)動系統(tǒng)是利用各種電動機產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動機器人本體以獲得機器人的各種運動的執(zhí)行機構(gòu)。機器人對伺服電機的要求比較高：首先要求伺服電機具有快速響應(yīng)性；其次，伺服電機的起動轉(zhuǎn)矩慣量比要大。在驅(qū)動負(fù)載的情況下，要求機器人的伺服電機的起動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動慣量??；最后，伺服電機要具有控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著控制信號的變化，電機的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化。同時為了配合機器人的體形，伺服電機必須體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。還要經(jīng)受得起苛刻的運行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運行，并能在短時間內(nèi)承受數(shù)倍過載。機器人運動的“心臟”，對運動精度起決定作用電機用以產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，是機器人的核心硬件電機用以產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，根據(jù)需要被安裝在機器人關(guān)節(jié)上控制運動。電機（俗稱“馬達(dá)”）是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實現(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)動轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機械的動力源。機器人關(guān)節(jié)是機器人的基礎(chǔ)部件，是各桿件間的結(jié)合部分，是實現(xiàn)機器人各種運動的運動副，一個關(guān)節(jié)系統(tǒng)包括驅(qū)動器、控制器和關(guān)節(jié)電機。機器人關(guān)節(jié)電機具有減速、傳動、提升扭矩功能，它被視為機器人的執(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)運動，機器人諸如行走、跑、彈跳等動作均由機器人關(guān)節(jié)電機驅(qū)動產(chǎn)生。機器人關(guān)節(jié)電機作為機器人的核心硬件，直接決定機器人的重要性能，是機器人運動的“心臟”。電機誕生于19世紀(jì)，已在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中廣泛應(yīng)用。電動機主要包括一個用以產(chǎn)生磁場的電磁鐵繞組或分布的定子繞組，和一個旋轉(zhuǎn)電樞或轉(zhuǎn)子和其它附件組成。在定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，其在電樞鼠籠式鋁框中有電流通過并受磁場的作用而使其轉(zhuǎn)動。1820年7月21日，丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了“電流的磁效應(yīng)”，建立了電磁的相互聯(lián)系。1821年英國物理學(xué)家法拉第制成了第一個實驗電動機的模型。至今，電動機已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到廣泛應(yīng)用。電機有多種類型，可與其他零部件集成減少整體體積電機有多種類型，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)特點等，電機有不同的分類，如按工作電源種類劃分，可以分為直流電機、交流電機；按結(jié)構(gòu)和工作原理劃分，可以分為直流電機、異步電機、同步電機；按用途劃分，可以分為驅(qū)動用電機、控制用電機等等。以直流電機為例，電機結(jié)構(gòu)上一般包括定子和轉(zhuǎn)子，電機工作時不轉(zhuǎn)動的部分稱為定子，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。與直流電機類似，交流電機也是由定子、轉(zhuǎn)子、機殼及其它的輔助零件組成，核心部件為定子和轉(zhuǎn)子。電機可以單獨存在，也可集成減少整體體積。電機可以作為一個單獨的零件存在，但有些時候也會和其他零件集成到一起，有利于減小整體體積，比如電動車上經(jīng)常用到三合一電驅(qū)動，是將電機、減速器、電機控制器集成到一起，減小了整體的體積和重量，提高空間利用率；在電動車上甚至有六合一電驅(qū)動（電機、減速器、電機控制器、DC/DC、充電機、配電盒）、八合一電驅(qū)動（電機、減速器、電機控制器、DC/DC、充電機、配電盒、電池管理器、整車控制器）等。特斯拉人形機器人內(nèi)置3種線性執(zhí)行器及3種旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，全身28個關(guān)節(jié)Optimus共有28個執(zhí)行器，線性及旋轉(zhuǎn)各14個。對于雙足人形機器人而言，要完成基本行走與抓取等常規(guī)動作，通常需要30~40臺直流伺服電機。同時伺服電機還需要滿足體積小，高爆發(fā)、高功率以及高密度等特點。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，主要包括無框力矩電機+行星滾柱絲杠；旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器14個，主要包括無框力矩電機+諧波減速器，合計共有28個運動關(guān)節(jié)執(zhí)行器。28個執(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個執(zhí)行器分布在：①肩部6個（旋轉(zhuǎn)×6）；②肘部2個（直線×2）；③腕部6個（旋轉(zhuǎn)×2+直線×4）；④軀干2個（旋轉(zhuǎn)×2）；⑤髖部6個（旋轉(zhuǎn)×4+直線×2）；⑥膝部2個（直線×2）；⑦踝部4個（直線×4）?？招谋姍C是靈巧手關(guān)鍵部件，具有良好的節(jié)能效果、動力性能及控制性能人形機器人手指空間狹小，空心杯電機是關(guān)鍵零部件?？招谋姍C是人形機器人靈巧手的關(guān)鍵零部件。對于人形機器人而言，其手指空間狹小，因而人形機器人手指關(guān)節(jié)需配備更多小型化且能夠輸出較大力的電機，屬于直流永磁伺服電動機的空心杯電機完美契合人形機器人對應(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器人量產(chǎn)化的企業(yè)主要采用了空心杯電機方案。效率高、轉(zhuǎn)速快、響應(yīng)快，空心杯電機具有良好的節(jié)能效果、動力性能及控制性能?？招谋姍C在結(jié)構(gòu)上突破傳統(tǒng)電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，采用了無鐵芯轉(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。同時空心杯電機重量和轉(zhuǎn)動慣量大幅降低，從而減少轉(zhuǎn)子自身的機械能損耗。由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)變化而使電機的運轉(zhuǎn)特性得到極大改善，不但具有突出的節(jié)能特點，更為重要的是具備了鐵芯電機所無法達(dá)到的控制和拖動特性?？招谋姍C為微特電機，具有突出的節(jié)能特性、靈敏方便的控制特性和穩(wěn)定的運行特性，技術(shù)優(yōu)勢明顯。作為高效率的能量轉(zhuǎn)換裝置，在很多領(lǐng)域代表了電動機的發(fā)展方向。產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加速，電機有望迎來廣闊空間AI助力+政策支持，人形機器人有望迎來歷史性發(fā)展機遇多地發(fā)布支持政策，人形機器人有望迎來歷史性發(fā)展機遇。近期多地發(fā)布政策支持人形機器人的發(fā)展，6月北京市人民政府辦公廳印發(fā)《北京市機器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動方案（2023-2025年）》提出，著眼世界前沿技術(shù)和未來戰(zhàn)略需求，加緊布局人形機器人，帶動醫(yī)療健康、協(xié)作、特種、物流四類優(yōu)勢機器人產(chǎn)品躍升發(fā)展，實施百項機器人新品工程，打造智能驅(qū)動、產(chǎn)研一體、開放領(lǐng)先的創(chuàng)新產(chǎn)品體系。上海、深圳、山東等地今年以來也都發(fā)布了關(guān)于人形機器人的支持政策，人形機器人在工業(yè)、醫(yī)療、家庭服務(wù)等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用空間，隨著各項重磅政策接踵而至，人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈或迎來歷史性發(fā)展機遇。具身智能時代開啟，AI助力人形機器人向前邁進(jìn)。人形機器人作為通用機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。AI大模型在機器人任務(wù)中主要扮演了推理決策的角色，將人類給出的自然語言指令拆解為機器人可執(zhí)行的步驟。多模態(tài)的AI大模型補全了機器人核心的推理決策能力，有望助力人形機器人走向通用之路。核心零部件是人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈主要上游，電機成本占比較高產(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)機器人技術(shù)要求更高。人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈主要包括上游的核心零部件，例如無框力矩電機、空心杯電機、傳感器、專用芯片等；中游為機器人本體制造，包括設(shè)計、制造、測試三大環(huán)節(jié)；下游為人形機器人應(yīng)用領(lǐng)域，包括工業(yè)制造、倉儲物流、醫(yī)療服務(wù)、商業(yè)服務(wù)、家庭使用等。從技術(shù)上來看，相較于常規(guī)機器人，人形機器人涉及學(xué)科廣泛，技術(shù)更加復(fù)雜，對機械結(jié)構(gòu)和執(zhí)行器、控制系統(tǒng)、傳感器、人工智能、人機交互、能源管理、機器視覺等核心技術(shù)都有著極高的要求。核心零部件是人形機器人的重要支撐，電機在核心零部件中占比較高。核心零部件供給是未來機器人產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展的重要支撐，人形機器人三