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人形機器人通常用于日常生活環(huán)境，協(xié)助人類完成復雜和多樣的工作。隨著工業(yè)機器人相關技術的日趨成熟，人們對機器人技術智能化本質的認識日益加深。機器人技術向人類生產、生活的各個領域的滲透。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。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、學習和認知能力。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科基礎之上，綜合運用機械、電氣、材料、傳感、控制和計算機來實現擬人化的功能，環(huán)境適應更通用、任務操作更多元、人機交互更親和，是國際公認的機器人技術集大成者，是一個國家科技綜合水平的重要體現。人形機器人發(fā)展歷史：日本最先研究，目前進入早期產業(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的機器奴隸。到了1962年，世界上第一款量產的實用機器人“VERSTRAN”誕生于美國，與Unimation公司生產的“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)展歷經四個階段，目前進入早期產業(yè)化落地階段。根據中國機器人網、顧浩楠《人形機器人歷史沿革與產業(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，能夠承擔危險環(huán)境搜救任務；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。電機驅動更注重“智能”，機器人對伺服電機要求高電機驅動更注重“智能”，運動控制精度有很大保障。機器人關節(jié)驅動器是雙足人形機器人關鍵部件，按動力來源可以分為液壓、氣動、電機驅動、記憶金屬、生物類(心肌細胞)等，其中電機驅動和液壓驅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，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，更注重“智能”。電機方案的優(yōu)勢在于，在運動控制方面，其設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，機器人對伺服電機要求高。機器人電動伺服驅動系統(tǒng)是利用各種電動機產生的力矩和力，直接或間接地驅動機器人本體以獲得機器人的各種運動的執(zhí)行機構。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性；其次，伺服電機的起動轉矩慣量比要大。在驅動負載的情況下，要求機器人的伺服電機的起動轉矩大，轉動慣量??；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、質量小、軸向尺寸短。還要經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數倍過載。機器人運動的“心臟”，對運動精度起決定作用電機用以產生驅動轉矩，是機器人的核心硬件電機用以產生驅動轉矩，根據需要被安裝在機器人關節(jié)上控制運動。電機（俗稱“馬達”）是指依據電磁感應定律實現電能轉換或傳遞的一種電磁裝置。在電路中用字母M表示，它的主要作用是產生驅動轉矩，作為用電器或各種機械的動力源。機器人關節(jié)是機器人的基礎部件，是各桿件間的結合部分，是實現機器人各種運動的運動副，一個關節(jié)系統(tǒng)包括驅動器、控制器和關節(jié)電機。機器人關節(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，根據需要被安裝在各關節(jié)上控制關節(jié)運動，機器人諸如行走、跑、彈跳等動作均由機器人關節(jié)電機驅動產生。機器人關節(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，已在工業(yè)生產和日常生活中廣泛應用。電動機主要包括一個用以產生磁場的電磁鐵繞組或分布的定子繞組，和一個旋轉電樞或轉子和其它附件組成。在定子繞組旋轉磁場的作用下，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動。1820年7月21日，丹麥物理學家奧斯特發(fā)現了“電流的磁效應”，建立了電磁的相互聯(lián)系。1821年英國物理學家法拉第制成了第一個實驗電動機的模型。至今，電動機已經在工業(yè)生產和日常生活中得到廣泛應用。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，一般包括定子和轉子?；诓煌木S度，如使用范圍、結構特點等，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；按結構和工作原理劃分，可以分為直流電機、異步電機、同步電機；按用途劃分，可以分為驅動用電機、控制用電機等等。以直流電機為例，電機結構上一般包括定子和轉子，電機工作時不轉動的部分稱為定子，而始終處于旋轉狀態(tài)的部分稱為轉子。轉子是直流電機能夠進行兩種能量轉換的核心樞紐，因此轉子也稱為電樞。與直流電機類似，交流電機也是由定子、轉子、機殼及其它的輔助零件組成，核心部件為定子和轉子。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，比如電動車上經常用到三合一電驅動，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動（電機、減速器、電機控制器、DC/DC、充電機、配電盒）、八合一電驅動（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置3種線性執(zhí)行器及3種旋轉執(zhí)行器，全身28個關節(jié)Optimus共有28個執(zhí)行器，線性及旋轉各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）內置3種線性執(zhí)行器及3種旋轉執(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2022特斯拉AIday的展示，28個執(zhí)行器分布在：①肩部6個（旋轉×6）；②肘部2個（直線×2）；③腕部6個（旋轉×2+直線×4）；④軀干2個（旋轉×2）；⑤髖部6個（旋轉×4+直線×2）；⑥膝部2個（直線×2）；⑦踝部4個（直線×4）。空心杯電機是靈巧手關鍵部件，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，空心杯電機是關鍵零部件?？招谋姍C是人形機器人靈巧手的關鍵零部件。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手指關節(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化的企業(yè)主要采用了空心杯電機方案。效率高、轉速快、響應快，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在結構上突破傳統(tǒng)電機的轉子結構形式，采用了無鐵芯轉子，也叫空心杯型轉子，這種新穎的轉子結構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動慣量大幅降低，從而減少轉子自身的機械能損耗。由于轉子結構變化而使電機的運轉特性得到極大改善，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到的控制和拖動特性。空心杯電機為微特電機，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，技術優(yōu)勢明顯。作為高效率的能量轉換裝置，在很多領域代表了電動機的發(fā)展方向。產業(yè)化進程加速，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)勢機器人產品躍升發(fā)展，實施百項機器人新品工程，打造智能驅動、產研一體、開放領先的創(chuàng)新產品體系。上海、深圳、山東等地今年以來也都發(fā)布了關于人形機器人的支持政策，人形機器人在工業(yè)、醫(yī)療、家庭服務等領域具有巨大應用空間，隨著各項重磅政策接踵而至，人形機器人產業(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。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業(yè)鏈主要上游，電機成本占比較高產業(yè)鏈包括上游零部件、中游本體及下游應用，相比常規(guī)機器人技術要求更高。人形機器人產業(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，包括設計、制造、測試三大環(huán)節(jié)；下游為人形機器人應用領域，包括工業(yè)制造、倉儲物流、醫(yī)療服務、商業(yè)服務、家庭使用等。從技術上來看，相較于常規(guī)機器人，人形機器人涉及學科廣泛，技術更加復雜，對機械結構和執(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業(yè)規(guī)?；l(fā)展的重要支撐，人形機器人三