人形機器人行業(yè)專題分析

人形機器人行業(yè)專題分析重點關注絲杠、絲杠設備及傳感器環(huán)節(jié)的投資機會絲杠是實現旋轉運動與直線運動相互轉化的傳動機構，行星滾柱絲杠為最優(yōu)異品類滾動功能部件是以滾動摩擦為特征，由具有傳動、定位、導向、分度等功能組成的零部件群，主要包括滾珠絲杠副及滾動直線導軌副。行星滾柱絲杠是綜合性能最優(yōu)異的絲杠品類。絲杠是一種傳動機構，可實現旋轉運動與直線運動的相互轉化，目前常見的絲杠品種包括梯形絲杠、滾珠絲杠與行星滾柱絲杠。梯形絲杠通過滑動摩擦來傳動，價格低，但傳動效率等性能較弱，多用于工作要求低的場景；滾珠絲杠內置滾珠，通過滾珠的滾動摩擦實現傳動，傳動精度與傳動效率高；行星滾柱絲杠通過滾柱與絲杠、螺母的螺紋嚙合進行傳動，承載力強，并兼具強工況適應性、小體積、長壽命等優(yōu)勢，是綜合性能最優(yōu)異的絲杠品類。人形機器人產業(yè)進程提速打開絲杠成長空間，高端絲杠國產替代進行時絲杠應用范圍廣闊，機床是最主要場景，人形機器人產業(yè)化落地打開絲杠成長空間。絲杠承擔傳動、定位的職能，具備一定通用品屬性，在機床、航空航天、汽車等多個領域均有應用，其中機床是最主要且精度要求最高的應用場景。人形機器人是具身智能的優(yōu)秀物理載體，有望替代人類從事危險、重復、無聊的工作，具有廣闊的發(fā)展前景。特斯拉人形機器人主要采用執(zhí)行器對關節(jié)進行驅動，其中線性執(zhí)行器采用反式行星滾柱絲杠方案，它具有結構緊湊、承載力大等特點。國內廠商在中低端絲杠市場占據一席之地，但高端絲杠市場仍由海外廠商主導。國內廠商在絲杠領域的研究顯著晚于海外，高端絲杠在產品性能、生產一致性等方面落后于海外競手。根據金屬加工公眾號及《E公司滾柱絲杠產品營銷策略研究》，南京工藝、漢江機床等中國大陸廠商在國內中低端滾珠絲杠市場占據30%份額，但國內高端滾珠絲杠及行星滾柱絲杠市場仍由日德等海外廠商主導。絲杠制備方案：磨削工藝精度高但效率低，旋風銑工藝效率高，發(fā)展前景廣闊磨制工藝是絲杠傳統(tǒng)加工方案。行星滾柱絲杠與滾珠絲杠具有相似的物理結構，制備方式也大體相似。根據《行星滾柱絲杠設計》，絲杠、滾柱、螺母螺紋的制備工藝過程總體類似，均采用粗車+精磨結合的形式，制備流程包括鍛壓、車削、車螺紋、熱處理、磨削等。滾柱加工過程中，在加工螺紋后還需采用滾齒加工兩端齒輪。反式絲杠螺母加工方案包括干涉磨削、軟軸磨、內螺紋旋風銑：干涉磨削通過設計特殊砂輪加工滾道，效率較低且限制條件多，并未廣泛應用；軟軸磨是將桿子穿插于砂輪中，持續(xù)調整二者角度從而磨削；內螺紋旋風銑是德國主流加工方案，國內尚未突破。磨制工藝可加工高精度絲杠，但生產效率低。純磨削工藝具有強通用性，可加工不同種類、形狀的絲杠與高精度絲杠。但磨削工藝耗時長，生產效率低。傳統(tǒng)磨削工藝中的螺紋磨削工序包括粗磨螺紋、螺紋底溝磨削、精磨螺紋等，耗時全流程的2/3，磨削過程中需要不斷調整砂輪并校直絲杠。此外，粗磨過程中的高進給量會導致工件表面升溫，需要退火等工序。旋風銑工藝加工效率高，滲透率或逐步提升。旋風銑工藝下，刀盤繞圓柱工件高速旋轉，走刀切出螺紋，飛出的切屑帶走大量熱能，從而減少工件熱變形程度。其可將螺紋滾道一次成型銑削，所需工序更少，減少修整砂輪、人工校直的時間，根據德國萊斯特瑞茲機械公眾號，旋風銑工藝的加工效率是磨削工藝的3-5倍。但目前旋風銑床但旋風銑設備依賴進口且售價昂貴，旋風銑工藝也不適宜加工異形絲杠。此外，若絲杠精度要求較高，還需使用磨床對滾道進行精磨。軋制工藝生產效率高，但精度低。軋制工藝下，使用軋制機將金屬胚料通過一對旋轉軋輥間隙，通過擠壓軋制出螺紋滾道。其具有生產效率高、經濟性佳等優(yōu)勢，但軋制工藝制備的絲杠精度較低，無法加工高精度絲杠。螺紋磨床及旋風銑床為絲杠制備的核心設備，亟待國產替代螺紋磨床是加工高精度絲杠的剛需設備。絲杠制備方案存在一定差異，但若要制備高精度絲杠，對螺紋滾道進行精密磨削的螺紋磨床必不可少。螺紋磨床下游應用場景包括滾動功能部件、工業(yè)機器人、汽車等領域。目前高端磨床市場仍由海外主導，根據《精密滾珠絲杠機械加工工藝規(guī)程研究》，國產磨床可以滿足C3-C4精度的中端絲杠加工,但批量加工更高精度絲杠時，出品不穩(wěn)定。目前磨床行業(yè)玩家可分三類：第一類為以斯圖特、三井精機等為代表的海外磨床企業(yè)，其技術布局早，產品面向中高端市場。第二類為秦川機床、上海機床廠等為代表的老牌國有企業(yè)。第三類為宇環(huán)數控、華辰裝備等為代表的民營企業(yè)，其在部分細分領域占重要地位。旋風銑床是旋風銑工藝下的核心設備，國內相關供應商較少。旋風銑工藝下的核心設備為旋風銑床，領先廠商包括德國Leistritz、德國Burgsmuller等，國內生廠商相對較少。根據《大型數控外螺紋旋風銑床的設計開發(fā)》，南京工藝、寧波海天等國內廠商的數控螺紋旋風銑床均采購自德國Leistritz。六維力傳感器提升人形機器人柔順控制能力六維力傳感器廣泛用于汽車、航空航天等領域，可為機器人提供更精準的力感信息，提升其柔順控制水平。力傳感器是將力的量值轉換為電信號的器件。根據感力原件的不同，傳感器可分為應變式/光學式/壓電/電容式力傳感器，目前市場主要應用應變式方案，其他方案有一定理論研究，但尚未廣泛應用。根據測量維度不同，傳感器可分為一至六維力傳感器，其中六維力傳感器壁壘最高，性能最優(yōu)異。目前六維力/力矩傳感器主要應用于機器人、汽車、航空航天、生物醫(yī)學等領域。六維力/力矩傳感器或應用于人形機器人的手、足部位，為機器人的力控制和運動控制提供力感信息，助力其提升柔順化、智能化控制水平。我國六維力傳感器市場規(guī)模較小，未來或維持高增。根據GGII，2022年我國六維力/力矩傳感器市場規(guī)模同比增52%至2.39億元，其中來自機器人的需求規(guī)模達1.56億元。未來隨著應用領域拓展疊加入局者增加，預計到2027年，我國六維力/力矩傳感器市場將以超45%的CAGR增至超15億元，產品矩陣及單價或進一步優(yōu)化。電機為機器人力量之源，國產替代加速推進旋轉關節(jié)總覽：無框力矩電機+諧波減速器+力矩傳感器+編碼器旋轉執(zhí)行器由永磁無刷電機+諧波減速器+雙編碼器+力矩傳感器+軸承+機械離合組成；旋轉過程如下：1）電機帶動轉子（永磁體）運動2）其動力通過諧波減速器提升扭矩，降低轉速3）諧波減速器通過交叉滾子軸承傳遞相應的力；4）無接觸力矩傳感器負責測量輸出扭矩并反饋；輸入/輸出位置傳感器負責測量位置和速度并反饋。直線關節(jié)總覽：無框力矩電機+行星滾珠絲杠+力傳感器+編碼器直線執(zhí)行器由無框力矩電機+行星滾珠絲杠+力傳感器+編碼器+軸承組成；過程如下：1）電機帶動螺母旋轉2）行星滾珠絲杠把旋轉運動轉化為直線運動3）絲杠通過球軸承傳遞相應的力；4）無接觸力矩傳感器負責測量輸出力矩并反饋；輸入/輸出位置傳感器負責測量位置和速度并反饋。無框力矩電機：更滿足機器人高效率高動態(tài)要求無框力矩電機：具有緊湊度高+高效率+低噪音+高穩(wěn)定性優(yōu)點：1）極高的剛度：無框力矩電機可以做為直驅動力源，它不需要皮帶和皮帶輪，絲桿或齒輪箱，就能直驅負載。2）效率高：由于無框力矩電機直接集成到機器的結構中，降低了風摩損失，因此效率高。3）靜音：由于無框力矩電機直接集成到機器的結構中，帶來了明顯的靜音效果。4）穩(wěn)定性高、低維護性?？傮w更滿足機器人要求的高效率/高動態(tài)/高功率密度要求。無框力矩電機：國內廠商企業(yè)起步晚，仍屬二線梯隊無框力矩核心壁壘在于磁路設計和工藝制備。以美國科爾摩根公司產品為例，其轉矩密度可達1.1Nm/kg-2.5Nm/kg,齒槽轉矩及轉矩脈動較低,主要是采用分數槽分布繞組的少極多槽的方案。國內步科股份、昊志機電等產品由于起步較晚，主要在轉矩密度參數上有差異。伺服電機：滿足機器人快速響應、高精度執(zhí)行要求伺服電機：由緊湊電機+驅動+編碼器+控制器構成，廣泛用于機器人關節(jié)部位，需求量較大。具有高響應速度、高精度控制、性能穩(wěn)定、過載能力強等優(yōu)點：1）高響應速度：從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。2）控制精度高：電機軸后端的旋轉編碼器保證控制精度。3）性能穩(wěn)定：伺服電機為閉環(huán)控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，控制性能更為可靠。4）過載能力強：具有速度過載和轉矩過載能力，最大轉矩為額定轉矩的2-3倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩?？傮w更滿足機器人要求的快速響應，高精度執(zhí)行，性能更穩(wěn)定，具備較強過載能力要求。人形機器人，具身智能發(fā)展的理想最終形態(tài)大模型賦予機器能理解、會思考、有效輔助的能力通用大模型推動機器由感知走向認知，形成感知、決策、控制閉環(huán)。1）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，更通用、易用；2）多模態(tài)大模型增強模型對現實中對象的理解，賦予機器能理解、會思考、有效輔助的能力。人形機器人為具身智能發(fā)展的理想終極形態(tài)?！熬呱碇悄堋笔腔跈C器與物理世界的交互，創(chuàng)建軟硬件結合、可自主學習進化的智能體，其智能行為可以被具有對應形態(tài)的智能體通過適應環(huán)境的方式學習到。機器人進化路徑：從固定到移動，從獨立到協(xié)作，從單一到通用。人形機器人將作為通用機器人的代表和具身智能的絕佳載體。機器人集成眾多計算機前沿技術，智能能力加速發(fā)展機器人相較其他智能終端，所涉及的計算機應用技術范圍更廣、更深。機器人涉及計算機視覺、語音識別、生物識別、自然語言處理、機器學習、人機交互等前沿技術，隨著智能算力、算法的的不斷迭代提升，發(fā)展呈現加速態(tài)勢。機器人基礎軟件主要包括AI操作系統(tǒng)以及中間件，中游的開發(fā)及管理平臺。大模型將不斷推動機器人開發(fā)、操作、管理簡化，推動機器人走向更廣闊的通用市場。多模態(tài)大模型是提升機器人感知與交互的關鍵ChatGPT推動機器人由工程師參與循環(huán)演進為用戶參與循環(huán)。ChatGPT通過對人類的自然語言指令進行拆解，輸出為計算機指令。同時，可以不斷根據操作反饋進行迭代學習。2023年3月，Google發(fā)布PaLM-E模型，不需要對場景進行預處理，進一步提升了泛化能力；2023年7月，Google發(fā)布視覺語言-動作（VLA）的機器人模型RT-2，實現從網絡及機器人數據中不斷學習。國內通用大模型亦在快速迭代，疊加國外開源模型以及實踐，產業(yè)發(fā)展預期加速。機器人廠商算法能力各具優(yōu)勢，認知核心算法采用自研與智車類似，感知及控制算法需要與硬件廠商建立緊密合作。機器人OEM廠商的感知及運控方案較為多元，軟件算法為自研與外采相結合，在開發(fā)過程中需要與硬件廠商進行較為緊密的合作。從機器人自由度來看，特斯拉Optimus運動規(guī)劃算法較為復雜。認知與決策算法為各廠商中長期競爭核心差異所在，多采取自研。特斯拉采取與汽車一脈相承的FSD神經網絡算法。認知模塊相當于人類的大腦，為各廠商體現其智能化水平的核心。產業(yè)+技術協(xié)同，汽車產業(yè)鏈助人形機器人加快成長行業(yè)邏輯相似，汽車產業(yè)鏈助力機器人成長新能源汽車和機器人設計制造具有眾多相似之處：1）市場規(guī)模層面：人形機器人與汽車一樣市場空間廣闊，未來人形機器人有望成為和汽車一樣對企業(yè)和家庭重要產品，未來人形機器人或像汽車一樣成為家庭標配。2）零部件層面：人形機器人與智能汽車一樣需要搭載傳感器、人工智能芯片和電池等相關配置，且該類先進配置在新能源汽車快速發(fā)展中已得到快速提高，汽車產業(yè)發(fā)展助力人形機器人產業(yè)發(fā)展。3）產業(yè)特點層面：人形機器人零部件與汽車零部件企業(yè)類似，具備成本高、門檻高、對研發(fā)及大規(guī)模量產能力高等要求，汽車產業(yè)鏈助力機器人產業(yè)成長。機器人市場大空間+高價值，開啟特斯拉第二成長曲線人形機器人需求巨大，開啟特斯拉第二增長曲線：2021年8月在特斯拉AI日上，馬斯克公布了特斯拉人形機器人項目，馬斯克對機器人的市場定位是替代人類去做一些有危險或重復枯燥的勞動。馬斯克曾表示人形機器人市場需求可能會達到100億至200億臺，