佔據 70% 以上成本——一文讀懂人形機器人的核心零部件

2021 年 8 月，特斯拉 CEO 馬斯克於 “人工智能日” 首次公開展示人形機器人 TeslaBot。2022 年 6 月，馬斯克再次於推特稱，將於 2022 年 9 月 30 日公佈人形機器人原型機。

考慮到特斯拉強大的產業化能力與市場影響力，其有望拉開人形機器人產業化序幕。

根據 Marketsandmarkets 的預測，全球人形機器人市場規模（僅考慮單機）將從 2022 年 15 億美元提升至 2027 年的 173 億美元（約合人民幣 1038 億元），千億市場未來可期。

近日，機器人概念在 A 股持續活躍，板塊內超十多隻個股漲停，東吳證券從產業鏈視角闡述了人形機器人的投資機會，而核心零部件在其中的重要性十分突出。

核心零部件尤為重要

人形機器人產業鏈主要分為上中下游三部分。

具體來看，上游為核心軟硬件，硬件主要包括伺服電機、減速器、控制器、傳感器等；軟件包括機器視覺、人機交互、機器學習、系統控制等；

中游則是人形機器人本體制造商，國內包括優必選、北京鋼鐵科技、國外包括波士頓動力、美國敏捷機器人、日本豐田、本田、特斯拉等；

下游目前還未有成熟的商業應用，可能的應用場景包括迎賓接待、展廳引導、高校科研等。

從技術與成本兩方面看，核心零部件的重要性尤為突出。一方面，人形機器人技術的本質是 3D 空間中高維度的感知與運動，高性能的核心零部件是實現感知與運動的基礎。另一方面，成本上核心零部件也佔據重要地位。

機器人核心零部件主要包括精密減速機、交流伺服電機、控制器。精密減速器是連接動力源和執行機構的中間機構，具有匹配轉速和傳遞轉矩的作用。伺服電機在自動控制系統中，用作執行元件，把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。機器人每個關節運動均需靠伺服電機驅動，以實現多自由度的運動。控制器是工業機器人的大腦，對機器人的性能起着決定性的影響。工業機器人控制器主要控制機器人在工作空間中的運動位置、姿態和軌跡，操作順序及動作的時間等。

精密減速器：機器人生產中壁壘最高的零部件

精密減速器主要包括諧波減速器與 RV 減速器，但其工作原理和應用場景存在較大區別：

1）諧波減速器：由波發生器、柔輪和剛輪組成。當波發生器被放入柔輪內圓時，柔輪產生彈性變形彎曲成橢圓狀，且由於柔輪外側的剛輪比其多 2 個齒，導致柔輪長軸部分正好可以與剛輪的齒輪齧合，而短軸部分與剛輪的齒輪呈脱離狀態。

2）RV 減速器：由兩個減速部構成，在第一減速部中，輸入軸的旋轉從輸入齒輪傳遞到直齒輪，按齒數比進行減速；在第二減速部中，有一個曲柄軸與直齒輪相連接，在曲柄軸的偏心部分，通過滾動軸承安裝 RV 齒輪，曲柄軸會帶動 RV 減速機做偏心運動，

從競爭格局來看，全球機器人減速器市場呈現高度集中狀態，幾乎被哈默納科和納博特斯克壟斷。

國內減速器市場得益於綠的、雙環等龍頭的帶動，近年來國產化率持續提升。根據高工機器人研究統計，諧波減速器方面，2021 年日本哈默納科和新寶在中國的銷量市佔率分別同比下滑 1.5pct 和 1.6pct，綠的諧波銷量市佔率同比提升 3.7pct；RV 減速器方面， 2021 年納博特斯克在中國的銷量市佔率同比下滑 3.0pct，雙環傳動銷量市佔率同比提升 5.75pct。從產品類型來看，技術難度相對較低的諧波減速器國產化進程相對迅速。

控制器&伺服系統：機器人實現運動功能的核心部件

機器人的運動控制主要通過控制器和伺服系統共同完成，而伺服系統主要包括伺服驅動器和伺服電機。

運動控制器是根據指令和傳感信息控制機器人完成任務的裝置，由控制板卡和算法控制軟件組成，技術路線包括 PLC、PC-based 和嵌入式控制器三種。

控制器作為機器人的大腦，對機器人的運動性能起着決定性的影響。工業機器人控制器主要控制機器人在工作空間中的運動位置、姿態和軌跡，操作順序及動作的時間等。 而對於不同類型的機器人，其控制器類型與設計方案也有所不同。

伺服系統主要包括伺服驅動器和伺服電機，是工業自動化設備的 “神經系統”。伺服行業下游應用行業隨高精密設備需求的不斷提升，實現了從紡織、包裝、印刷等傳統領域向電子設備製造、工業機器人等新興領域的轉移。

相較於通用伺服，機器人用伺服系統對性能等各方面要求更高。機器人伺服系統通常指用於多軸運動控制的精密伺服系統，其對伺服系統的反應速度、體積、性能等諸多方面均提出更高的要求。

（1）快速響應性：機器人工作節拍快，對伺服系統的反應靈敏性要求更高， 一般以伺服電機的機電時間常數的大小來反應伺服電機快速響應的性能；

（2）高負載運作：由於大型工業機器人負載量十分大，因此要求機器人的伺服電機的起動轉矩大，轉動慣量小，有足夠的起動轉矩慣量比。此外工業機器人會進行十分頻繁的正反向和加減速運行，並可能在短時間內承受數倍過載；

（3）體積質量小：為配合工業機器人的體型，伺服電機必須體積小、質量小、軸向尺寸短，並且還要經受得起苛刻的，可進行十分頻繁的正反向和加減速運行，並能在短時間內承受數倍過載。

本文主要觀點來源於《人形機器人迎產業化機遇，建議關注核心零部件環節》，原文作者：東吳證券周爾雙、朱貝貝