占据 70% 以上成本——一文读懂人形机器人的核心零部件

2021 年 8 月，特斯拉 CEO 马斯克于 “人工智能日” 首次公开展示人形机器人 TeslaBot。2022 年 6 月，马斯克再次于推特称，将于 2022 年 9 月 30 日公布人形机器人原型机。

考虑到特斯拉强大的产业化能力与市场影响力，其有望拉开人形机器人产业化序幕。

根据 Marketsandmarkets 的预测，全球人形机器人市场规模（仅考虑单机）将从 2022 年 15 亿美元提升至 2027 年的 173 亿美元（约合人民币 1038 亿元），千亿市场未来可期。

近日，机器人概念在 A 股持续活跃，板块内超十多只个股涨停，东吴证券从产业链视角阐述了人形机器人的投资机会，而核心零部件在其中的重要性十分突出。

核心零部件尤为重要

人形机器人产业链主要分为上中下游三部分。

具体来看，上游为核心软硬件，硬件主要包括伺服电机、减速器、控制器、传感器等；软件包括机器视觉、人机交互、机器学习、系统控制等；

中游则是人形机器人本体制造商，国内包括优必选、北京钢铁科技、国外包括波士顿动力、美国敏捷机器人、日本丰田、本田、特斯拉等；

下游目前还未有成熟的商业应用，可能的应用场景包括迎宾接待、展厅引导、高校科研等。

从技术与成本两方面看，核心零部件的重要性尤为突出。一方面，人形机器人技术的本质是 3D 空间中高维度的感知与运动，高性能的核心零部件是实现感知与运动的基础。另一方面，成本上核心零部件也占据重要地位。

机器人核心零部件主要包括精密减速机、交流伺服电机、控制器。精密减速器是连接动力源和执行机构的中间机构，具有匹配转速和传递转矩的作用。伺服电机在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。机器人每个关节运动均需靠伺服电机驱动，以实现多自由度的运动。控制器是工业机器人的大脑，对机器人的性能起着决定性的影响。工业机器人控制器主要控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹，操作顺序及动作的时间等。

精密减速器：机器人生产中壁垒最高的零部件

精密减速器主要包括谐波减速器与 RV 减速器，但其工作原理和应用场景存在较大区别：

1）谐波减速器：由波发生器、柔轮和刚轮组成。当波发生器被放入柔轮内圆时，柔轮产生弹性变形弯曲成椭圆状，且由于柔轮外侧的刚轮比其多 2 个齿，导致柔轮长轴部分正好可以与刚轮的齿轮啮合，而短轴部分与刚轮的齿轮呈脱离状态。

2）RV 减速器：由两个减速部构成，在第一减速部中，输入轴的旋转从输入齿轮传递到直齿轮，按齿数比进行减速；在第二减速部中，有一个曲柄轴与直齿轮相连接，在曲柄轴的偏心部分，通过滚动轴承安装 RV 齿轮，曲柄轴会带动 RV 减速机做偏心运动，

从竞争格局来看，全球机器人减速器市场呈现高度集中状态，几乎被哈默纳科和纳博特斯克垄断。

国内减速器市场得益于绿的、双环等龙头的带动，近年来国产化率持续提升。根据高工机器人研究统计，谐波减速器方面，2021 年日本哈默纳科和新宝在中国的销量市占率分别同比下滑 1.5pct 和 1.6pct，绿的谐波销量市占率同比提升 3.7pct；RV 减速器方面， 2021 年纳博特斯克在中国的销量市占率同比下滑 3.0pct，双环传动销量市占率同比提升 5.75pct。从产品类型来看，技术难度相对较低的谐波减速器国产化进程相对迅速。

控制器&伺服系统：机器人实现运动功能的核心部件

机器人的运动控制主要通过控制器和伺服系统共同完成，而伺服系统主要包括伺服驱动器和伺服电机。

运动控制器是根据指令和传感信息控制机器人完成任务的装置，由控制板卡和算法控制软件组成，技术路线包括 PLC、PC-based 和嵌入式控制器三种。

控制器作为机器人的大脑，对机器人的运动性能起着决定性的影响。工业机器人控制器主要控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹，操作顺序及动作的时间等。 而对于不同类型的机器人，其控制器类型与设计方案也有所不同。

伺服系统主要包括伺服驱动器和伺服电机，是工业自动化设备的 “神经系统”。伺服行业下游应用行业随高精密设备需求的不断提升，实现了从纺织、包装、印刷等传统领域向电子设备制造、工业机器人等新兴领域的转移。

相较于通用伺服，机器人用伺服系统对性能等各方面要求更高。机器人伺服系统通常指用于多轴运动控制的精密伺服系统，其对伺服系统的反应速度、体积、性能等诸多方面均提出更高的要求。

（1）快速响应性：机器人工作节拍快，对伺服系统的反应灵敏性要求更高， 一般以伺服电机的机电时间常数的大小来反应伺服电机快速响应的性能；

（2）高负载运作：由于大型工业机器人负载量十分大，因此要求机器人的伺服电机的起动转矩大，转动惯量小，有足够的起动转矩惯量比。此外工业机器人会进行十分频繁的正反向和加减速运行，并可能在短时间内承受数倍过载；

（3）体积质量小：为配合工业机器人的体型，伺服电机必须体积小、质量小、轴向尺寸短，并且还要经受得起苛刻的，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受数倍过载。

本文主要观点来源于《人形机器人迎产业化机遇，建议关注核心零部件环节》，原文作者：东吴证券周尔双、朱贝贝