人工智能皇冠上的明珠-人形机器人

      人形机器人是一种拥有人形外观、具备人类特征，以代替或辅助人类工作的机器人产品，主要包括智能感知部分如芯片，传感器及软件控制系统；执行运动机构主要是躯体的旋转机构、线性机构和灵巧手机构等；结构功能件部分如身体骨架外壳，电池、通信及相关线束器件等。

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       目前比较出名的人形机器人有如下几类：‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

1、本田（日本）/ ASIMO

2、波士顿动力（美国）/ ATLAS

3、优必选（中国）/ WALKER

4、软银（日本）Pepper/Engineered Arts（英国）Ameca/Agility Robotics（美国）Digit

通过以上典型的机器人了解，我们也对比了核心人形机器人参数对比如下：

5、随着小米和特斯拉逐步发布了各自的人形机器人产品，目前典型三类人形机器人路线对比有如下三类：

     随着ChatGPT的应用逐渐深入，企业对AI+机器人的布局持续火热，就连英伟达黄仁勋也不段发声，具人智能是AI的下一个浪潮，在此有必要抽丝剥茧好好探究人形机器人的价值量到底含金几何，下表是针对以特斯拉optimus人形机器人构成和价值量预估（参考国金证券的价值分析）‍

1、特斯拉optimus人形机器人部件成本预估

2，主要机构功能说明

1）旋转执行机构

特斯拉Optimus全身预计使用14个旋转执行器，由无框电机、谐波减速器、力矩传感器、编码器、角接触轴承、交叉滚子轴承构成，其中无框电机、谐波减速器、力矩传感器占成本比重较大。参考阿里1688网站部分公司的报价，国产无框电机产品单价在1000-2000元左右，谐波减速器2000-5000元左右，力矩传感器500元左右。

2）线性关节结构

特斯拉人形机器人线性关节由无框电机、反式滚珠丝杠和行星滚柱丝杠、力矩传感器、位置传感器（编码器）、球轴承和四点接触球轴承构成。 根据特斯拉披露的参数推测，特斯拉Optimus全身预计使用14个线性执行器。线性执行器最多可提升一台九英寸三角钢琴，提升能力优异。行星滚柱丝杠具有高承载能力强、高强度、高精度、寿命长的优势特点，但结构较为复杂，加工难度高，因而在零部件成本中占比较高。参考阿里1688网站部分公司的报价，瑞士ROLLVIS行星滚柱丝杠产品售价在2万元/套左右，国产博特精工相关产品约1900元/套。

3）手部执行机构

灵巧手采用六电机布局方式：大拇指采用双电机用于驱动弯曲和侧摆，其余四根手指各安装一个电机用于驱动动作。因此，Optimus双手共有12个执行器，算上其他部位，特斯拉机器人全身执行器数量为40个。

空心杯电机是灵巧手的核心部件。空心杯电机具有尺寸小、功率低、控制性能好、稳定性高等特点，是典型的微特电机。空心杯电机能够满足人形机器人灵巧手的设计和技术要求。

3，核心功能部件分析

1）控制电机

空心杯电机与无框力矩电机是人形机器人常用零部件，空心杯电机是采用了空心杯绕线技术的直流有刷或者直流无刷电机，属于伺服电机的一种，适用于灵巧手；无框力矩电机是一种无框架式的无刷永磁同步电机，适用于旋转关节和线性关节。

无框力矩电机：用于旋转/线性关节，此前已应用于协作机器人

无框力矩电机相较于传统电机没有轴、轴承、外壳或端盖，只有转子和定子。转子通常是内部部件，由带永磁体的旋转钢圆环组件构成，直接安装在机器轴上。定子是外部部件，齿轮外部环绕钢片和铜绕组，以产生紧密攀附在机器壳体内的电磁力。无框力矩电机具有结构紧凑、单位扭矩大、易维护、静音等优势。

无框力矩电机已在协作机器人应用，国内步科股份居于领先地位。美国科尔摩根是无框电机领域龙头。国内企业步科股份较早开展无框力矩电机产品研究，目前公司第三代无框力矩电机产品可以对标国际领先产品，部分型号具备一定优势。昊志机电开发的无框力钜电机的力矩控制、过载能力等性能优秀，显著加强机器人力矩控制和负载水平能力，国产厂家已有成品具备一定竞争实力。

空心杯电机

    空心杯电机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用了无铁芯转子。这种新颖的转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，同时取消冲片齿槽结构和铁芯的设计减少了电机运行时的磁阻力矩，降低了输出转矩波动，使空心杯电机具有低能耗、高效率、高稳定性和控制性的特点，加上其尺寸小结构紧凑，常用于机器人灵巧手部位。

空心杯电机分为有刷和无刷空心杯2种，无刷因噪音小、寿命长、易维护等特点是趋势。

2）减速机

机器人关节减速器的工作原理是利用齿轮传动的原理，将电机的高速旋转转换为机器人关节的低速高扭矩旋转。具体来说，机器人关节减速器由输入轴、输出轴、齿轮组、壳体等部分组成。电机通过输入轴带动齿轮组旋转，齿轮组中的轮逐级传动，最终带动输出轴旋转，从而实现机器人关节的运动。

精密减速器可划分为谐波减速器、RV 减速器、精密行星减速器

谐波齿轮减速机各厂商市占率图示

行星减速机各厂商市占率图示

2021年RV减速机对应国内市场占有率图示

3）行星滚柱丝杠

    行星滚柱丝杠主要依靠多个滚柱与丝杠、螺母之间的螺纹啮合传动来传递动力，具有承载能力强、轴向刚度大、传动效率高、使用寿命长、动态性能好、适用性强和安装维护方便、自锁性能好等诸多优点。

    国外行业巨头瑞典SKF、瑞士Rollvis、德国Schaeffler、瑞士GSA等公司已经形成了相对成熟的行星滚柱丝杠产品系统，并在精度等级、润滑维护、应用平台等方面形成了理论体系，基本在行星滚柱丝杠领域形成了技术垄断，国内以鼎智科技、秦川机床等为代表的国内企业已具备小规模的生产研发能力。

4）轴承

角接触球轴承和交叉滚子轴承是人形机器人关节的常用轴承。

    角接触球轴承的主要特点是在其构造中使用了球形滚动物来支撑轴承的旋转，并且球和内外圈之间的接触点是角接触点。角接触球轴承可同时承受径向负荷和轴向负荷，能在较高的转速下工作。

    交叉滚子轴承具有独特的结构，滚子垂直排列并以90度相互交叉，它们之间装有垫片或分离器以防止倾斜、摩擦或锁定，可以有效降低旋转扭矩。交叉滚子轴承具有高精度、高刚性、大承载、小空间的特点，被广泛用于搬运机器人、精密机床、工业机械等领域。

    国内厂商力星股份是我国轴承滚动体领先制造商，五洲新春是知名轴承制造企业，已为部分国内机器人减速器厂商送样。

5）传感器

    传感器是一种检测装置，能够感受被测量的信息并将其转化成可用的信息输出。传感器之于机器人相当于人类各感知器官，机器人通过各类传感器识别内外部信息，并作出判断和下一步动作。

    传感器按检测对象可划分为内部传感器和外部传感器。内部传感器用以感知机器人的内部状态，包括位置传感器、速度传感器、力传感器和平衡传感器。外部传感器用于测量机器人外部环境及状态，包括视觉传感器、触觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器和味觉传感器

作为记录和学习的第一阶段汇总如上资料，关于各类型部件的行业公司和投资价值分析请参考后续文章

注释说明：

本文参考国金证券、华西证券和东吴证券公开发表的研报内容，如有侵权请及时练习告知我进行删除