机器人行业产业深度(六)：机器人的关节高效电机

产业深度 产业研究中心 2023.11.29 作者：肖群稀 电话：0755-23976830 邮箱：xiaoqunxi027589@gtjas.com资格证书编号：S0880522120001 作者：鲍雁辛 电话：0755-23976830 邮箱：baoyanxin@gtjas.com 资格证书编号：S0880513070005 机器人产业深度（六）：机器人的关节——高效电机 摘要： 人形机器人关节电机的三个关键需求：高效率、高动态和高功率密度。①高效率：低能耗和低摩擦损失很重要，因为机器人通常由电池供电，能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，能在短时间内承受过载。②高动态：整个驱动器的惯性应尽可能低，电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。③高功率密度：机器人应用需要高速、高扭矩电机，电机需要小巧，紧凑，轻巧。由于应用需求场景不同，将人形机器人关节与工业机 器人、协作机器人关节进行对比优劣没有可比性。工业机器人对精度、寿命要求高，更适合采用 往期回顾 机器人产业深度（五）：机器人的触觉— —六维力矩传感器 2023.09.15 制造业数字化转型投资框架：迈入工业数字化时代 2023.06.25 机器人产业深度（四）：机器人的眼睛— —3D工业视觉 2023.08.20 机器人产业深度（三）：机器人的关节— —精密执行器 2023.06.25 机器人产业深度（二）：AI大模型赋能人形机器人，迈向通用人工智能的一大步 2023.05.19 机器人产业深度（一）：机器人产业：技术奇点靠近，需求拐点来临 2023.03.05 伺服电机；人形机器人对控本、提效、力矩和运转稳定的诉求更强，更适合采用力矩无框电机。 力矩电机相对于伺服电机能提供更加稳定的力矩和运转速度，且由于不需要使用齿轮减速箱，能够有效降低其成本和体积，减少误差及提升效率，更能够满足人形机器人的需求。①提供稳定的力矩和运转速度，利于人形机器人的大范围推广及长期使用。②不需要使用齿轮减速箱，减少人形机器人部件的数量，从而最大限度降低其成本和体积。③维护更加简单，可靠性更高。④效率更高，更节能。机械系统中每增加一个传动部件都将会产生效率的损失，因此减少系统中传动部件，提高整个系统的效率，从而能够变相的节能，有利于提高人形机器人的续航及负载。 人形机器人的空心杯电机以无刷空心杯电机为主。因为空心杯电机高速低扭矩的特性，为了在较小空间内获得较大的手指抓握力，空心杯电机都需要搭配行星减速箱进行使用，一般都会集成2- 3级的行星减速箱。无刷电机通过驱动器实现电子换向，其定子部分使用空心杯绕组，采用无齿槽铁芯设计，具有高转速、长寿命、低噪音的特性，又具有高功率密度、高效率的优势。 当人形机器人年销量分别为100万台时，直流无刷力矩电机年新增市场规模140~280亿元，是2022年市场规模的5~11倍。空心杯电机市场规模为72亿元，是2022年市场规模的2倍。 1）直流无刷力矩电机市场规模的核心假设，单台人形机器人配置直流无刷力矩电机28个；空心杯电机价格随量产进程逐年下降，当人形机器人年销量100万台时，关节电机均价500~1000元；2）空心杯电机市场规模测算的核心假设：单台人形机器人用空心杯电机12个；空心杯电机价格随量产进程逐年下降，销量达到100万台时，单价600元。据QYResearch数据，2022年全球空心杯电机市场规模为7.48亿美元。 我国力矩电机和空心杯电机厂商钧处于全球第二梯队。力矩电机全球第一梯队厂商主要有科尔摩根、Aerctech、Parher。我国的力矩电机厂商主要厂商有步科股份、雷赛智能、昊志机电等，伺服厂商如汇川技术、禾川科技也有基础切入无框电机市场。海外龙头在空心杯电机领域布局较早，技术经验积累深厚，产品系列完善，项目经验丰富。与海外龙头企业产品性能相比，我国空心杯电机部分品类的产品性能接近或达到海外龙头，高端产品在功率、效率等方面存在差距。 风险提示：1）产业进展低于预期；2）竞争环境恶化；3）新技术的应用速度低于预期。 目录 1.机器人主要驱动方式：电力驱动3 1.1机器人的驱动方式：电动、液压、气动3 1.2电机机器人用减速电机重点参数：电压、转速、电流3 1.3力矩电机更适应人形机器人低速大扭矩的应用特性4 1.3.1直流电机VS交流电机4 1.3.2有刷电机VS无刷电机5 1.3.3力矩电机VS步进电机5 1.3.4力矩电机VS伺服电机6 1.3.5伺服电机VS力矩电机6 2.人形机器人关节电机：无刷直流（无框）力矩电机7 2.1T和几家主流人形机器人的关节电机方案7 2.2QDD关节驱动方案在双足人形应用的探讨9 2.3灵巧手方案：无刷空心杯电机+多级行星减速箱模组10 3.需求弹性及供给格局11 3.1人形机器人产业化对直流无刷力矩电机的需求弹性分析11 3.2人形机器人产业化对空心杯电机的需求弹性分析12 3.3直流无刷力矩电机的供给格局13 3.4空心杯电机的供给格局16 4.风险提示20 1.机器人主要驱动方式：电力驱动 1.1机器人的驱动方式：电动、液压、气动 工业机器人的驱动系统，按动力源可分为液压，气动和电动。 1）气动驱动：气力驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机(或由气压站直接供给)|等组成，以压缩空气来驱动执行机构进行工作。其优点是空气来源方便、动作迅速、结构简单、造价低、维修方便、防火防爆、对环境无影响，缺点是操作力小、体积大，又由于空气的压缩性大、速度不易控制、响应慢、动作不平稳、有冲击。因起源压力一般只有60MPa左右，此类机器人适宜抓举力要求较小的场合。 2）液压驱动：液压驱动系统通常由液动机(各种油缸、油马达)、伺服阀、油系、油箱等组成，以压缩机油来驱动执行机构进行工作。其特点是操作力大、体积小、传动平稳且动作灵敏、耐冲击、耐振动、防爆性好。相对于电力驱动，液压驱动的机器人具有大得多的抓举能力，可高达上百千克。但液压驱动系统对密封的要求较高，且不宜在高温或低温的场合工作，要求的制造精度较高，成本也较高。 3）电力驱动：电力驱动是利用电动机产生的力成力矩。直接或经过减速机构驱动机器人，以获得所需的位置、速度和加速度。电力驱动具有电源易取得，无环境污染，响应快，驱动力较大，信号检测、传输、处理方便，可采用多种灵活的控制方案，运动精度高成本低，驱动效率高等优点，是目前机器人使用最多的一种驱动方式。驱动电动机一般采用步进电动机、直流伺服电动机以及交流伺服电动机。由于电动机转速高，通常还需采用减速机构，目前有些机构已开始采用无需减速机构的特制电动机直接驱动，这样既可简化机构，又可提高控制精度。 图1：不同驱动方式的优劣势对比 驱动方式优点缺点应用场景 电机驱动液压驱动 可维护性好、驱动效率高、运动精度高、成本较低、环保整洁 输出力矩大、功率密度高、动态性能好、过载能力强 动态性能有限、功率密度较低 噪音大、可维护性差、驱动效率低、成本高 工作压强低、输出能力差、精确度差、 电子制造设备、电池制造设备、工业机器人、包装机械、光伏设备等领域 工程机械等压力较高的特殊应用场景 气压驱动速度快、系统结构简单、维修方便、成本低 数据来源：Ofweek、国泰君安证券研究 噪音大 易燃易爆危险的场景 1.2电机机器人用减速电机重点参数：电压、转速、电流 电机是依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置，主要作用是产生驱 动转矩，作为用电器或各种机械的动力源，电机主要作用是利用电能转化为机械能。电机分类主要三类：控制电动机、功率电动机、信号电机。控制电机进一步可以划分为伺服电机、力矩电机、步进电机等。 图2：电机分类 数据来源：Ofweek、国泰君安证券研究 机器人应用减速电机，应该重点考虑如下几个参数：电机运行电压、空载转速、一定转矩下的转速、一定转矩下的电流。 图3：选择电机时需要考虑的一些常见的因素 a)工作电压对于一个电机来说，可能会存在多个电压参数；其中最为常用的为连续运行条件下的额定电压；一些电机可以在额定电压之上以超过额定转速和转矩的方式运行，但是运行一段时间后可能会出现局部过热问题；也就是说部分过电压仅可以短时运行，而不可以长期运行；选择电机运行电压时，我们需要选择一个和机器人电池对应的电机运行电压。大部分电机运行电压为6V,12V,24V.对于一般尺寸在15cm-30cm的机器 人，一般使用镍氢电池，对于大型机器人，一般使用铅酸电池；镍氢电池一般为标准AA,C,D尺寸，电压在3.6-48V不等。对于12V电机，一般使用7.2V或者9.6V供电；对于24V电机，一般使用3*9.6V供电； b)转速电机旋转速度，一般单位为转每分钟，有时也使用弧度每秒或者角度每秒表示；对于电机转速的估计，我们一般选择在额定电压和额定转矩下，所能满足条件的电机转速，对于一般轮胎尺寸在5-20cm之间的机器人来说，电机转速范围一般从40-300rpm; c)转矩电机改变旋转速度的能力；在机器人领域，转矩一般用于使得机器人移动或者使得机械臂完成各种动作；转矩等于力与力臂的成绩，其单位为Nm;选择电机转矩时，一般在上一部分计算的基础上留50%的裕量；如果电机数量多于一个，可以对电机转矩要求除以相应的数量； d)电流一个电机可能存在多个电流参数，如空载电流、额定电流、堵转电流;电流将决定机器人运行时间，根据电机电流数据，我们能够大概评估其应用范围，如一个电机电流为0.01A，那么对于绝大多数机器人场合，电机都将太小；相反，如果电机额定电流为1A，那么电机将会太大； e)物理参数如电机尺寸、电机轴尺寸、截面尺寸以及固定孔的位置等； f)其他参数一些电机还会提供一些其他的部件，如编码器、制动器、齿轮箱、基座等等； 数据来源：Ofweek、国泰君安证券研究 1.3力矩电机更适应人形机器人低速大扭矩的应用特性 机器人关节所采用的关节驱动电机主要有步进电机，无刷直流电机，伺服电机。由 于应用需求场景不同，将人形机器人关节与工业机器人、协作机器人关节进行对比优劣没有可比性。工业机器人对精度、寿命要求高，更适合采用伺服电机；人形机器人对控本、提效、力矩和运转稳定的诉求更强，更适合采用力矩无框电机，尤其是直流无框力矩电机。 人形机器人电机有三个关键需求：高效率、高动态和高功率密度。①高效率：低能耗和低摩擦损失很重要，因为机器人通常由电池供电，能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，能在短时间内承受过载。②高动态：整个驱动器（电机、机构、接线、传感器和控制器）的惯性应尽可能低，电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。③高功率密度：机器人应用需要高速、高扭矩电机，这些电机还需要小巧，紧凑，轻巧。 1.3.1.1直流电机VS交流电机 直流电动机相较于交流电机拥有准确快速的控制能力，恒定扭矩以实现更高负载， 不需要额外的启动设备以减少成本等优势，从而更能够满足人形机器人对于高负载、低成本的需求。直流电机与交流电机的区别： ①控制能力不同：交流电机通过改变输入频率来控制交流电机。而直流电机则直接通过改变电枢电流和电压来控制电机。这从而导致直流电机能够提供准确且快速的控制，更适用于人形机器人。 ②力矩性能不同：力矩越大电机的加速性越好。而提高交流电机的速度会导致其力 矩降低，直流电机在速度范围内提供恒定的力矩。直流电机加速性好于交流电机，从而能够负载更高的重量，使人形机器人得以从事高负载的劳动。 ③启动方式不同：所有直流电机都是自启动的，这意味着它们不需要任何额外的设 备即可启动。而交流电机则需要额外的电子设备来启动。因此直流电机可以减少人形机器人部件的数量，从而降低其成本和体积。 图4：直流和交流电机的优劣势对比 电机类型优点缺点应用场景 直流电机 便宜且直接的驱动设计、安装很简单、提供出色的速度控制、启动功率和扭矩更高 维护成本高且成本高、容易受到灰尘的影响而降低其