人形机器人行业专题三之执行器系统：核心部件顺势启航-长城证券-20240.3.18_市场营销策划_.docx

强于大市（维持评级）行业走势作者分析师荣泽宇执业证书编号：S1070523040002邮箱：rongzeyu分析师刘删执业证书编号：51070520030002邮箱：liupeng联系人陈明桦执业证书编号：S1070122080057邮箱：chenyuehua相关研究一1、人形机器人专题一：前景广阔，飞轮待启2023-11-272、人形机罂人专题二：发展意义重大，市场规模儿僦2023-12-06长城证券GREATWM1.1.SCCVRmFS人形机器人专题三之执行器系统：核心部件，顺势启航执行器是人形机器人硬件系统的关耀部件。近些年的研究和应用主要围绕结构设计、减速渊、控制方式等方面。技术方案经历了从刚性到弹性，再到准直驱的发展，集成度、控制精度逐步提升，能量损耗逐步降低，对减速器传动比需求逐步减小。目前刚性执行器方案成熟度高、控制精度高，成为人形机器人执行器的主流技术方案。准直驱方案集成度高、能量效率高，在人形机器人、四足机器人等领域应用前景可观。电机、减速器、丝杠、编码器、力传感器是核心零部件。工）电机：执行器系统的"血管”。人形机器人主要采用集成度高、运动控制精度高、扭矩输出效率高的无框力矩电机。人形机器人的普及将带动无框电机市场规模增长。2）减速器：电机和传动装置之间的桥梁。旋转执行器普遍果用体较小的谐波减速器；直线执行器通常选择高负载的RV减速器或精密行星减速器。谐波减速器、RV减速器技术发展依赖于专业化生产设备和材料等，目前日本哈默纳科、纳博特斯克处于领先地位。3）丝杠：直线执行器的传动装置。受益于机器人等高端制造领域快速发展，高负载的行星滚柱丝杠具备较大发展潜力。目前瑞士Rollvis.GSA,瑞典SKF,美国EXlar、MOOg等企业处于领先地位。4）编码器：驱控信息的反馈装置。常用于机器人的有光电编码器、磁编码器。目前光电编码器技术更成熟，更达的精度更高。磁编码器理论成本更低，未来前景可观。全球来看，欧美日韩占据主要市场，奥普光电等国产品牌快速施起。5）力传感器：电机输出力矩的反馈装置。六维力传感器能够检测最完整的三维空间力/力矩，是当前研究的重点。其弹性结构体结构设计是技术突破的关键。目前国内仅有宇立仪器、坤维科技等少数企业能够实现量产。投资建议：人形机器人有望先在工商业普及，逐步拓展至家用、公共领域，发展成为千亿美元级蓝海市场。执行器作为价值量占比最高的部件，有望直接受益于人形机器人的普及。相关标的有：1）总成：三花智控、拓普集团：2）电机：步科股份、昊志机电；3）减速器：哈默纳科、纳博特斯克、绿的谐波、双环传动、中大力德；4）丝杠：鼎智科技、恒立液压、贝斯特：5）编码器：奥普光电；6）力传感器：柯力传感。风险提示：技术研发不确定性风险、降本进程不及预期、商业化落地不及预期、三方数据失真风险内容目录1 .执行器：人形机器人硬件系统关键部件51.1 兼具精度和成本优势，电动执行器是首选动力方式51.2 刚性执行器是主流方案，准直驱执行器前景广阔61.2.1 刚性执行器：控制精度高，能量效率低71.2.2 弹性执行器：功率调制好，控制方式相对复杂81.2.3 准直驱执行器：控制方式简单，能量效率高91.2.4 几种执行器的对比101.3 特斯拉人形机器人执行器技术框架102 .电机：执行器系统的“血管122.1 伺服电机：无刷、直流方案是主要发展方向132.2 无框力矩电机：人形机器人普遍采用的电机类型163 .减速器：电机和传动装置之间的桥梁183.1 行星减速器：高精度系列可以用于人形机器人213.2 谐波减速器：旋转执行器主流方案233.3 RV减速器：负载优势突出，高成本限制普及254 .丝杠：直线执行器的传动装置274.1 滚珠丝杠：常用于中大负载的工业自动化设备274.2 行星滚柱丝杠：人形机器人传动装置的理想方案305 .编码器：驱控信息的反馈装置335.1 光电编码器：分辨率优势明显，技术成熟345.2 磁编码器：兼具成本和精度优势，未来发展前景可观366 .力传感器：电机输出力矩的反馈装置387 .投资建议：前景广阔，本土化进程是关键428 险提示43图表目录图表Z执行器原理5图表2气压驱动机器人5图表3液压驱动机器人5图表4电机驱动机器人6图表5机器人执行器发展历程7图表6刚性执行器结构7图表Z部分刚性执行器型号对比8图表8：弹性执行器结构9图表9准直驱执行器结构IO图表Ia几种执行器方案性能对比IO图表特斯拉QP物4戈2执行器方案11图表12特斯拉QPZ切心旋转执行器方案11图表13：特斯拉尔为WS直线执行器方案11图表14伺服驱动系统工作流程12图表15电机分类12图表25步进电机结构示意图13图表17：伺服电机结构示意图13图表18：步进电机和伺服电机性能对比13图表19：主要伺服电机类型的性能对比14图表加我国伺服电机发展历程15图表2Z我国伺服电机产业链15图表23我国伺服电机市场规模16图表洽我国伺服电机市场格局（2022年）16图表24无框力矩电机结构示意图17图表25：部分人形机器人电机方案17图表26全球无框力矩电机市场规模18图表27.三种精密减速器性能对比19图表28：全球机器人领域精密减速器市场份额（2022年）19图表29我国减速器市场规模20图表32我国减速器产量20图表3Z我国减速器销售均价20图表衣我国减速器市场份额（2020年）20图表弟我国精密减速器产品回差对比20图表34国内外精密减速器产品传动效率对比20图表充精密行星减速器结构示意图21图表36某型号三级行星减速器材料选择22图表衣我国行星减速器市场规模22图表38：我国精密行星减速器市场份额（2022年）22图表39谐波减速器结构示意图23图表40.谐波减速器工作原理24图表4Z我国谐波减速器市场规模25图表恐我国谐波减速器需求量25图表恐我国谐波减速器均价25图表名我国谐波减速器市场份额年）25图表45：A忆减速器结构示意图25图表把我国AP减速器市场规模27图表47：我国减速器市场份额（2022年）27图表48：丝杠分类27图表49滚珠丝杠结构示意图28图表宛滚珠丝杠内外循环方式28图表5Z滚珠丝杠仍精度划分标准29图表52：滚珠丝杠和滑动丝杠性能对比29图表无：我国滚珠丝杠市场规模29图表54-.我国滚珠丝杠产量和需求量29图表55：我国滚珠丝杠市场价格30图表我国滚珠丝杠市场份额（2ZZ年）30图表57标准式行星滚柱丝杠结构示意图30图表58：主要行星滚柱丝杠类型性能对比31图表后反向式行星滚柱丝杠结构示意图31图表循环式行星滚柱丝杠结构示意图31图表61：差动式行星滚柱丝杠结构示意图31图表应：循环式行星滚柱丝杠结构示意图31B长城证乐图表右：行星滚柱丝杠和滚珠丝杠性能对比32图表64采购滚动功能部件应用行业分析32图表65：中高档滚动丝杠副结构分析32图表6&,小S的演收对行星滚柱丝杠销售预测33图表6Z全球行星滚柱丝杠市场份额（2022年）33图表68：多摩川编码器33图表69主要编码器类型性能对比33图表7a.光电编码器结构示意图34图表ZZ：增量式码盘34图表左：绝对式码盘34图表73：部分用于码盘的光学树脂材料和玻璃的性能对比35图表力磁阻式编码器结构示意图36图表万霍尔式编码器结构示意图36图表决磁编码器常用磁性材料36图表77、主要编码器用传感元件性能对比37图表加海外主要编码器品牌地域分布37图表79国内主要编码器品牌地域分布37图表8。力传感器结构示意图38图表8Z主要力传感器类型的优缺点38图表组六维力传感器结构示意图39图表83：六维力传感器弹性体结构设计方案汇总40图表84我国应变式力传感器市场规模40图表防我国应变式力传感器产量和需求量40图表86人形机器人执行器系统相关标的42B长城证案IMCAYMBlAc*e三mt1 .执行器：人形机器人硬件系统关键部件1.1 兼具精度和成本优势，电动执行器是首选动力方式执行器（Actuator）是根据给定信号与阀门位置反馈量之间的偏差，通过微型控制电机运行，通过变速及执行机构输出位置，实现对阀门的自动调节。人形机器人关节执行器，也称为一体化关节，是机器人的关键部件，其技术水平直接影响人形机器人的发展。图表I：执行器原理资料来源：足能电动执行器关健技术的研究和开发（2ZZ2年），I缄证券产业金融研究院根据动力来源的不同，执行器可分为液压、气动、电机等。由于电机驱动方式具有成本低、控制精度高、密闭性好等特点，人形机器人执行器一般采用该驱动方式。 气压驱动：常见于点到点的控制。随着气动肌肉和气压伺服技术的发展，气压驱动逐渐被应用到人形机器人中。但是空气的可压缩性和延迟特性使得气压驱动方式难以实现精准控制，此外还具有能量效率低、气压出力小等缺点，故目前使用较少。图表2气压驱动机器人a)1.ucyi"1a)1.ucy:，ub)Pneuma-BT1：b)Pneuma-BTl2c)Pneuna-BS11d情华大学气动双足机器人”同c)PneuBa-BS1'd)THUpneumaticbipedrobot114资料来源：缴乐驱动双足机谣人及其动态平衡运动控制研究（初7年），长城证券产业金融研究院 液压驱动：不需要采用减速装置，驱动结构简单；同时还具备输出力大、功率重量比高的优点，故被用作早期阶段人形机器人的主要动力来源。美国波士顿动力公司发布的Petman和Atlas均采用液压驱动方式。但是液压驱动精度较低，制造和维修成本高，目前无法满足大规模商业化的需要，故逐步被电机驱动方式所替代。图表3液压驱动机器人B长城证案IMCAYMBlAc*e三mta)SARCOSp,b)PETMAN",a)SARC0Sb)PETMANC)AT1.AS-c)AT1.AS、d)山东大学液压双足机器人“°：d)SDUhydraulicbipedrobot1101资料来源：好劭R张动双足机器人及其动态平衡运动控制研究(Z力7年中，长城证券产业金融研究院 电机驱动：具有控制精度高、成本低等优势，是服务机器人、人形机器人首选动力方式。但是电机驱动的功率密度不如液压驱动，在应用中往往需要搭配减速装置，增大了回程间隙等误差；同时也较难适应大负载、野外等场景。未来的发展方向主要是提高驱动系统的负载能力和柔性，使其能够适应多元应用场景需求。图表4电机驱动机器人alASIMOb)HRP4'b)HRP-1.c)Hl'RO,cHVBO,资料来源：皴压驱动双足机器人及其动态平衡运动控制研究(初7年)，长城证券产业金融研窕院1.2 刚性执行器是主流方案，准直驱执行器前景广阔人形机器人电动执行器的研究和应用始于20世纪70年代，技术迭代主要围绕结构设计、减速器、控制方式等方面。结构设计上，执行器结构设计经历了从独立设计到和整机融合的发展，技术层面经历了从刚性到弹性，再到准直驱的发展，集成度逐步提升。减速器上，执行器用减速器经历了从大传动比到小传动比的演变，制造难度逐步降低。控制方式上，执行器控制方式经历了从位置控制到力位混合控制和阻抗控制的演变，控制精度逐步提升、能量损耗逐步降低。 刚性执行器(TraditionalStiffnessActuator)：1983年早稻田大学研究的W1.-IOR机器人使用刚性执行器TSA,自此人形机器人开始广泛应用刚性执行器为关节动力源。该方案控制精度高、技术成熟，目前也是人形机器人执行器的主流方案。 弹性执行器(SeriesElasticActuator)：1995年麻省理工学院的Pratt等人提出了弹性执行器SEA的概念，拉开了弹性驱动器研究的序幕。美国宇航局的机器人Valkyriefn意大利技术研究院的机器人Walk-Man都使用了弹性驱动器。B长城证案IMCAYMBlAc*e三mt 准直驱执行器(PfoprioceptiveActuator):2016年WenSing等提出了准直驱执行器PA的概念，并将其应用于四足机器人Cheetah和双足机器人Hermes,准直驱执行器是最近几年研究的热点。199520162020图表5：机器人执行器发展历程资料来源：北京精密，长城证券产业金融研究院1.2.1 刚性执行器：控制精度高，能量效率低刚性执行器主要由电机、高传动比减速器、编码器、力矩传感器和控制板等组成，力矩传感器是可选器件。根据双足机器人腿部及其驱动器的设计理论与关键技术研究一文，1.OIa、SDR、DynamiXelProSerieS等机器人的执行器采用该方案。它们在电机上，多选择无刷电机；在减速器上，绝大多数刚性执行器方案采用谐波减速器、少部分采用摆线针轮减速器；在编码器上，几乎都采用绝对式编码器。目前刚性执行器结构设计基本定型，前瞻研究主要集中在电机和减速器等零部件的整体优化设计上。从实际应用来看，刚性执行器具备控制精度高、稳定性好等特点，成为主流方案。但是受限于元器件工艺和原理，传统刚性执行器的功率密度很难达到生物肌肉的水平500Wkg,同时也解决不了机器人受外部冲击时零部件强度问题，故很难适配大负载、高运动强度的关节部位。图表6：刚性执行器结构B长城证乐IMKAYMBlAc*e三mt资料来源：北京精密，长城证券产业金融研究院图表7部分刚性执行器型号对比刚性执行器型号马达+减速器刹车绝对式编码器力矩传感器IMU滑环整体控制通信方式RobotisDynamixelProSeries/×/XXX/CAN,RS-485HarmonicDriveCanisDrive/XXXX-RoboDriveRD507085-HD/JXXX×-KinovaActuatorsK-58zK-75/×/×/RS-485SchunkPowercube,PDUzPR,PSMRoboSimianActuator/XXXXXX/XCANzProfibusEtherCA,RS-485NRECDriveJoint/X/XCAND1.R1.WRIIIJointUnit/XXXSERCOSARMAR-4Sensor-ActuatorUnit/×J/XX×CANKITSensor-Actuator-ControllerUnit/×/EtherCAT资料来源：北京精密，长城证券产业金融研究院1.2.2 弹性执行器：功率调制好，控制方式相对复杂弹性执行器主要借鉴Hill肌肉三元素力学模型，通过模拟动物利用骨骼肌肉系统在运动过程中储存和释放能量的过程，使得执行器表现出柔顺、安全和高能量效率特性。从结构上看，弹性执行器在刚性执行器基础上增加了弹性元件。根据弹性元件原理和结构设计的不同，目前市面上主要有串联弹性执行器、并联弹性执行器、离合式弹性执行器和多模态弹性执行器几类产品。 串联弹性执行器SEA(SeriesElasticActuator)：是在刚性执行器的驱动元件和负载间增加弹性单元，从而具有缓冲机器人触地冲击和缓解外部碰撞冲击的作用，同时还可以储存能量。但是由于弹性元件引入，系统变为欠驱动系统，运动控制精度较低。 并联弹性执行器PEA(ParalIe兀gsticActuator):弹性元件的连接方式由串联改变为并联。相对传统刚性执行器，此方案可以显著提高输出功率，降低能量损耗。根据双足机器人腿部及其驱动器的设计理论与关键技术研究一文，在实现平滑轨迹跟踪，尤其是在稳定性和对冲击的鲁棒性(在受冲击时仍能保持正常工作的能力)方面，机器人手部引入此方案具有优势。 离合式弹性执行器CEA(ClutchedEIasticActuator):是在弹性元件位置增加离合装置，控制弹性元件开合，从而能控制能量储存和释放，大幅提高了能量效率。 多模态弹性执行器MEA(Multi-mode日asticActuator)：是将多个执行器集成为一个系统，能够集合多方面优势。根据双足机器人腿部及其驱动器的设计理论与关键技术研究一文，Mathijssen等使用多个带有锁紧环和锁板的不完全齿轮作为与电机并联的间歇结构。结构表明此装置可以降低电机扭矩要求，提高效率。目前由于此方案结构复杂，系统建模和控制也十分复杂，相关技术应用案例较少。图表8：弹性执行器结构«i9att资料来源：北京精密，K城证券产业金融研究院1.2.3 准直驱执行器：控制方式简单，能量效率高准直驱执行器依靠电机开环力控，不依赖于附加力或力矩传感器。其优点是功率密度高，力控带宽大，抗冲击能力强等。最理想的技术方案是电机宜接驱动，但受限于工艺和技术,电机直驱的扭矩密度不能满足机器人应用需求，故实践中仍然采用电机加低传动比减速器的方案。同时此方案要求负载质量和转动惯量尽可能小，故多用于机器人的低负载关节从结构上看，准直驱执行器由高扭矩密度电机、低传动比减速器、编码器和控制板等组成。根据双足机器人腿部及其驱动器的设计理论与关键技术研究一文，部分设计方案在电机基座和内齿圈间增加了离合结构，用于抵挡外界冲击造成的能量损耗，保护减速器。在编码器的使用方面，目前单编码器方案还没有很好地解决断电后回零位的问题，故主流设计方案多采用双编码器或单个新型多圈绝对值编码器。图表9：准直驱执行器结构1.2.4 几种执行器的对比对比几种执行器方案的控制精度、功率特性、能量效率、安全性和应用场景等，可以得知在控制精度方面，刚性、并联弹性、准直驱执行器控制相对简单且精度高。功率特性方面，几种弹性执行器功率调制较好。能量效率方面，离合式弹性、多模态、准直驱执行器效率高。安全性方面，准直驱执行器具有反驱特性，安全性好。图表10：几种执行器方案性能对比类型TSASEAPEACEAMEAPA结构配置电机+高传动比减速器+高刚性力矩传感器电机+高传动比减速器+弹性体电机+高传动比减速器+高性能力矩传感器+并联弹性体电机+高传动比减速器+弹性体+离合机构SEA和PEA组合高扭矩密度电机+低传动比减速器力矩测量方式应变片原理或电流编码器或应变片原理应变片原理或电流编码器或应变片原理编码器或应变片原理电流控制特点简单、精度高复杂、精度低复杂、精度高复杂、精度一般复杂、精度一般简单、精度一般功率特点无功率调制功率调制好功率调制好功率调制好功率调制好无功率调制能量效率效率低效率一般效率高效率非常高效率非常高效率高安全性安全性差安全性好安全性差安全性一般安全性好安全性好应用场景精密系统，如精密机床，仪器仪表，传统双足机器人安全性系统，协非对称载荷或自双足或四足机器作机器人支撑平衡系统人兼顾功率、能量效率、安全特性的系统四足机器人，小型双足机器人资料来源：北京精密，长城证券产业金融研究院1.3特斯拉人形机器人执行器技术框架我们以特斯拉OPtiiTIUS机器人设计方案为例来分析执行器技术框架。OPtimUSGenl执行器布置方案为14个直线执行器和14个旋转执行器，OPtimUSGen2在颈部增加了2个旋转执行器，其余部位预计未做调整。30个自由度分布在颈部（2个旋转）、肩部（3个旋转）X2、大臂（1个直线）X2、小臂（2个直线+1个旋转）X2、腰部（2个旋转）、做部（2个旋转）X2、大腿（2个直线）X2和小腿（2个直线）X2。图表：特斯拉OPtimUsGe2枳行器方案直线执行器上堂(16)加越2二航-大白-/MiVP9»2】2-下半身（12）-±M-1，阳-1614犯资料来源：本末研究，机器人之心，特斯拉官网，长城证券产业金融研究院注：数字单位为个旋转执行器：伺服电机*1+减速器*1+力矩传感器*1+编码器*2+交叉滚子轴承*1+角接触球轴承*1。1）电机：采用无框力矩电机，预计为特斯拉自研方案。2）减速器：采用谐波减速器。3）力矩传感器：在手腕、脚腕部位可能会采用多维力传感器，其余部位用一维力传感器。4）编码器：采用输入位置和输出位置双编码器。图表12特斯拉Qo历TwS旋转执行器方案资料来源：本末研究，特斯拉官网，长城证券产业金融研究院直线执行器：伺服电机*1+减速器*1+力矩传感器*1+编码器*2+丝杠*1+深沟球轴承*1十四点接触球轴承*1。1）电机：采用无框力矩电机，预计为特斯拉自研方案。2）减速器：可以使用行星减速器、RV减速器。3）力传感器：预计采用一维力传感器。4）编码器：预计采用双编码器配置。5）丝杠：采用反向式行星滚柱丝杠，刚度高。图表13特斯拉尔力11s直线执行器方案资料来源：本末研究，特斯拉官网，长城证券产业金融研究院2.电机：执行器系统的血管电机（MotOr）相当于执行器的“血管”，其作用是根据所接收的力矩、速度、位置等指令信号，带动机械部件实现特定运动。同时电机中的多种传感器，如编码器、力传感器等,还会将电机与机械部件的实时运作信息反馈给驱动器和控制器，从而完成精准运动控制。根据用途的不同，电机可以分为驱动类电机、控制类电机、信号类电机。机器人中的电机主要任务是完成对机械运动的精准控制，所以属于控制类电机。根据控制方式的不同，又可以分为步进电机、伺服电机和力矩电机，机器人对运动精准度要求，所以主要采用伺服电机或力矩电机。图表14：伺服驱动系统工作流程资料来源：杭州之山智控技术公司官网，长城证券产业金融研究院图表15：电机分类1.驱动电机电机步进电机伺服电机力矩电机空心杯电机有框力矩电机无榷力矩电机1信号电机资料来源：工链汇，长城证券产业金融研究院2.1伺服电机：无刷、直流方案是主要发展方向伺服电机(Servomotor)是指在伺服系统中控制机械元件运动的发动机，它可把所收到的脉冲信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。与步进电机相比，它多了一个与电动机相连的传感器，用于位置反馈，这意味着伺服电机每收到1个脉冲，就会发出对应数量的脉冲，与接收的脉冲形成呼应，或者叫闭环，如此一来，就能实现对角速度或线的位置，速度和加速度的精确控制。就内部结构而言，伺服电机主要由定子和转子构成。定子上有两个绕组，励磁绕组和控制绕组。转子是永磁铁或感应线圈等导磁材料。转子在由励磁绕组产生的旋转磁场的作用下转动。同时伺服电机装配有编码器，工作时驱动器实时接受到编码器的反馈信号，再根据反馈值与目标值进行比较来调整转子转动的角度。图表16：步进电机结构示意图图表17：伺服电机结构示意图St配后的金子蛆”资料来源：鸣志电器官网，长城证券产业金融研究院资料来源：智造漫谈，长城证券产业金融研究院对比控制精度、变频特性、过载能力、响应速度等性能，可以看到伺服电机控制精度更高；低频时运转平稳、高频时能恒力矩输出；闭环控制使得过载保护能力更强；开机时响应速度更快。就产品特性而言，伺服电机更适配机器人高精度要求、多变环境的应用需求。图表18：步进电机和伺服电机性能对比性能指标步进电机伺服电机控制精度0.36°-1.8°<0.036°低频特性低速时易出现低频振动现象运转运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象相对平稳矩频特性输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300-600RPM恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出过载能力一般不具有过载能力具有较强的过载能力运行性能开环控制，启动频率过高或负载过大易出现失步或堵转的现象闭环控制，一般不会出现步进电机的失步或过冲的现象，控制性能更为可靠速度响应性能从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400亳秒以鸣志400W交流伺服甩机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几亳秒资料来源：鸣志电器官网，长城证券产业金融研究院根据控制电源的不同，可以分为直流伺服电机和交流伺服电机。其中直流伺服电机根据是否具有电刷，又可以分为有刷直流伺服电机和无刷直流伺服电机。对比三种类型电机，可以看到直流伺服电机具有控制精准，转矩特性、线性调节特性较好，使用方便且价格便宜等优势。无刷直流伺服电机以电子转向器取代机械转向器，减少摩擦和噪音、延长寿命且安全性，但是一定程度增加了成本。根据永磁无刷直流电机技术一文，目前在航空航天和军事装备、工业自动化等领域，有刷直流伺服电机正在逐步被无刷直流伺服电机所取代。图表19：主要伺服电机类型的性能对比性能指标永磁无刷直流电机永磁有刷直流电机交流感应电机定子多相绕组永磁多相绕组转子永磁无刷直流电机绕组绕线组或笼型绕组转子位置传感器福要不需要不需要电滑动接触火花无有，换向器与电刷无，或可能有集电环EMC干扰较低高低可闻噪音较低l¾低电子控制器必镉不是必需，调速时需要不是必需，调速时需要使用电源DCDCAC使用电压范围高，受功率器耐压限制较低，受换向器耐压限制高机械特性接近线性线性非线性起动转矩倍数较高较高较低高速范围高，受转子离心力限制,已有每分钟为数十万转低，受换向器离心力限制较低，换向器与电刷摩擦损耗，电刷压降损耗高，受转子离心力限制效率的产品高，转子几乎没有损耗低，转子有损耗转子转动惯量较小，响应快速大较小功率密度高，定子绕组容易散热较低，转子绕组不容易散热较低，转子绕组不容易散热转矩波动大小小可控性好好差性能指标永磁无刷直流电机永磁有刷直流电机交流感应电机寿命和可靠性好好差安全性较高低高维护不必经常维护需要定期清洁或更换电刷不必经常维护使用温度范围较低，收到永磁材料限制较低较高成本高，必需有永磁材料和控制器较高，必须有永磁材料和换向器低资料来源：珠磁无刷直流电机技术（2勿9年），长城证券产业金融研究院我国伺服电机技术处于快速赶超阶段。目前技术水平大约落后西方20年左右，应用普及性相当于西方40年前的水平。具体看，我国伺服电机产品主要有以下几点缺陷： 外形普遍较长，外观粗糙，很难应用在一些高档机器人上面。尤其是在轻载6kg左右的桌面型机器人上，由于机器人手臂的安装空间非常狭小，对伺服电机的长度有严格要求。 信号接插件的可靠性需要改进，整体设计要与本体更好融合，时限小型化、高密度化，以便于安装、调试、更换。 高精度编码器的自研率较低，尤其机器人上用的多圈绝对值编码器，严重依赖进口，是制约我国高档机器人发展的很大瓶颈。编码器的小型化也是伺服电机小型化的重要驱动力。 伺服系统各部分产业协同联合不够，导致伺服电机和驱动系统整体性能难以做好。图表20：我国伺服电机发展历程时间阶段发展情况初期阶段主要是步进电机操控的液压伺服或者功率步进电机直接驱动为中（20世纪60年代以前中期阶段（20世纪60-70年代）心，该阶段伺服系统的位置控制是开环系统出现了直流伺服电机，并高速发展的时代。因为直流电机拥有精良的调速功能，越来越多的驱动装置配备了直流伺服电机，伺服系统的位置控制也由最开始的开环系统转变为闭环系统因为电子技术突飞猛进的发展，伺服系统控制逐步向微机控制转快速发展阶段变，硬件伺服逐渐被软件伺服所替代，软件伺服成为新趋势。伺服（20世纪80年代至今电机的结构材料及控制技术都在不断的创新发展，各类新型伺服电机应运而生资料来源：前瞻产业研究院，长城证券产业金融研究院磁性材料和制造工艺是生产重要环节。从产业链看，伺服电机上游主要是原材料和电子零部件等其他材料供应商。从工作原理可知，磁材是其制造过程中所必需的重要原材料，其寿命和性能直接影响伺服电机性能。中游包括电机、驱动器制造，数控系统研发等环节。下游应用领域包括医疗器械、机器人制造、汽车制造和工业装备制造等领域。就参与企业而言，我国对磁材的开采、冶炼实行总量可控，由六大集团完成，代表性企业有中科三环、领益智造、安泰科技、银河磁体等。伺服电机制造生产企业则有汇川技术、星辰科技、江特电机等企业，其中汇川技术是国内伺服电机行业龙头。图表21：我国伺服电机产业链SMEE卷STARSSTEP资料来源：前做产业研究院，长城证券产业金融研究院图表22：我国伺服电机市场规模图表27：我国伺服电机市场格局（2022年）25020015010050市场规模（亿元）同比16%IiitHlI14%12%10%8%佻4%20192020202120222023E2024E汇川安川台达口松下三菱其他资料来源：工控网，中商产业研究院，长城证券产业金融研究院资料来源：MIRDATABANK,中商产业研究院，长城证券产业金融研究院受益于需求扩张，我国伺服电机市场保持稳健增长。根据中商产业研究院数据，2022年我国伺服电机市场规模181亿元，同比增长7.1%o我国伺服电机市场由外资主导，外资品牌占比65%o国产品牌汇川技术市场份额占比排名第一，市占率15.9%o安川、台达、松下及三菱，占比分别为11.9%、8.9%、8.8%及8.3%。2.2无框力矩电机：人形机器人普遍采用的电机类型无框力矩电机是力矩电机的一种，以输出扭矩的的大小为性能指标，通常可以被看成极对数很多的无刷、永磁、直驱伺服电机。因为力矩电机直接连接转子，不需要任何传动件，因此力矩电机属于直驱电机。又因为力矩电机极对数多，因此可以在中低速运动时，提供很高的扭矩。目前是人形机器人执行器普遍采用的电机类型。就内部结构而言，相较于传统伺服电机、有框力矩电机，无框力矩电机没有轴、轴承、外壳和端盖，只有转子和定子两个部件。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。图表24：无框力矩电机结构示意图资料来源：科尔摩根官网，长城证券产业金融研究院无框力矩电机的主要优势有： 更高的精度：以科尔摩根的直驱电机为例，其相关的产品位置保持能力比传统电机/减速机好60倍。 更大的带宽：直驱电机可以实现更快的启动/停止操作，并显著缩短了整定时间。 高可靠性且免维护：齿轮、皮带和其他机械传动部件可能会折断。在磨损比较严重的启动/停止应用系统中，减速机需要定期进行润滑或更换。皮带需要定期拧紧。在直接驱动电机中没有会随着时间磨损的部件，因而不需要维护。 部件更少，成本更优：虽然直接驱动电机的价格可能略高于相同转矩的有框电机/减速机，但是考虑到它不需要使用机械传动伺服系统的很多部件，并节约了所有额外部件的工作量，因而总体上仍然减少了成本。 降低噪音。图表25：部分人形机器人电机方案公司型号TS关节方案灵巧手关节方案电机力矩传感同旋转或IS城优必选WalkerX高密度无枢力矩电机有/智元iaSEA1/城小紫XR-4（双足）高出距密度无枢电机可眦旋转空心杯电机齿轮传动TWUnitreeH1无框电机/Z小米CyberOne无他力矩电机无/无灵巧手FourierGR-1未公布类型无旋转/人形机器人无框电机/PXS未公布类生/4个推杆电机（集成空心杯电机）开普勘先行未公布类里/旋转+线住/特斯拉Optimus无椎力矩电机有Is转找性空心杯电机行星紧密为轮箱+位置传感器+金同我绳本田ASIMO直流电机以及无刷直流电机/波士修动力Atlas/旋转+城性谡许1XTechnologiesEVE（A维式）高扭距鬣比的直驱电机/美国宇航局Valkyrie/旋转线性/AgilityRoboticsDigit有刷/无刷叁流电机/无灵巧手资料来源：工链汇，长城证券产业金融研究院人形机器人有望带动力矩电机市场规模快速熠长。根据海外市场研究公司Technavio数据，2023年全球力矩电机市场规模增长6.95%至6.57亿美元，市场空间较小。未来随着人形机器人逐步放量，无框力矩电机市场规模有望快速增长。若以2030年人形机器人出货量达100万台，同时无框力矩电机产品单价下降一半到500元/台来估算，预计人形机器人领域无框力矩电机市场空间将达到23.97亿美元，叠加传统领域市场空间的平稳增长，总市场规模有望达到33亿美元。图表26：全球无框力矩电机市场规模,传统领域市场规模（亿美元）人形机器人领域市场规模（亿美元）资料来源：工链汇，Technavio,长城证券产业金融研究院3,减速器：电机和传动装置之间的桥梁减速器（RedUCer）是电机和传动装置之间的桥梁，其作用是将伺服电机输出的高转速、低转