来源：bsport体育注册 作者：bsport体育登录|发布时间：2024-12-23 11:41:48
2021 年 8 月第一届特斯拉AI Day上，特斯拉发布了首款人形机器人“擎天柱” (Optimus)的概念图，该人形机器人身高 5 英尺 8 英寸，重 125 磅，具有 45 磅 的承载能力和 150 磅的硬拉能力，其控制将通过类似于电动汽车智能算法进行。2022 年 2 月推出原型机，在 2022 年 9 月 30 日 AI Day 亮相接近于完整体的新 一代人形机器人，2023 年 7 月亮相世界人工智能大会。
特斯拉发布的最新一代 Optimus 在身体机械部分有 28 个关节(14 个旋转执行器 +14 个线)。特斯拉人形机器 人的灵巧手在设计中模仿了人手，拥有自适应抓取能力。手部结构为五指多关节， 拇指采用双电机驱动弯曲和侧摆，四指各一个电机。共计 6 个执行器、11 个自由度，负荷 20 磅，能够自适应抓取角度，具备工具使用能力、小物件精准 抓握能力。特斯拉人形机器人全身的 28 个执行器分布在肩部(6 个)、肘部(2 个)、 腕部(6 个)、躯干(2 个)、髋部(6 个)、膝部(2 个)、踝部(4 个)。
特斯拉 Optimus 的旋转关节方案：无框电机+谐波减速器+扭矩传感器+位置传感 器+轴承(角接触球轴承+交叉圆柱滚子轴承)+编码器。特斯拉同步展示了其执行 器产品组合，包含了 3 个不同扭矩的旋转减速器，分别为 20Nm/110Nm/180Nm。全身分布:肩部 6 个，腕部 2 个，髋部 4 个，躯干 2 个。
特斯拉 Optimus 的线性关节方案:无框电机+行星滚柱丝杠+力矩传感器+位置传 感器+轴承。特斯拉同步展示了其执行器产品组合，包含了 3 个不同力矩的线性 执行器，力矩分别为 500N/3900N/8000N。全身分布：肘部 2 个，腕部 4 个，髋 部 2 个，膝部 2 个，踝部 4 个。
参考特斯拉 Optimus，人形机器人价值量主要分布在 FSD 系统、AI 芯片、执行 器、灵巧手肢体骨骼这几个部分：FSD/AI 芯片：特斯拉核心竞争力，单机价值量约为 50000 元，成本占比约为 26.5%；旋转执行器：总成产品，将由第三方供应，包含谐波减速器（或者类谐波的新型 减速器）、无框力矩电机、力矩传感器、编码器、轴承等主要部分，成本占比约 为 23%；线性执行器：总成产品，将由第三方供应，包含行星滚柱丝杠、无框力矩电机、 力矩传感器、编码器、轴承等主要部分，成本占比约为 28%；灵巧手：包含空心杯电机、行星齿轮箱、传感器、滚珠丝杠等，成本占比约为 7%；肢体骨骼：力学结构件，成本占比约为 13%。第三方供应的非总成零部件中，无框力矩电机（14.84%）、行星滚柱丝杠 （14.84%）、谐波减速器（7.42%）、力矩传感器（7.42%）、编码器（4.45%）、 空心杯电机（3.82%）占比较大。
机器人减速器主要分为 RV 减速器和谐波减速器两类。谐波减速器具有单级传动 比大、体积小、质量小、运动精度高等优点，并且能在密闭空间和介质辐射的工 况下正常工作，更适用于轻负载精密减速领域，如人形机器人等。相比谐波减速 器，RV 减速器具有传动比范围大、精度较为稳定、疲劳强度较高等优势，还有 着更高的刚性和扭矩承载能力，主要适用于机器臂、机座等重负载部位。
谐波减速器的难点主要在于齿形设计、材料、加工设备、工艺和一致性。技术难 点具体包括：齿形设计：由于谐波减速器的传动原理为两个齿轮之间的啮合运动， 且柔轮不断发生形变，因此齿轮的高度、宽度、形状等设计对减速性能有较大影 响。材料：柔轮不断形变传递力矩，对材料的一致性、载荷、精度、疲劳寿命都 有较大挑战，普通的金属和合金难以达到要求。加工设备：柔轮很薄，厚度约 100μm，加工和切割要求高，高精度数控磨床、滚齿机均需要进口，而日本高精 度机床对我国有限制。加工工艺：柔轮的加工和切割要求高，有一些过程仍然依 赖于员工的经验积累。一致性：在规模化量产情况下，降低次品率，保持产品的 一致性水平有很大难度。RV 减速器相比谐波减速器结构更为复杂，对加工精度和工艺要求更为严苛。其 技术难点具体为：加工精度：结构复杂，实际工况中 RV 减速器需要反复精确定 位，相当于不断启动和刹车，保持精度不衰减，如果精度低将会造成产品的磨损。加工工艺：各项工艺的密切配合，包括齿面热处理、加工精度、零件对称性、成 组技术、装配精度，这些工艺总装公差将会造成产品的磨损和寿命。一致性：作 为精密零部件，单个产品达到较高性能难度不高，但规模化量产的产品均达到标 准性能是极大挑战。
减速器进口垄断格局有望打破，国产替代进行时。全球机器人减速器市场高度集 中，日本厂商占据大部分市场份额，2021 年纳博特斯克占据中国 RV 减速器 53% 市场份额，哈默纳科占据中国谐波减速器 35.5%市场份额。但目前中国已将突破 机器人关键核心技术作为重要工程，国内厂商攻克了减速器、、伺服系统 等关键核心零部件领域的部分难题。中国 RV 减速器出口量总体呈现上涨态势， 进口量总体呈现下降趋势，RV 减速器国产化的趋势显现；近年来国内谐波厂商 逐渐进入下游客户供应链，中国品牌市占率逐年提升。进口以日本哈 默纳科公司的产品为例，其单价通常在 3,000~4,000 元之间，国产单 价为该价格的 30%~50%，具备价格优势。
丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产 品。常见的丝杠产品包括滑动丝杠、滚珠丝杠、行星滚柱丝杠等。滚珠丝杠是工业精密机械中常用的传动元件，其主要结构包括滚珠丝杠、滚珠螺 母、滚珠三部分。核心传动原理是将旋转运动转化为直线运动，化滑动摩擦为滚 动摩擦。当丝杠相对螺母旋转时，丝杠的旋转面通过滚珠的循环滚动推动螺母轴 向移动，化旋转为线性；滚珠的滚动使得丝杠和螺母之间的滑动摩擦转变为滚珠 与丝杠、螺母之间的滚动摩擦，化滑动为滚动，大大提升传动效率。行星滚柱丝杠属于新一代螺纹丝杠的高精尖分支，综合性能强且应用前景广阔。行星滚柱丝杠通过啮合滚柱产生线接触滚动摩擦，大幅增加丝杠传动过程的接触 面和受力面，与以往用于精密传动的滚珠丝杠相比，在传动效率损失不大的前提 下，又同时具备了高转速、高载荷、高刚度、高范围导程以及更小体积、更低噪 音、更方便维护拆卸等特点。目前已经在航空航天、武器装备、核动力等全球高 精尖领域运用，同时在机床、汽车 ABS 系统、石油化工等民用场景下也存在广 泛的应用需求。
滚珠丝杠：滚珠丝杠发明于 1874 年，20 世纪 30 年代，美国通用公司在汽车的 转向装置上首次应用了滚珠丝杠元件，20 世纪 40 年代，滚珠丝杠副首次在数控 机床上得到使用，并成为了数控机床的理想进给元件；伴随机床和自动化设备的 发展，对滚珠丝杠副的研究和生产得到推进，50 年始在工业发达国家出现 众多滚珠丝杠副厂家，如英国 ROTAX、日本 NSK 等。我国研制用于数控机床的 滚珠丝杠副起步于 20 世纪 50 年代，1964 年我国自行设计研制第一套滚珠丝杠 副，自 2009 年国家启动相关课题开始，国内企业如汉江机床、山东博特精工等 已经取得了许多优秀的成果，但目前我国在高性能产品上与世界先进企业相比仍 有进步空间，在国内市场上，中高端滚珠丝杠市场主要由德国和日本企业占据， THK、NSK、力士乐等国际企业可以占据高端市场 90%的市场份额，而中国大 陆企业主要活跃在中端市场，约占 30%的市场份额。主要原因为我国企业规模 小，起步晚，在产品质量上达不到高精度水平。
行星滚柱丝杠：1942 年，瑞典人 Carl Bruno Strandgren 首次申请了循环式行星 滚柱丝杠专利，1954 年申请了标准式和反向式行星滚柱丝杠专利，1986 年， William J. Roantree 发明了差动式行星滚柱丝杠，之后 Oliver Saari 发明了轴承 环式行星滚柱丝杠。1970 年，瑞士的 Rollvis 公司开始研制行星滚柱丝杠，瑞典 的 SKF 也同时研制行星滚柱丝杠，美国的 Moog、德国的 Ortlieb 和英国的 Power Jacks 等都有各自成熟的行星滚柱丝杠产品；美国的 Exlar 和德国的 Rexroth 都 将行星滚柱丝杠运用到各自的机电作动器中。2022 年日本、欧洲滚柱丝杠企业 在中国市场占有率高达 90%。根据观研报告网数据，2022 年我国行星滚柱丝杠 市场供应量排名前四的厂家分别是 Rollvis（瑞士）、GSA（瑞士）、Ewellix （瑞典）Rexroth（德国），市占率分别为 27%、26%、13%，12%。由于我国 企业在该行业起步晚，竞争实力距离国外工业发达国家企业有较大差距。
无框电机与伺服电机一样属于永磁同步电机，但只有定子及转子部件，没有伺服 电机外壳、轴、轴承等部件。无框电机结构紧凑、输出力矩高、堵转情况下仍能 连续运转，故通常应用于机器人、医药、包装、印刷等领域。无框伺服电机类似 普通伺服电机，但无框力矩电机在设计端采用更大的直径长度比、较高的极数、 更低的转速，使得它相对伺服电机可提供更大的扭矩。
无框力矩电机的壁垒体现在磁路和工艺设计。电机的转矩密度、功率密度是影响 机器人性能的重要指标，而无框力矩电机要在低压供电的环境下输出较大的功率， 因此在磁路和工艺设计方面存在一定的技术能力要求。海外厂商起步较早，工艺 技术存在先发优势，例如韩国 TM TECH 转子采用整体充磁磁环技术，美国科尔 摩根采用分布式的分数槽及碳纤维绑扎技术，德国 TQ Robodrive 采用模块化定 子和环氧塑封灌胶技术。国内企业起步晚，转矩密度和国外高端无框力矩电机相 比存在差距。美国科尔摩根是全球无框力矩电机龙头，拥有超 70 年的运动控制 研发经验，电机性能在全球处于第一梯队。国内目前进展较快的公司包括步科股 份、航天电器。相比海外龙头，国产无框力矩电机输出扭矩较小，在产品性能方 面仍有差距。
空心杯因特殊的绕组结构而得名，其转子形似杯子，也因其优异性能被誉为电机 领域“皇冠上的明珠”。空心杯电机是一种微型伺服电机，通常来讲尺寸一般较 小通常不超过 40mm。与传统电机对比来看，一般的直流有刷电机的转子是固定 在铁芯上的线圈，而空心杯电机最大的不同在于其电机绕组取消了铁芯结构设计， 转子仅由线圈按照一定的排列绕制而成，转子因形似杯子被形象地称为空心杯电 机。
空心杯电机趋势：有刷→无刷。有刷电机采用机械换向，随着电机旋转，电刷沿 着换向器滑动，产生动态的磁场，但也由于电刷和换向器存在相对滑动，容易损 耗；无刷电机通过驱动器实现电子换向，因不存在电刷，被称为“无刷电机”。无刷空心杯电机其定子部分使用空心杯绕组，采用无齿槽铁芯设计。该型电机具 有传统直流无刷电机高转速、长寿命、低噪音的特性，又兼具有刷空心杯电机高 功率密度、高效率的优势。
空心杯电机生产的关键是线圈的生产，因此其核心壁垒主要在于线圈设计、绕线 工艺以及绕线设备。空心杯电机的发展趋势始终是更小的体积、更快的转速、更 高的功率密度和更高的良率，而这些性能最直接的影响因素在于线圈绕制。导线 的线径、匝数、线性等都直接影响电机的各项核心参数。线圈绕制的核心壁垒直 接体现在线圈设计，因为不同的绕线类型在自动化率、铜耗等各有差异；另一方 面也体现在绕线设备和绕线方式上，不同的绕线机械绕制的空心杯槽满率有所差异，进而导致稀疏有别，直接影响电机损耗、散热、功率等。而先进的空心杯绕 线工艺和设计一直被海外厂商掌控，且海外设备价格昂贵。
空心杯电机发源于瑞士、德国、日本、欧洲等厂商研制较早，具有性能优异的生 产设备和稳定成熟的工艺。空心杯电机市场仍以老牌海外厂商为主，市场份额仍 然集中在头部厂。
