人形機器人產(chǎn)業(yè)爆發(fā)， 感知、運控模塊賦能
圖 1 人形機器人三大構(gòu)成部分 （資料來源：Yole，廣發(fā)證券發(fā)展研究中心）
人形機器人的“神經(jīng)”——感知模塊
早在2021年，國家發(fā)布“十四五”規(guī)劃，在這份事關(guān)中 國未來5年經(jīng)濟發(fā)展的重要文件中，傳感器與高端芯片、操 作系統(tǒng)、人工智能關(guān)鍵算法等并列，是建設(shè)數(shù)字中國的關(guān)鍵 技術(shù)。
據(jù)國際機器人協(xié)會預(yù)測，至2030年，全球人形機器人 市場規(guī)模年復(fù)合增長率將高達71%。中國電子學(xué)會也預(yù)計， 到2030年，我國人形機器人市場規(guī)模有望達約8700億元， 具備較大的增長空間。傳感器是人形機器人感知系統(tǒng)的核 心部件之一，人形機器人需要用到多種傳感器，大致上包括 視覺傳感器、位覺傳感器、運控傳感器和觸覺傳感器。相 關(guān)分析認為，人形機器人是傳感器市場發(fā)展的一次新機會, 隨著人形機器人產(chǎn)業(yè)未來的迅猛擴張，傳感器行業(yè)將進一 步擴容，全球傳感器市場規(guī)模有望超萬億。根據(jù)Statista的 研究數(shù)據(jù)，2022年全球傳感器市場規(guī)模達2512.9億美元， 2022-2025年CAGR預(yù)計達8.04%。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù) 據(jù)，2020年國內(nèi)傳感器市場規(guī)模達2494億人民幣，2020-2025年CAGR預(yù)計達20.0%(見圖2)。
圖 2 2020-2025 年全球及中國傳感器市場規(guī)模統(tǒng)計與預(yù)測（資料來源：Statista，東吳證券研究所）
按照傳感器檢測對象的不同，人形機器人的傳感器又 可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩大類，內(nèi)部傳感器：用來 感知機器人的自身狀態(tài)的傳感器，比如位置、速度、加速度 等;外部傳感器：用以感受機器人周圍環(huán)境、目標物的狀態(tài)信息的傳感器，比如視覺、觸覺、聽覺、嗅覺、溫度、力 覺等(見圖3)。
圖 3 傳感器在人形機器人中的應(yīng)用 （資料來源：Yole，廣發(fā)證券發(fā)展研究中心 ）
例如，特斯拉OptimusGEN2人形機器人更聚焦于運動 與控制、行走、平衡、精細操作與感知，通過其視頻，有 媒體推測，新一代Optimus人形機器人新增了多項特斯拉 自研傳感器，包括：足部力&力矩傳感可能采用了六維力矩 傳感器;全新11自由度靈巧手可能增加了壓力感知、觸力 感知和柔性微壓力感知等傳感器;其強大的平衡感知能力 顯然搭載了IMU等慣性傳感器及感知算法;以及直接感知環(huán) 境作用的柔性觸覺傳感器/電子皮膚等等。
而從用量來看，MEMS壓阻式觸覺傳感器可能是最先 放量的一類產(chǎn)品。人形機器人用到的觸覺傳感器可以分為 兩大類， 一種是基于MEMS技術(shù)集成的觸覺傳感器，包括壓 阻式、電容式、光電式、電磁式;另一種是視覺+觸覺傳感 器。MEMS壓阻式觸覺傳感器的技術(shù)最成熟，且具有易于批 量生產(chǎn)、小型化、集成度高、成本低等優(yōu)勢，可提供精確 的運動控制和靈活的物體操縱能力所需的基本內(nèi)部扭矩和 力的反饋，因而應(yīng)用面較為廣泛。根據(jù)QY Research的調(diào)查 數(shù)據(jù)，2022年全球前五大廠商占據(jù)76%份額，分別為美國 Tekscan、Pressure Profile Systems、Sensor Products、 德國Weiss Robotics、美國Syn Touch。國內(nèi)企業(yè)規(guī)模尚 小，其中漢威科技子公司能斯達主要生產(chǎn)薄膜電容觸覺傳 感器，可應(yīng)用于機器人身體;初創(chuàng)型公司帕西尼致力于用 列陣式柔性觸覺傳感器應(yīng)用于機器人領(lǐng)域;此外，墨現(xiàn)科技、他山科技、埔慧科技、力感科技也有相關(guān)布局。
(1)力/力矩傳感器
力傳感器能夠幫助機器人實現(xiàn)打磨、焊接等精密操 作，拓寬機器人應(yīng)用場景，優(yōu)化國產(chǎn)廠商于搬運、碼垛等 傳統(tǒng)環(huán)節(jié)的激烈競爭格局。此外力傳感器在人形機器人中 亦有廣泛應(yīng)用，為模仿人類，人形機器人需精準測量關(guān)節(jié) 受力情況，因此在手腕和腳踝處需搭載六維力傳感器。
相較于一維和三維，六維力傳感器優(yōu)勢突出，主要體 現(xiàn)在：①精度顯著提升;②結(jié)構(gòu)緊湊，適應(yīng)狹窄空間;③ 協(xié)調(diào)同步性好。但在性能突出的同時，六維力傳感器制作 難度也較高，其從結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、解耦算法的復(fù)雜 性等多方面難度均高于一維和三維傳感器。
目前六維力傳感器處于起步階段，市場規(guī)模較小，但 未來隨著六維力傳感器在機器人行業(yè)的逐步放量，市場規(guī) 模有望迅速增長。根據(jù)相關(guān)機構(gòu)測算，中性假設(shè)下預(yù)計至 2030年人形機器人用力傳感器市場有望達125億元，其中 六維力傳感器市場空間有望達80億元，將為傳感器行業(yè)帶 來全新增量市場。
多維力傳感器技術(shù)壁壘高，海外廠商占據(jù)主導(dǎo)。海 外供應(yīng)商：國外成熟的多維力傳感器廠商主要有美國的 AMTI、ATI、JR3、FUTEK，瑞士的 BOTA，德國的HBM等公 司，已開發(fā)出多種商用六維力/扭矩傳感器。國產(chǎn)供應(yīng)商： 一維度力傳感器技術(shù)門檻不高，國內(nèi)生產(chǎn)商眾多;三/六維 度力傳感器受到技術(shù)限制， 目前國內(nèi)主要“玩家”包括坤 維科技、藍點觸控、宇立儀器等，上市公司玩家中東華測 試、柯力傳感等具備一定技術(shù)基礎(chǔ)，逐步開展多維力傳感 器的研發(fā)生產(chǎn)。
(2)慣導(dǎo)+視覺傳感器：實現(xiàn)機器人高精度定位和導(dǎo)航
慣性傳感器是一種用于測量物體的加速度、角速度 和傾斜角度等參數(shù)的電子傳感器，包括加速度計、陀螺儀 和慣性測量單元(IMU) 三種， 其中IMU是市場份額最大 的品類。根據(jù)芯謀研究，2022年國內(nèi)IMU市場規(guī)模達到 43.1億元，預(yù)計2027年達到75.5億元，年均復(fù)合增長率達 11.9%。
視覺傳感器是利用光學(xué)元件和成像裝置獲取外部環(huán)境 圖像信息的一類傳感器。從輸出維度的角度來看，基于視 覺傳感器的感知方法可以分為2D視覺和3D視覺兩種。在人 形機器人、自動駕駛等高精度要求領(lǐng)域，3D視覺是目前的主要方向。
IMU和視覺傳感器具有互補性，能夠有效實現(xiàn)SLAM方 案(同步定位與建圖)，完成機器人定位和導(dǎo)航，未來均 有望受益于人形機器人產(chǎn)業(yè)趨勢。
國內(nèi)慣導(dǎo)傳感器(IMU)與視覺傳感器上市公司主要包 含芯動聯(lián)科、敏芯股份、華依科技、奧比中光、舜宇光學(xué) 等，具備較強的研發(fā)與市場競爭力。
人形機器人的“小腦”——運控模塊
從單臺特斯拉Optimus來看，其全身有40個執(zhí)行器， 是單臺多關(guān)節(jié)機器人的6～7倍，其中：身體關(guān)節(jié)部分采 用減速器/絲桿+伺服電機的傳動方式，計28個執(zhí)行器; 機械手基于欠驅(qū)動方案，采用電機+腱繩驅(qū)動(Tendon - driven) 的傳動結(jié)構(gòu)， 單手6個電機、11個自由度。根據(jù) Testla AI Day， 特斯拉自主研發(fā)的六種執(zhí)行器中，旋轉(zhuǎn)關(guān) 節(jié)方案基本繼承了工業(yè)機器人的設(shè)計，而線性執(zhí)行器和微 特電機是人形機器人的新需求。
在旋轉(zhuǎn)電機部分，不同廠家在關(guān)節(jié)驅(qū)動器零部件選用 的細節(jié)上各有不同。按照每個關(guān)節(jié)對應(yīng)一套伺服系統(tǒng)來看 的話，有機構(gòu)預(yù)測，如果以伺服系統(tǒng)均價1000元計算，同 時結(jié)合市場預(yù)測的2030年全球人形機器人出貨量有望達 百萬臺，那么，2030年全球人形機器人用伺服系統(tǒng)的市場 規(guī)模將有望達到500億元人民幣左右。目前，國內(nèi)伺服驅(qū) 動器市場以日系的松下、安川、本土的匯川、禾川等為代 表，而在微型大功率伺服方面，以色列ELMO、美國Celera Motion等則是這一特定領(lǐng)域內(nèi)的領(lǐng)先者。
在微特電機部分，空心杯電機為轉(zhuǎn)子無鐵芯結(jié)構(gòu)， 表現(xiàn)為無渦流損耗和磁滯損耗，具有低摩擦和良好的散熱 性，實現(xiàn)了電機的高效率;采用無刷結(jié)構(gòu)可以進一步提升 壽命、減少噪音，是人形機器人電池供電型設(shè)備的理想選 擇。根據(jù)專業(yè)機構(gòu)調(diào)查統(tǒng)計，空心杯電機全球市場規(guī)模在 2022年超50億元人民幣，預(yù)計2022-2028年CAGR約為8% (圖4);如果考慮人形機器人放量，增速將顯著提升。
圖 4 2020-2028 年全球空心杯電機市場規(guī)模統(tǒng)計及預(yù)測
(資料來源：公開資料，華精產(chǎn)業(yè)研究院整理)(單位：億美元)
國 外 空 心 杯電 機 龍 頭 公 司 包 括 Max o n Moto r 、 Faulhaber、Portescap，其產(chǎn)品橫向、縱向布局均較為 完善，并且具有較強的小尺寸電機和無刷電機設(shè)計能力。 國內(nèi)空心杯電機龍頭公司為鳴志電器，拓邦股份、雷賽智 能、偉創(chuàng)電氣等研發(fā)及生產(chǎn)則是以點帶面，隨著國內(nèi)公司的能力不斷深化，空心杯電機未來存在廣闊的國產(chǎn)替代空 間。繞組設(shè)計與設(shè)備、產(chǎn)品矩陣及背書是空心杯電機的核 心壁壘。Maxon 馬鞍形線圈、Faulbaber斜繞式線圈，具 有專利優(yōu)勢，產(chǎn)品品質(zhì)高;海外繞組設(shè)備 Merteor、田中精 機等研發(fā)能力、自動化水平也均較高，并在航空航天、醫(yī) 療、機器人等領(lǐng)域深耕多年，有著很強的客戶背書和客戶 粘性。
無框力矩電機與機器人關(guān)節(jié)高度適配。無框力矩電機 無邊框設(shè)計，具有體積小、質(zhì)量輕、慣量低、結(jié)構(gòu)緊湊、 功率高、適配性強等特點，在機器人關(guān)節(jié)等領(lǐng)域具有廣泛 的應(yīng)用前景。據(jù)統(tǒng)計，2022年力矩電機、無框電機全球 市場規(guī)模均超40億元人民幣，其中力矩電機全球市場規(guī)模 2022-2027年CAGR和無框電機全球市場規(guī)模2022-2029年 CAGR均約為8%(圖5)。從競爭格局來看，海外企業(yè)仍處 于領(lǐng)先地位，海外龍頭制造商包括科爾摩根、威騰斯坦、 尼得科、派克漢尼汾等;國內(nèi)企業(yè)中，步科股份、昊志機 電也有較強的產(chǎn)品力。
圖 5 2022-2029 年全球無框力矩電機市場規(guī)模統(tǒng)計及預(yù)測
（資料來源：Valuates Reports，浙商證券研究所）( 單位：億美元 )
正向研發(fā)能力、匹配下游設(shè)計是核心壁壘。無框力矩 電機的壁壘體現(xiàn)在磁路和工藝設(shè)計，海外廠商具有悠久的 發(fā)展歷史和較強的正向研發(fā)能力，能夠通過產(chǎn)品和經(jīng)驗積 累、模擬仿真軟件快速實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計，以滿足客戶需求。 無框力矩電機要比傳統(tǒng)的伺服電機定制化程度要高;很多 機器人廠商都在自研線性執(zhí)行器和旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器。從未來的 競爭格局來看，無框力矩電機或?qū)⒈瓤招谋姍C更加分 散， 一體化程度更高。
減速器是連接電機和負載的中間裝置，用于降低電機的輸出轉(zhuǎn)速、提高輸出扭矩。機器人領(lǐng)域所使用的減速器 屬于精密減速器，主要包括諧波減速器、RV減速器、精密 行星減速器。
精密減速器是機器人轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的核心零部件，人形機 器人產(chǎn)業(yè)化加速為精密減速器打開增量空間，目前人形機 器人的主流減速器方案為諧波減速器，部分機器人在下肢 采用了精密行星減速器。未來隨著人形機器人逐步放量， 精密減速器作為價值量占比較高的核心零部件，市場規(guī)模 有望大幅增長。以特斯拉發(fā)布的第二代Optimus機器人為 例，推測單臺機器人需要諧波減速器16臺，對應(yīng)價值量約 為1.6萬元;馬斯克曾在特斯拉Al DAY上預(yù)估Optimus機器 人產(chǎn)量將達百萬臺量級，在100萬臺Optimus機器人銷量的假設(shè)下，諧波減速器對應(yīng)的市場空間約為160億元。目前在國內(nèi)，綠的諧波、中大力德等是本土精密減速器行業(yè)的佼佼者。
線性執(zhí)行器包括滾珠絲杠副和滾動直線導(dǎo)軌副等， 絲杠為人形機器人線性執(zhí)行器的關(guān)鍵，機器人需通過絲杠 將電機旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動。絲杠具體可分為滑動 絲杠、滾動絲杠(滾珠絲杠&滾柱絲杠)、靜壓絲杠。其 中，滾珠絲杠可用于機器人傳動裝置，特斯拉人形機器人 Optimus下肢腿部采用無框電機+行星滾柱絲杠的線性執(zhí) 行器;而人形機器人中使用的滾柱絲桿，目前在中國市場 上仍以日本、歐洲企業(yè)為主，國內(nèi)企業(yè)起步晚，競爭實力 距離國外工業(yè)發(fā)達國家企業(yè)有較大差距，產(chǎn)品技術(shù)壁壘很 高，國產(chǎn)替代空間較大，國內(nèi)代表公司為貝斯特、鼎智科 技、恒立液壓、五洲新春等。
結(jié)語
在當前AI人工智能+機器人技術(shù)高速發(fā)展的加持之下， 2024年，將會是人形機器人從樣機階段走向批量化生產(chǎn)和 應(yīng)用落地的關(guān)鍵期，對于未來的市場空間容量，人們也多 以樂觀態(tài)度看待?！案呖煽俊⒌统杀?、可量產(chǎn)”——是現(xiàn)階段 人形機器人在商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展上追求的首要目標，這 尤其需要依靠全體產(chǎn)業(yè)鏈上下游的通力合作，其中也包括 運動控制核心部件廠商、各種技術(shù)路線的傳感器等等，來 共同建設(shè)圍繞人形機器人開發(fā)和應(yīng)用的創(chuàng)新發(fā)展生態(tài)圈。
