人形机器人-产业链
作为通用化程度高、集成度高和智能化的机器人，人形机器人需要极强的运动控制能力，也需要强大的感知和计算能力。
产业链-上游
01
精密减速器，例如：谐波减速器、RV减速器、行星减速器、摆线针轮减速器；
伺服电机，例如：无框力矩电机、空心杯电机；
丝杠；
传感器，例如：力矩传感器、触觉传感器、IMU（惯性传感器）。
软件部分包括：
感知软件，例如：语音识别、视觉识别、位置识别、运动识别；
认知软件，例如：语言处理、深度语义、知识图谱；
决策软件，例如：路径规划、行为决策等。
精密减速器
Precision reducer
减速器是连接动力源和执行机构的中间机构，具有降低转速、放大扭矩的作用。
精密减速器分为谐波减速器、RV减速器、行星减速器、摆线针轮减速器。
1、谐波减速器：
结构组成：
主要由柔轮、刚轮、波发生器三个核心部件组成，通过柔轮的弹性变形传递运动。
波发生器是谐波减速器的输入部件，它装入柔轮后，使柔轮产生弹性变形。在波发生器连续转动时，柔轮的变形部位也随之转动，从而使柔轮与刚轮之间产生相对运动，实现运动的传递和减速。在这个过程中，柔轮的弹性变形是实现传动的关键因素。
产品性能：
体积小：谐波减速器结构紧凑，在相同的减速比和承载能力下，相比于传统的减速器，其体积和重量都要小很多，便于安装在空间受限的设备中。
减速比大：谐波减速器通过柔轮、刚轮和波发生器之间的相对运动实现减速，能够实现较大的减速比，一般减速比可在50-300之间，甚至更高。
精密度高：谐波减速器的传动过程中，柔轮与刚轮的啮合点数多，误差平均化。其运动传递平稳，能够实现高精度的运动控制，使得定位精度和重复定位精度都较高，适用于对精度要求较高的场合，比如机器人关节、航空航天、精密仪器等领域。
优点：运动精度高，传动比大，较小的传动惯量，在同等输出力矩时，体积可以小到其他减速器的1/3，重量缩减1/2。
缺点：
柔轮每转会发生两次椭圆变形，容易引起材料的疲劳损坏，损耗功率大，同时存在回程误差：由于柔轮在弹性变形和恢复过程中，以及齿轮啮合间隙等因素的影响，使得在正反向传动时，输出轴的转角存在一定的差值。不过，通过合理设计和制造工艺，以及采用高精度的零部件，可以将回程误差控制在较小的范围内，以满足大多数高精度应用场合的要求。
不具有自锁功能：因为其传动原理是基于柔轮的弹性变形和波发生器的作用，当输入力消失时，输出轴可能会由于外部负载等因素的作用而发生转动。在一些需要自锁功能的应用场景中，可能需要额外添加制动装置或采用其他具有自锁特性的传动机构来满足要求。
-
应用场景：主要应用于机器人小臂、腕部或手部等轻负载部位（这些部位需要进行精确的位置控制和姿态调整，以完成各种精细的操作任务，另外，这些部位通常对空间和重量限制较为严格，谐波减速器的小体积和轻重量可以有效减轻机器人手臂的负载，提高机器人的运动灵活性和响应速度）
-
终端领域： 3C：例如手机、电脑等电子产品的零部件组装，要求机器人具备高精度的定位和动作控制能力。
半导体：半导体制造工艺对精度要求极高，如芯片制造中的光刻、蚀刻、封装等环节，需要机器人能够实现亚微米级甚至更高精度的定位和运动控制。
食品：食品生产过程中，需要机器人进行分拣、包装、搬运等操作。例如，在糕点、糖果等食品的包装环节，机器人需要准确地抓取和放置食品，对精度和速度有一定要求。
注塑：在注塑成型过程中，机器人需要完成取件、放置嵌件、喷涂等任务。对于一些小型注塑件的生产，使用30kg负载以下的谐波减速器机器人可以实现快速、准确的操作。
模具：模具制造和加工过程中，需要机器人进行模具的搬运、安装、调试以及辅助加工等工作。对于一些小型模具，谐波减速器组成的机器人能够提供足够的精度和灵活性。例如，在模具的抛光、电火花加工等环节。
医疗：医疗领域对机器人的精度、可靠性和安全性要求极高。在手术机器人、康复机器人、医疗检测设备等方面，谐波减速器都有广泛的应用。
-
价格：1000-5000元/台
2、RV减速器：
结构组成：
一般采用两级传动结构，由行星齿轮减速的前级和摆线针轮减速器的后级组成。
产品性能：
大体积：RV减速器通常具有较大的体积，因为其内部采用了复杂的两级传动结构，包括行星齿轮减速前级和摆线针轮减速后级。为了容纳这些传动部件以及保证足够的强度和稳定性，RV减速器需要有较大的外形尺寸和结构空间。
高负载能力：RV减速器的关键部件通常采用高强度合金钢等材料，并经过精细的加工工艺和热处理，如摆线轮采用特殊的齿形设计和高强度材料，能够承受较大的压力和摩擦力。
高刚度：RV减速器的壳体通常采用厚实的材料制造，并且具有合理的加强筋结构，能够有效地传递和分散力，减少因受力而产生的变形。同时，各个部件之间的连接和装配精度较高，能够保证在工作过程中不会出现松动或间隙过大的情况，从而维持了减速器的高刚度特性。
优点：高负载，传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳。
缺点：外形尺寸大，零部件多，结构复杂，加工难度大，价格贵
应用场景：一般应用于多关节机器人中机座、大臂、肩部等重负载的位置
终端领域：汽车、运输、港口码头等行业中通常使用配有RV减速器的重负载机器
价格：5000-8000元/台
-
结构组成：一般采用两级传动结构，由行星齿轮减速的前级和摆线针轮减速器的后级组成。
-
产品性能： 高刚性：通过多个齿轮同时啮合传递动力，能够有效分担载荷，使得整个传动系统具有较高的刚性，能承受较大的外力和扭矩而不易发生变形。
高耐磨性：采用优质的合金钢材料制造，表面硬度高，耐磨性能好，能够在长期的高速、重载运行条件下保持良好状态，减少磨损和疲劳破坏。 高扭矩：多齿啮合，能够将负载均匀地分布在多个齿上，从而实现较高的扭矩传递能力，适用于各种高扭矩传动的场合，如起重机械、矿山机械等。
高传动效率：传动效率一般在80%-90%左右。虽然在传动过程中存在一定的摩擦损失，但由于其结构紧凑，传动部件之间的相对运动较少，能量损失相对较小，因此仍具有较高的传动效率。
寿命长：由于传动精度高、磨损小，能够在长期运行过程中保持稳定的性能。
优点：结构简单，刚性和耐磨性更好
缺点：存在多级传动体积过大、精密化后性能降低等问题。输入轴与输出轴在同一轴心上，当需要较大传动比而采用多级传动时，体积会相应变大，精密化后性能有所降低。
应用场景：多用于直角坐标机器人及传统工业自动化
终端领域：多用于步进电机和伺服电机的减速运动，主要用于传统自动化领域
价格：200-2000元/台
伺服电机
Servo motor
无框力矩电机，全称为永磁无刷直流无框力矩电机。是一种具有较大径长比、较多数目磁极的特殊电机，主要由定子和转子两部分组成。
-
与普通电机相比，无框力矩电机具有体积小、精度高、装配灵活、转矩范围大、转矩功率高、响应速度快、转矩惯量比高、运行可靠性好等优点。应用于双足机器人、四足机器人、人形机器人、协作机器人、医疗机器人等高智能机械；五轴、多轴联动数控机床等高精密机床以及丝网印刷、物料运输设备之中。
空心杯电机，又称为“无铁芯电机”。是一种无铁芯转子的直流伺服电机，线圈无内部支撑结构，由导线绕制而成，通常来讲尺寸一般较小通常不超过40mm。
空心杯电机分为有刷和无刷。无刷空心杯电机具有高效、低噪音、长寿命、高转矩等特点，通常应用于机器人、无人机、航空航天器、医疗器械、电动工具等高端领域；有刷空心杯电机具有便宜、噪声大、寿命短、效率低等特点，一般应用于玩具、小家电等领域。
-
空心杯电机上游原材料主要包括永磁材料、漆包线、钢材、电子元件等，中游环节主要是电机的生产制造，包括电机的设计、加工、组装等，下游应用领域包括汽车、航空航天、电子、医疗、家用电器等。
-
与普通电机相比，空心杯电机具备体积小，控制精度高、寿命长、转速快、能效高、能量密度大等优势；与同等功率的铁芯电动机相比，其重量、体积减轻1/3-1/2，显著提高能量密度。
丝杠
Lead screw
-
行星滚柱丝杠主要分为标准式行星滚柱丝杠、反向式行星滚柱丝杠、循环式行星滚柱丝杠、差动式行星滚柱丝杠。 标准式主要应用于大负载、高速及高加速度领域，比如精密机床、机器人、军工装备等； 反向式主要用于小负载、小行程和高速领域； 循环式主要用于高刚度、高承载、高精度的场合，比如医疗器械、光学精密仪器等； 差动式拥有更短的导程，更大的减速比，更高的功率体积比和功率质量比，更适应高速重载的场合。
-
行星滚柱丝杠产业链上游包括原材料与零部件供应，丝杠选用的材料多为合金结构钢、螺母和滚柱选用的材料为高碳硌轴承钢，零部件包括丝杠、螺母等关键部件。 -
下游应用场景主要包含汽车及新能源、智能汽车、石油天然气、医疗器械、光学仪器、工程机械、机器人、自动化和机床设备等。 -
其中在人形机器人领域，主要用于直线关节部位，具有高承载、快响应、体积小、噪音低、高精度等优点；在医疗器械、光学仪器、机器人、自动化和机床设备领域替代滚珠丝杠，具有导程小、精度高、稳定性好、寿命长等特点。
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、滚柱螺母、滚珠三部分。
常见的滚珠丝杠包括自润式滚珠丝杠、静音式滚珠丝杠、高速化滚珠丝杠以及重负荷型滚珠丝杠等。
-
从循环方式看，滚珠丝杠包括内循环和外循环两种，内循环是指滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触，外循环是指滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触。
-
从应用市场看，滚珠丝杠主要应用于机床、专用设备（半导体、电池制造及其他专用设备）、工业自动化（机器人）、医疗器械、汽车等领域。 -
在人形机器人领域，滚珠丝杠的应用保证了机器人的稳定性和可靠性，以及关节传动的精准控制，从而能够执行更复杂和精细的任务。对Tesla Optimus的成本拆分，可以得到滚珠丝杠占到机器人总制造成本的12.07%，其中行星滚柱丝杠占比9.85%，滚珠丝杠占比2.22%。
传感器
Transducer
传感器是指能够感知并转换物理量或化学量为电信号的装置，是人形机器人的“感官”，负责采集和处理环境和自身的各种信息，为机器人的决策和控制装置提供数据支持。包括六维力传感器、一维力传感器以及压力传感器等。
机器人技术中，传感器根据用途分为内部传感器和外部传感器。内部传感器主要用于监测机器人的内部状态，如位置、速度和加速度，主要包含位置传感器、速度传感器、力矩传感器、平衡传感器和加速度传感器等；外部传感器则专注于捕捉机器人外部环境的信息，例如距离、声音、光线和触觉，主要包含视觉传感器、触觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器、味觉传感器和接近觉传感器等。
力矩传感器、触觉传感器和IMU（惯性传感器）是人形机器人感知层的核心零部件。
1、力矩传感器
力矩传感器能检测张力、拉力、压力、重量、内应力和应变等力学量，它直接影响着机器人的力控制性能。
根据测量维度，力矩传感器可分为一至六维力矩传感器。其中以一维、三维、六维力传感器最为常见。
一维力矩传感器：方向与标定坐标轴重合，作用点位于标定参考点 三维力矩传感器：方向无限制，作用点位于标定参考点； 六维力矩传感器：对于方向和参考点都无限制。
触觉传感器是连接机器人触觉感知系统与物理世界的底层核心元件，功能是将机械刺激转换为电信号，然后传输给机器人的控制系统，从而实现对外界物体的感知和反馈。
人形机器人的触觉传感器主要集中于手部、足部、躯干等部位，用于实现对物体的抓取、对地面的平衡、对外力的反馈等功能。未来，人形机器人的触觉传感器将覆盖全身各个部位，甚至包括面部、口腔、舌头等部位，用于实现更丰富的触觉感知和表达，以及更高级的人机交互。
（柔性）触觉传感器是触觉传感器的一种，可以感知压力、温度和湿度，并具备可弯折、延展性等特质。广泛应用于医疗保健、消费电子、工业等领域。依据物理机制，可分为压电式、压（电）阻式、电容式、离电式、摩擦电式五种。
压电式：无需外部供电，灵敏度高、对动态力响应时间达到微秒级，但不适用于测量静态恒温压力； 压（电）阻式：结构和制备流程简单、成本低、抗电磁干扰能力强，但测量过程中产生的热噪声会影响后续测量质量、同时由于无法辨别电阻变化是由压力变化还是弯曲造成，解耦性困难； 电容式：能同时测量静态力和动态力，但规模化制备成本较高； 离电式：具备电容式的优点、抗干扰能力比电容式强，但制备工艺复杂，成本高； 摩擦电式：成本低、输出电压高、无需外部供电，但只能检测动态力。
-
人形机器人所需的“电子皮肤”使用柔性材料制备而成的阵列式触觉传感器，有望使人形机器人具备多物理量（温度、力、粗糙度等）感知能力，帮助机器人实现精细操作。
惯性测量单元（Inertial measurement unit，简称IMU），是测量物体三轴姿态角及加速度的装置。一般IMU包括三轴陀螺仪及三轴加速度计，部分IMU还包括三轴磁力计。IMU在手机、VR、航空航天领域都得到了广泛应用。
IMU通常包含陀螺仪、加速度计，有的还包含磁力计和气压计。
加速计是一个测量特定力的传感器，它提供在其本地框架内跨越x、y、z轴的加速度。
陀螺仪是一个传感器，它测量在其本地框架内围绕x、y和z轴的角速度。
磁强计是一个测量地球磁场并提供航向的传感器。
气压计是一个测量气压的传感器，可以提供海拔高度。
产业链-中游
02
中游是人形机器人本体的制造商，负责将各个零部件组装成完整的机器人产品，并进行测试和质检。
产业链-下游
03
下游是人形机器人的终端应用市场，包括医疗、教育、救灾救援、公共安全、生产制造、家庭陪护等多个领域。根据应用类型，人形机器人可分为智能服务型人形机器人、工业型人形机器人、医疗型人形机器人、军事型人形机器人、教育型人形机器人以及娱乐型人形机器人。
工业型人形机器人通常被用于工业领域，例如生产线上的操作、维护和检测等。
医疗型人形机器人主要用在医院中协助医生进行手术，可以完成难度较大、技术要求较高的手术，例如头颅手术（脑补整形手术等），用机械的精度和平稳来代替人类的精细手术，减少了医生对手术质量的担忧。
教育型人形机器人主要是作为教学辅助工具，比如应用于学校的编程教育和机器人竞赛中，能让学生更加直观地理解编程逻辑，增加编程实践经验。
军事型人形机器人可以用在战场上执行任务，例如驾驶汽车、持枪射击、区域反恐、精准狙击等。
娱乐型人形机器人主要用来作为玩具和表演道具。
人形机器人-结论
人形机器人是信息、制造、材料、能源、生命等技术的集大成者，有望不断涌现新经济的增长点。随着社会智能化水平的提高和机械装备、材料装备和其他相关仪器设备的成本越来越低，人形机器人未来将在各个行业呈现爆发式增长，应用场景也会越来越广泛。
人形机器人零部件中，伺服电机是“肌肉纤维”，国产伺服电机扭矩密度大多卡在8Nm/kg，谐波减速器是关节里的“变速齿轮”，国产产品有宣称寿命达到6000小时的，但在频繁正反转工下，疲劳断裂提前到4000小时，力矩传感器是“末梢神经”，六维力传感器国产总误差超过2%等等，在这些核心零部件中，未来哪些企业最先攻克这些技术难题，最先抢占市场份额，有望成为行业的领军者。
风险提示
- 本文所述内容和意见仅供参考，
- 不构成市场交易和投资建议，
- 对投资者不构成任何操作建议。
- 本机构不对任何人使用此全部
- 或部分内容的行为或由此
- 而引致的任何损失承担任何责任。