人形机器人执行器的技术壁垒

会议要点

1. 揭示人形机器人执行器的技术壁垒

人形机器人电机的需求和挑战：人形机器人需要具有多自由运动能力，因此主要使用无框扭矩电机，因为对结构、功率密度和重量尺寸有特殊要求。颈部和手需要高灵活性，因此使用高速空心杯电机。整体电机需求具有扭矩密度高、灵活性高、尺寸紧凑的特点，电机设计面临着高效、低热耗的挑战。

电机技术障碍分析：空心杯电机制造复杂，专利障碍明显，绕组工艺独特，专利保护频繁，绕组机成本高。由于小型设计难以提高效率，面临加热和效率问题，限制了高端应用。国际品牌效率高，速度快，国内品牌效率普遍较低。

轴承技术与电机集成：小型高速空心杯电机中的轴承需要共同开发，以提高耐久性和可靠性。国内电机和轴承的单独研发可能导致电机性能低于国际品牌。

2. 机电执行器市场和技术壁垒

专利障碍影响新玩家进入市场的速度：在机器人电机和执行器行业，专利设计和生产过程的复杂性对新进入者构成了巨大的困难，这可能导致国内二线品牌进入市场的速度较慢。

市场规模和需求限制了新企业的发展：目前，全球空心微电机市场规模相对较小，仅100亿元左右。大部分市场份额被几家大型制造商占据。医疗设备和电动工具的细分市场相对稳定，不易吸引新玩家。

国内外电机设计能力差距：国外企业在电机设计中具有较强的积极设计能力和成熟的工具链，国内仍处于半积极设计阶段，参考设计导致工具链和产品验证不足，国内外性能指标与产品多样性存在差距。

3. 执行器优化和成本控制

机器人电机和执行器的设计应考虑优化运动指标（速度、抗冲击性、刚度）和迭代过程；零件选择可能从外部供应商转向部分内部制造。

国内轴承技术已适用于机器人行业；市场对性价比的需求促使国内品牌在机器人轴承市场占有较大份额。

编码器在执行器中起着闭环控制作用，影响机器人的位置精度；国内供应商可以生产一些相关产品，但一些核心部件仍然依赖进口。

4. 电机制造成本和市场策略

小功率空心杯电机市场价格在1000~2000元之间，高产量仍难以低于700元。

无框扭矩电机市场价格为500~800元，大规模生产成本可降至200元，核心优势在于材料与生产线共享降低成本。

科尔摩根在电机行业发挥着主导作用，在定制化和产品一致性方面具有主要的竞争优势，在手术机器人等高附加值市场上表现突出。

5. 机电执行器的领先优势分析

功率密度:部分国外厂家的电机功率密度超过35千瓦/kg，许多中国大约是2千瓦/kg，这表明中国企业在这方面存在差距，需要通过电磁设计或材料选择来改进。

定制优势：海外企业定制的优势在于速度和稳定性。虽然中国企业具有工程师的优势，但他们需要积累更多的经验来减少产品模拟和实际验证的准确性之间的差距。

产品稳定性和价格：只要国际品牌价格合理，例如，特斯拉可能倾向于选择这些稳定和技术积累的产品。虽然中国企业在无框机电机领域实力雄厚，但在市场规模较小的时候，往往会转向伺服电机，在产品的小差距上仍需提高竞争优势。

6. 分析机器人电机和执行器

欧洲电动自行车市场火爆，电机与机器人执行器技术相通，成本和性能要求相似。

旋转变压器(旋转变压器)广泛应用于工业机器人领域，但精度低，成本低，与光学增量编码器处于同一水平。

增量光电编码器主要用于合作机器人领域，因为它的成本更低，解码更简单，同时满足性能需求。旋转并没有广泛应用于人形机器人，但它是可能的。

7. 微电机设计与性能分析

电机设计相关性：空心微电机转子惯性低，主要是由于其细长的设计和无铁芯结构，导致惯性和质量下降，满足高速运动的要求。

减速装置的功能：为了配合空心微电机的高速，制造商通常选择多级行星减速装置，实现高度减速，合理增加长度。

紧急制动器的重要性：在移动机械臂等重力负载设备中，紧急制动器（安全锁）和自锁机构对防止机械自由下落造成损坏至关重要。

Q&A

Q：人形机器人的电机用途是什么？它们各自的特点是什么？

A：无框扭矩电机和空心杯电机主要用于人形机器人。由于这些部件需要高扭矩密度、紧凑结构和高功率密度，无框扭矩电机主要用于机器人的手臂和脚，以及第二代特斯拉在颈部增加的两种自由度。空心杯电机用于手和手指，因为这些部位更注重灵巧紧凑的尺寸。马达通常由电池供电，典型电压为48伏，属于低压直流特性。

Q：空心杯电机的结构特点和技术壁垒是什么？

A：空心杯电机的结构特点是圆柱体细长，响应时间快，无齿槽扭矩运行平稳，转速高。空心杯电机的效率难以提高，随着转速的提高，可能会出现明显的发热问题，从而影响精度和应用范围。技术壁垒主要体现在生产复杂的线圈绕线方式上，这涉及到专利限制、绕线机的特殊性和较高的成本，以及高速下的效率优化和噪声控制等设计挑战。

Q：国内外空心杯电机制造商之间的差距如何？

A：马克森和福尔哈贝等国际品牌在空心杯电机的技术效率、速度和专利方面处于领先地位。例如，对于相同尺寸的电机，外国品牌可以达到更高的速度和80%以上的效率标准，而国内效率通常较低，速度标称不足。此外，国外制造商可以更好地与轴承供应商合作，深入研发小型轴承在高速应用下的耐久性和失效率。电机和轴承的研发通常在中国分开，这可能会进一步降低电机的性能指标。总的来说，国内制造商需要一段时间来缩小与国际品牌的差距。

Q：在机器人电机和执行器的市场上，行业专利是否构成了较高的障碍，国内二线制造商是否难以进入这一领域？

A：行业专利，特别是线圈和绕组工艺专利，确实是新市场制造商的核心技术难点，但这一难点不足以完全阻碍他们的进入。然而，对于新制造商来说，更重要的考虑是市场规模。目前，全球微特电机市场规模不大，即使市场规模约100亿元，其中一半已被几家主要玩家占据。由于市场细分稳定，新进入者可能会发现市场容量和服务投资较低，有限的市场规模可能会让他们犹豫不决。

Q：对于机器人执行器制造商来说，海外和国内企业的设计水平有什么区别？

A：从设计的角度来看，海外厂商形成了强大的软硬设计能力，具有完善的工具链和快速迭代验证产品的能力。但国内企业略逊一筹，在设计过程中倾向于参考和半正向设计，参考他人的设计，在产品验证上存在不足。这一差距体现在性能指标和产品多样性上。此外，电机的设计不仅是机电产品的设计，还需要材料的优化和电子设计目标的匹配。为了优化产品，需要与供应商深入合作，研究材料学。与国外相比，国内企业在这方面还有进步的空间。

Q：像特斯拉和小米这样的公司可能会独立开发机器人和执行器，这会对供应商产生更大的影响吗？

A：在这种情况下，设备制造商可以将电机作为其核心竞争力，并自行开发和制造，这在人形机器人领域是非常可能的。例如，人形机器人的动力关节和执行器不仅是直接执行的组成部分，而且是承担结构、动力执行和传感交互的综合组件。这些关键部件对整个设备的性能至关重要，设备制造商可以选择独立研发，以保持其竞争力。从成本和控制系统集成的角度来看，设备制造商很容易将其视为核心竞争力，从而影响现有电机和执行器供应商。

Q：机器人电机的设计在优化机器人性能方面有什么作用？未来生产中会选择什么样的供应商策略？

A：设计在速度、抗冲击性和刚度等优化机器人的运动指标中起着重要作用，这些性能的优化将反向执行器。系统设计需要从顶层考虑，将需求分配到关节层面，并经历多次迭代优化过程。在早期阶段，零部件供应商可能会选择合作进行快速迭代，但随着时间的推移，制造商可能会内部化关键部件的生产，尽管所有执行器组件不会完全独立生产。编码器和轴承等关键性能指标可能会受到更多的内部控制。

Q：机器人领域使用的轴承现状和国内轴承在这一领域的竞争力如何？

A：机器人行业使用的轴承需求不同，旋转执行器主要使用深沟球轴承和减速器输出端的支撑轴承。国内产品在这一领域表现良好，特别是洛阳宏源低速、低扭矩负荷轴承已广泛应用于谐波减速器。由于机器人领域的成本性能要求，国内轴承可以满足大规模生产的需求，而机器人的缺点可能更多地存在于其他组件中，因此国内品牌在市场上占有很大的份额。由于技术指标不明确，直线执行器使用的推力轴承短期内可能主要依赖进口，但预计中国制造商也将进入批量生产阶段的市场。

Q：执行器中使用的编码器有哪些类型，国内供应商在这一领域的表现如何？

A：在旋转执行器中，增量编码器和霍尔通常用于交换方向和速度控制，绝对值磁学编码器通常用于减速器输出端。这些编码器的协同作用提高了机器人的位置精度和运行稳定性。绝对值编码器的成本相对较低，目前市场价格在300-400元以内。大规模生产的增量编码器和霍尔元件的成本较低。虽然解码芯片可能依赖进口，但国内供应商可以生产光盘和磁盘，这表明国内在供应链方面表现良好。对于直线执行器，检测直线位移通常需要更昂贵的直线编码器。过去，这些应用程序较少，导致成本过高，但随着机器人领域的发展，随着定制程度的提高，预计成本将降低。

Q：未来空心杯电机和无框扭矩电机的价格有可能降低吗？

A：由于目前成本相对较高，投资者关注空心杯电机和无框扭矩电机的未来价格趋势。目前这种电机的价格可能在1000元以上。随着机器人产业规模的扩大和大规模生产的实现，成本可能有显著下降的空间。虽然没有提供具体的预期数字，但预期成本可以降低到200元左右，这符合机器人领域追求最终性价比的原则。

Q：市场上30瓦左右的小型空心杯电机的价格范围如何？

A：这种电机的市场零售价通常在1000元到2000元之间。即使是性价比高的品牌，比如明智，也需要1500元左右，不到1000元，但不多。在高预期市场需求的情况下，价格可以低于1000元，但目前市场上很少有价格低于700元到800元。例如，在呼吸机行业，虽然电机功率不大，但年需求至少为4万或5万套，订单量仍然相当可观，但成本很难低于100美元。

Q：目前，机器人电机和执行器专业的产品技术路线和生产技术在未来价格方面的预期趋势是什么？

A：目前，如果产品技术路线和生产工艺保持不变，预计降价空间不大，成本评估难度小于700元。但对于无框扭矩电机，由于其应用场景广泛，生产工艺相对成熟，价格有更大的想象空间，特别是在合作机器人行业，成本降至200元。目前，批量价格一般在500元到800元之间，但对于电机制造商，如果批量足够大，设计简化，配置降低，生产成本可降至200元以下。

Q：为什么无框立体电机的成本可以低至200元？

A：这主要是因为它的结构比较简单，很多部件，比如补铁、绕线、硅钢板，都可以和其他电机共用生产线，所以可以共用几种材料。这种平台应用和材料共享导致生产成本分摊较低。同时，在汽车行业，由于年产量巨大，成本可以降低到很低的水平(比如10美元)，所以在150-200元的价格范围内可以有盈利空间。一旦批量大，产品设计追求终极性价比，成本就会相应降低。然而，这种高速自动化生产线的初始投资成本将非常高。

Q：国内外无框力矩电机领域的竞争格局和差距是什么？

A：无框扭矩电机制造商的竞争比空心杯电机制造商更加分散。在一些特定的行业，如机器人行业，科尔摩根和布科等国际知名品牌之间的差距正在缩小。国际品牌在效率、功率密度和轴上在尺寸和其他机器人行业的指标方面仍有一些领先地位。但成本相对较高，因此通常进入手术机器人等高附加值市场，在合作机器人等行业难以竞争。科尔摩根的优势在于其丰富的产品线和定制能力，在产品一致性方面也处于领先地位。总结其核心竞争壁垒主要在于设计能力和材料选择。

Q：无刷电机的功率密度与国内企业和海外企业有什么区别？有没有定量数据可以解释？

A：大约一半的外国制造商可以达到每公斤35公斤以上的功率密度，而许多国内制造商的产品的功率密度约为每公斤2000瓦。通过改进电磁设计，选择合适的材料，可以提高功率密度。

Q：海外企业在定制方面是否有特殊优势？国内工程师的劳动力成本是否给国内企业带来了优势？

A：定制产品的快速性和稳定性是海外企业的主要优势。快速性体现在丰富的参考设计和定制经验，能够快速提供解决方案；稳定性来自工程经验的积累，这可以最大限度地减少设计模拟结果与实际产品之间的差异。虽然国内企业在工程师成本方面可能有优势，但外国企业通常可以更准确地实现客户的定制需求，具有模拟与实际产品的一致性。

Q：日本无框电极产品是否具有性价比优势？如果国内企业开发相应的产品，能否与之竞争？

A：虽然国内企业可以开发性能相近的产品，但与海外成熟企业相比仍存在一定差距。例如，国内企业的产品可以达到80分，而海外企业可以达到85分。由于产品设计、生产优化和产品稳定性密切相关，特斯拉等制造商更倾向于选择性能稳定、历史积累的品牌。此外，只要海外品牌的价格降到一定程度，即使性能相等，特斯拉也不容易选择国内品牌。虽然国内无框机电技术成熟，但与海外品牌相比，如果没有明显的成本优势，竞争力有限。

Q：制造伺服电机的国内企业能否转型制造无框电机，迅速赶上国外品牌？

A：虽然国内制造商有能力生产一定水平的产品，但超越国外品牌需要很长时间的技术积累和投资。底层技术相互关联，使从伺服电机向无框电机的转型在技术上是可行的，但国内企业需要更多的时间才能达到和超越国外同行的水平。

Q：电动自行车中使用的扭矩电机和无框扭矩电机有什么区别？

A：这个问题的内容。

Q：电动助力自行车中的电动机和执行器在性能和成本要求上与无框力矩电动机和机器人执行器有何不同？

A：电动自行车领域的电机和执行器功能相对简单，主要包括电机、电气控制、扭矩传感器和位置传感器，通常使用行星齿轮而不是谐波齿轮，因为它们不需要那么大的速度比。因此，其性能指标和成本要求与无框扭矩电机和机器人执行器非常相似，尽管设计要简化得多。

Q：能否介绍一下测位仪的编码器和旋转变压器的应用情况？

A：旋转变压器主要用于测量旋转角度，不能测量直线位移。无论是直线执行器还是旋转执行器，内部都是旋转电机，理论上可以使用旋转变压器。目前，光栅光学旋转编码器主要用于市场，而不是旋转变压器，尤其是在工业机器人行业。由于其成本低、单线绝对特性，工业机器人中的旋转伺服电机通常配备旋转变。虽然旋转精度相对较低，但在许多工业应用中已经足够使用。相对而言，绝对高分辨率的光栅解码器成本更高，但性能更高。旋转通常用于汽车行业，因为旋转的稳定性和适应汽车行业优化的多极设计提高了精度和分辨率。在人形机器人和合作机器人行业，旋转应用较少，原因是轴向尺寸较大，不适合机器人行业的尺寸要求严格，二是旋转需要特殊的解码芯片来处理正余弦电压，相比之下，增量光电编码器可以直接通过MCU读取数字信号，简化了电控板的设计，降低了成本。然而，如果对轴向尺寸进行一些优化和定制，旋转在人形机器人领域的应用仍然是可能的。

Q：为什么空心微电机转子惯性低？

A：空心微电机转子惯性低主要与其设计形状有关。旋转惯性的计算公式是( I= mr^2），即惯性I与质量m和半径r的平方成正比。空心微电机通常设计为细长型，导致半径r相对较小，从而降低旋转惯性。此外，由于空心微电机没有转子芯，质量m也相应降低，这也有助于降低旋转惯性。

Q：如何满足灵巧机械臂中空心微电机高速减速的需要？

A：空心微电机不单独作为单一产品销售，通常配备后端减速器。面对高速需求，一般行星减速器可能不足以满足要求，因此将采用多级减速。一级减速相对较低，但通过三级减速，速度比将显著增加。例如，如果一级速度比为10，则三级速度比可达1000，以实现高速下的有效减速。

Q：空心微电机启动速度快的原因是什么？

A：空心微电机启动速度快的原因是其电机的设计。由于没有铁芯，电气时间常数较短，转子惯性较低，有利于加快启动速度和响应时间。

Q：在无框电机中使用安全制动器的目的是什么？

A：安全制动器，又称安全闸门，主要用于无框电机，包括保持机器人串联机构在失电状态下的结构稳定，避免外力造成变形。此外，安全锁类似于汽车的手刹，而不是脚刹，必要时可以定位电机轴，特别是在紧急制动的情况下。在机器人领域，旋转关节通常配备锁紧，但直线执行器可以通过机构的反向自锁来实现类似的功能。例如，由于空间限制，手指部分可能不会被锁住，而是依靠结构自锁来保持负载。该设计还可以节省电力，在保持物体状态时不需要连续供电。纪要私享圈