（报告出品方/作者：海通国际，吴旖婕）

一、机器人：引领智能化风潮

1 概述

国际机器人协会（International Federation of Robotics，IFR）提出，机器人是可在 两个或多个轴上进行编程的驱动机制，具有一定程度的自主性，在特定环境中移动以 执行预定的任务。 要深入理解机器人的定义，第一个关键词是“可编程”。编写程序是执行预定任务 的前提，带有可编程的计算机芯片的自动化机器在生活中也很常见。然而机器人与自 动化机器最大的不同在于，自动化机器的程序编写完成之后不能随意改变，其程序一 旦编写完成即被固定在内部；而机器人的程序不仅可以编制一次，且可根据需要编制 任意次，根据使用者的意愿，对之可以改变、增加或删除。 第二个关键词是“驱动机制”。驱动机制是执行预定任务的必要硬件条件，可以理 解为将编写好的程序执行完成的机制。机器人与其他自动化机器的区别在于它的程序 可重编性和万能性，机器人与计算机的区别在于它有一个操作机构。 第三个关键词是“自主性”。一旦程序编写完成并下达执行命令后，机器人可根据 现实状态和感应执行预定任务，并不需要其他人为操作。 机器人的分类方式有很多种，国际机器人协会根据使用场景将机器人分为工业机 器人和服务机器人。

据 IFR 2022 年工业机器人报告显示，世界各地工厂中运行的工业机器人已达 350 万台，同增 15%，创历史新高。2021 年全球出货量为 517,000 台，IFR 预计 2022 年将 增长 10% 至 570,000 台。

分地区看，亚洲仍是全球最大的工业机器人市场。2021 年所有新装的机器人中 74%安装在亚洲。其中，中国贡献了最多的安装量，出货量为 380,911 台，是有记录 以来单个国家的最高值，说明中国机器人化的速度很快。

2 机器人应用案例

由于机器人有着减少工作场所给人员带来伤害、降低生产成本等优势，随着技术 的成熟，机器人应用场景进一步拓展，从制造业等传统行业到医疗、智能家居行业， 和人们的生活的关系越来越密切，下面介绍一些有趣的机器人应用案例。

2.1 Stäubli：机器人 TX200L HE 辅助奶酪维护系统

为了降低储存奶酪的成本、提升奶酪的质量，位于德国阿尔高山区的 Leupolz Emmental 奶酪乳品厂引进了一个创新的全自动存储和维护系统——机器人辅助奶酪维 护系统。该系统由六轴机器人 Stäubli TX200L HE 组成，该系统不仅符合严格的卫生标 准，而且效率很高，一小时可处理 80 个奶酪。

2.2 Recycleye Robotics：分类回收机器人

随着回收行业的发展，机器人制造商 FANUC 和智能垃圾管理公司 Recycleye 在材 料回收设施中部署模块化机器人拣选系统。Recycleye Robotics 以每分钟 55 次的速度执 行识别、拾取和放置材料的任务，使设施的总吞吐量增加一倍。

2.3 Blue Ocean Robotics：UVD 消毒机器人

自新冠疫情爆发以来，清洁机器人的销量激增。丹麦公司 Blue Ocean Robotics 提 供 UVD 消毒机器人，该机器人可以在医院周围自动移动发射 UV-C 光进行消毒。通过 使用激光雷达传感器创建环境地图，然后操作员标记该地图，以显示哪些房间和其他 区域应该或不应该消毒。

此外，机器人不仅用于清洁，还用于减少人与人之间的接触，例如酒店使用机器 人进行房间清洁或提供客房服务。机器人管家配备一个带有安全储物箱的移动机器人 底座。将订购的物品装入存储箱，然后派送机器人。

二、当前较为先进的机器人的特征及功能

1 波士顿动力公司 Atlas

波士顿动力公司（Boston Dynamics）是一家美国工程与机器人设计公司。公司主 要产品有波士顿机械狗、Atlas 机器人、Cheetah、LittleDog、RiSE、步兵班组支援系 统、PETMAN。其中，波士顿机械狗是由国防高等研究计划署（DARPA）出资，替美 国军方开发的四足机器人。2021 年 6 月，现代以 11 亿美元正式完成向软银收购波士 顿动力公司 80%的控股权。 Atlas 机器人（Atlas robot）是一款基于波士顿动力公司早期的 PETMAN 人形机器 人研发的双足人形机器人，由美国波士顿动力公司为主开发，并由美国国防部国防高 等研究计划署（DARPA）资助和监督。Atlas 机器人专为各种搜索及拯救任务而设计， 于 2013 年 7 月 11 日向公众亮相。

Atlas 身高 1.5 米，重 89 千克，全身由航空级铝和钛建造。四肢由电池与液压驱 动，全身具有 28 个自由度，配备 RGB 摄像头与深度传感器。身体和腿部的传感器用 于保持平衡，头部的光学雷达和立体传感器用于地形评估与避障。Atlas 使用 3D 打印 部件为其提供跳跃和翻筋斗所需的强度重量比。其拥有世界上最紧凑的移动液压系统 之一。定制的电池、阀门和紧凑的液压动力单元使 Atlas 能够为其 28 个液压接头提供 高功率，从而完成高难度运动。 Atlas 先进的控制系统能够实现高度多样化和敏捷的运动，速度可达 2.5 m/s。通过 实时感知、行为库与模型预测控制三技术的完美配合，Atlas 机器人能够执行如跑酷等 高难度运动。 Atlas 的实时感知功能使用深度传感器生成环境的点云，来检测其周围环境。感知 算法加工摄像头和激光雷达等传感器数据，以每秒 15 帧的速度生成环境的点云，然 后使用多平面分割的算法从点云中提取平面，再将输出的结果输入到映射系统中，构 建不同对象的模型。

Atlas 执行的每个动作都来自轨迹优化提前创建的模板。创建行为库记录模板，并 通过向库中添加新轨迹来不断向机器人添加新功能。之后，机器人从库中选择与给定 目标尽可能匹配的行为组成动作。 Atlas 模型预测控制器使用机器人动力学模型来预测机器人运动，并相应地进行调 整运动。在确定感知障碍与给出行动计划后，模型预测控制器填补执行计划所需的细 节，以应对环境、脚滑或其他实际因素的差异。

2 PAL Robotics 公司 TALOS 机器人

TALOS 机器人是西班牙机器人制造商 PAL Robotics 公司研究设计的一款行走人形 机器人。PAL Robotics 公司在研究、物流、零售和社交四个主要领域提供尖端技术解 决方案。该公司也是欧盟机器人协会的创始成员之一。

PAL Robotics 设计 TALOS 的目的是让其在恶劣的工业环境下执行体力要求高且准 确的任务。其初步设计目标是能与人类在工业应用中并肩作战，远期规划目标是能从 事搜索和搜救工作，且能在危险工作领域代替人类。

TALOS 是成人大小的人形机器人，其高 175 厘米，重 95 千克。该人形机器人装配 了两片 Intel i7 芯片、RGB-D 摄像头、2 个扬声器和 32 个自由关节。它的每个活动关节 都装配了扭矩感应器，并控制每个关节的扭矩，这让它能实现强大的感应和多接触运 动。此外，“扭矩反馈-控制扭矩”的闭环系统能使 TALOS 进行全身逆动力学控制。 TALOS 支持 EtherCAT 网络，该通信网络允许其以 2kHz 到最高 5kHz 的频率控制回路， 使 TALOS 具有高反应性。

3 优必选 Walker X

优必选成立于 2012 年，是一家专注于人工智能和人形机器人研发的全球性高科技 创新企业。2019 年，其核心产品 Walker 系列机器人被美国知名的机器人行业媒体 《The Robot Report》评选为“值得关注的 5 大人形机器人”，是中国机器人厂商在世界 范围人形机器人领域的一个代表性产品。2021 年，Walker X 首次亮相世界人工智能大 会 WAIC，成为该系列的第四代产品。

从外观上看，Walker X 高度模仿人的身体结构，身高 1.3 米，体重 63 公斤，41 个 高性能伺服驱动关节，面部 160 环绕 4.6K 高清双柔性曲面屏。整体外部光滑圆润，没 有明显的棱角，关节部位没有外露的机械限位结构，非常符合其家庭服务的定位。此 外，Walker X 具备开放、灵活、丰富、便捷的 AloT 接口，能够依据用户习惯和场景， 自主控制灯光、冰箱等常见的 AloT 设备，全方位满足智能家具场景的应用。 从环境感知技术上来看，Walker X 配置四目系统和双 RGBD 传感器，基于多目视觉 传感器的 3D 视觉定位，采用 Coarse-to-fine 的多层规划算法、第一视角实景 AR 导航 交互及 2.5D 立体避障技术，能够实现动态场景下的全局最优路径自主导航。此外，基 于深度学习的物体检测与识别算法、人脸识别算法和跨风格人脸数据生成技术， Walker X 可在复杂环境中识别人脸、手势、物体等信息，丰富准确的理解和感知外部 环境。 从行走能力来看，Walker X 凭借 41 个高性能伺服驱动关节，能实现 3km/h 的最大 行走速度。虽然速度不快，但能精准地控制运动的幅度和角度，具备在碎石地、草坪 等不平整地面平稳行走的能力，以满足不同家庭场景的需要。另外，内置的行走平衡 控制系统也使其能够在单腿站立或行走时抵抗外来干扰，落足稳定柔顺，拥有极强的 稳定性。

目前 Walker X 已完成多项商业应用，能在科技馆中胜任讲解员的工作。2020 迪拜 世博会中国馆就采用 Walker X 担任“智能导览讲解员”，通过前沿 AI 技术介绍中国最高 科技成果，呈现智慧生活的创新变革趋势。在央视春节联欢晚会和深圳特区 40 周年 晚会中，Walker X 还作为特邀嘉宾登台亮相，展示了自己的“舞蹈才艺”。不过， Walker X 的造价高达 10 万美元（约合 67 万元人民币），要想真正打开消费级市场走 进家庭，还有很长一段路要走。

4 Agility Robotics 公司 Digit 机器人

Agility Robotics 成立于 2015 年，公司目标是为物流、远程呈现、自动化检查、娱 乐和研究等应用场景开发功能强大的双足机器人。该公司第一个机器人于 2016 年发 布，是一个名为 Cassie 的双足动态步行机器人，可穿越崎岖的地形并越过障碍物。 Digit 于 2019 年推出，是 Agility 公司推出的第二款机器人，也是第一个商业化出售的 双足机器人。其外观与一个成年人类似，可借助 LIDAR 和其他传感器进行半自动导 航，相比 Cassie 配备了一个躯干以及一对手臂，用于平衡，移动和操纵,其手臂可以搬 动 18kg 的箱子。Digit 可应用于多种行业，包括物流、仓储、工业环境等。 Digit 于 2020 年第一季度上市，解决了传统机器人的移动限制，可以在人类设计 的环境中工作。此外，Digit 具有强大的行走和跑步步态，可在非结构化环境中移动。 其主要功能包括： （1）上身带有集成感应； （2）配备 2-DOF 支脚，可在各种表面上改善平衡性和稳定性； （3）增添带有两个 4-DOF 手臂的上躯干； （4）配备密封接头，适合全天候户外作业； （5）拥有经 UN 38.3 认证的电池，可用于空运货物； （6）全面的 API 软件，可利用其控件和视觉算法来开发最终用户应用程序。 在续航方面，Digit 机器人由轻质材料制成，一次充电，即可全天工作。此外，如 果 Digit 机器人遇到意外障碍，会向自动驾驶车辆发送求救信号，寻找解决方案，当无 法解决时，它会进一步发送信号申请人工帮助。

目前，Digit 可以在已知的映射空间中定位自己，识别要获取并带回的包裹，自主 从货架或地板上取回包裹，避开障碍物并在建筑物中导航，将包裹带回。其解决了自 主交付行业所面临的一项关键挑战，即如何将包裹从车辆运送到客户的交付地点，同 时一定程度上解决了困扰美国企业的劳动力短缺问题。虽然 Digit 没有任何判断力或创 造力，只能做非常具体的机器人工作，但人们可以设计特定软件应用程序，控制 Digit 完成工作。

三、 动力之源：机器人的驱动系统

驱动系统指为了使机器人能够正常运转，必须给机器人的各个关节即每个运动自 由度安置的传动装置。驱动系统可以是液压传动、气动传动、电动传动，或者把它们 结合起来应用的综合系统;可以直接驱动或者通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机 械传动机构进行间接驱动。 工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压，气动和电动三大类，根据需要也可 由这三种基本类型组合成复合式的驱动系统，这三类基本驱动系统的各有自己的特 点。

1 电机驱动

机器人电动伺服驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动 机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。 控制用电机是电气伺服控制系统的动力部件。它是将电能转换为机械能的一种能 量转换装置。机电一体化产品中常用的控制用电机是指能提供正确运动或较复杂动作 的伺服电机。

1.1 机器人电机须符合的主要要求

机器人关节的运转对驱动电机提出了较高要求，在灵活度上，要求其有最大功率 质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量；在性能上，伺服电动机须有较高的可靠 性、稳定性，同时需能快速响应，具有较高的可靠性和稳定性；在动作上，能够控制 特性的连续性和直线性；在速度上，要求较宽广且平滑的调速范围；在形态上，体积 小、质量小、轴向尺寸短，且能经受得起苛刻的运行条件。

1.2 机器人驱动系统中常用的电机

机器人驱动系统常采用的电机大致可细分为以下几种：直流伺服电机(DC Servo Motor)、交流伺服电机(AC Servo Motor)、步进电机（Stepping Motor）。

1.2.1 直流伺服电动机

直流伺服电动机，分为有刷直流伺服电机和无刷直流伺服电机。有刷直流伺服电 机，优点是成本低，结构简单，启动转矩大，速度调节范围宽，控制容易，维护方 便。缺点是会产生电磁干扰，对环境有要求。无刷直流伺服电机，具备体积小，重量 轻，出力大，转动平滑，力矩稳定，高速且灵敏等优势，容易实现智能化，其电子换 相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，不存在碳刷损耗的情况，效 率很高，运行温度低，不易产生火花，噪音小，电磁辐射小，寿命相对较长。 应用场景方面，有刷直流伺服电机由于其成本较低，可用于对成本敏感的普通工 业和民用场合。无刷直流伺服电机凭借其结构简单、运行可靠且效率高、调速性能好 等特点，适用于各种对精度要求高的场合。

1.2.2 交流伺服电动机

交流伺服电动机，包括同步型交流伺服电动机及异步型交流伺服电动机等。异步 型交流伺服电动机有三相和单相之分，通常多用鼠笼式三相感应电动机，主要为了使 伺服电动机具有较宽的调速范围和快速响应的性能。其优点为结构简单，质量轻，噪 声小，省去了昂贵的永磁体，价格相对便宜。缺点为难以实现平滑调整速度，控制系 统成本高。同步型交流伺服电动机的复杂程度介于感应电动机与直流电动机二者之 间。其定子装有对称三相绕组，转子由绕组形成的电磁铁构成，根据结构不同分为电 磁式及非电磁式两大类。其无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功 率密度。 应用场景方面，交流伺服电动机凭借其速度高、惯量小、转动平滑、力矩稳定等 特点，多用于如印刷设备，激光加工，机器人，机床设备，机械手，自动化生产线等 对位置、控制精度、速度、力矩有较高要求的领域。

1.2.3 步进电动机

步进电动机，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，包括永磁式 (PM)、反应式(VR)和混合式(HB)。反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进 角一般为 1.5 度，但噪声大、振动幅度大，已在 80 年代被欧美等发达国家淘汰；混合 式步进是指混合了永磁式和反应式的优点，分为两相、三相和五相，是工业运动控制 运用最常见的电机。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，就会驱动步进电机按设定的 方向转动固定角度。 步进电机没有电刷、维护方便、寿命长，停止、正转、反转容易控制；控制精度 由相数、拍数决定；低速时易出现低频振动现象，运转平稳性不足；输出力矩随转速 升高而下降，一般不具备过载能力；加速性能欠佳，不适用于快速启动场合。其广泛 应用于 ATM 机、喷绘机、刻字机、写真机、喷涂设备、医疗仪器及设备、计算机外设 及海量存储设备、精密仪器、工业控制系统、办公自动化、机器人等领域，特别适合 要求运行平稳、低噪音、响应快、使用寿命长、高输出扭矩的应用场合。

1.3 纯电机驱动的机器人

1.3.1 特斯拉 Optimus 机器人

特斯拉机器人身高 5 英尺 8 寸，重量 125 磅，时速 5 英里，具有和人差不多的身 高、体重和行走速度。拥有多达 40 个机电一体化的执行器，其中手臂 12 个、脖子 2 个、躯干 2 个、手部 12 个和腿部 12 个一体化电机的执行器机构，意味着可以灵活完 成各种人类动作。由此可见，机器人系统中最重要的运动性能靠的是电机执行器的负 载能力和响应速度，而且随着功能增加和动作的丰富，需要更多大小不一、性能不同 的电机一体化执行器。

特斯拉机器人搭载永磁同步电机，体积小效率高，但容易退磁，成本较高。电机 主要由定子、转子以及机械结构组成。永磁同步电机指的是定子上的线圈通电后产生 的磁场能带动永磁体（转子）进行同步旋转，转子的转速也能够与旋转磁场的转速相 同，不容易造成转速损耗。优点是体积小，效率高，但是一旦速度增加，永磁体产生 反电势，导致高温，强震动就容易退磁。因此不适合在高速下使用。此外，永磁同步 电机主要用稀土中的高性能钕铁硼永磁材料，成本较高。

特斯拉在自动驾驶就研发了 IPM-SynRM，是内置永磁体的同步磁阻电机。永磁同 步电机不适合在高速下使用。大型机械设备通常使用同步磁阻电机，在转子中嵌入 铁，使转子处于低磁阻状态，适合高速运转。 因此，特斯拉将这两种电机结合，永磁体代替铁嵌入转子，结合了共同的优点。 在低速时它能作为永磁电机运转，在高速时又是一台磁阻电机，改善了电子线圈切割 转子磁场的情况。

1.3.2 优必选 Walker X 机器人

Walker X 高度模仿人的身体结构，身高 1.3 米，体重 63 公斤，41 个高性能伺服驱 动关节，面部 160 环绕 4.6K 高清双柔性曲面屏。整体外部光滑圆润，没有明显的棱 角，关节部位没有外露的机械限位结构，非常符合其家庭服务的定位。此外，Walker X 具备开放、灵活、丰富、便捷的 AloT 接口，能够依据用户习惯和场景，自主控制灯 光、冰箱等常见的 AloT 设备，全方位满足智能家具场景的应用。

运动控制方面，硬件上，Walker X 采用纯电机伺服，凭借 41 个高性能伺服驱动关 节实现类人步态行走，其中腿部 12 个，臂部 14 个，手部 12 个，颈部 3 个。软件上， Walker X 能实现 3km/h 的最大行走速度，虽然速度不快，但能精准地控制运动的幅度 和角度，具备在碎石地、草坪等不平整地面平稳行走以及斜坡、楼梯等结构化地形行 走的能力，以满足不同家庭场景的需要。另外，内置的行走平衡控制系统也使其能够 在单腿站立或行走时抵抗外来干扰，落足稳定柔顺，全身可背 10kg 重物或双手负载 3kg 重物行走，拥有极强的稳定性。

2 液压驱动

液压驱动系统的工作原理是以压缩机油来驱动执行机构进行工作，包括液动机 (各种油缸、油马达)、伺服阀、油系、油箱等基本组成部分。液压驱动的输出力和功 率很大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动，大多用于要求输出力较大 的场合。液压驱动系统主要由液压缸和液压阀等组成。液压缸结构简单、工作可靠， 是液压驱动系统的主要执行元件，可以将液压能转变为机械能、做直线往复运动或摆 动运动。用液压缸来实现往复运动时，可免去减速装置，且没有传动间隙，运动平 稳，因此在各种液压系统中得到广泛应用。

波士顿动力 Bigdog 采用的是液压驱动方式，是一款四足仿生机器人，每条腿有 4 个自由度：小腿和大腿各一个纵向自由度，分别由一个液压缸驱动；胯部有纵向和横 向两个自由度，由两个液压缸驱动，全身共 16 个自由度。爬行速度最高达 10km/h， 最大可攀爬 35 度斜坡，能够适应各种不同地质环境，最大承载达 50kg。该机器人长 1m，高 0.7m，自重 75kg，单腿四个自由度全部采用液压设计，最大负重约 154kg， 能够适应复杂的地形，并且能够高速奔跑跳跃，具有很高的环境适应性和灵活性。

波士顿动力的 Atlas 机器人也采用液压驱动方式。Altas 全身的 28 个自由度均由液 压驱动实现，具体表现为：单腿 3 个自由度、单脚踝 2 个自由度、腰腹 2 个自由度、 单臂 6 个自由度、腕部和机械手各 1 个自由度。

Atlas 身高 1.5 米，重 89 千克，全身由航空级铝和钛建造。四肢由电池与液压驱 动，全身具有 28 个自由度，配备 RGB 摄像头与深度传感器。身体和腿部的传感器用 于保持平衡，头部的光学雷达和立体传感器用于地形评估与避障。Atlas 使用 3D 打印 部件为其提供跳跃和翻筋斗所需的强度重量比。其拥有世界上最紧凑的移动液压系统 之一。定制的电池、阀门和紧凑的液压动力单元使 Atlas 能够为其 28 个液压接头提供 高功率，从而完成高难度运动。Atlas 先进的控制系统能够实现高度多样化和敏捷的运 动，速度可达 2.5 m/s。通过实时感知、行为库与模型预测控制三技术的完美配合， Atlas 机器人能够执行如跑酷等高难度运动。

3 气压驱动

气压驱动的工作原理基本上是以气体为工作介质，弹性腔体在气压和结构约束的 作用下，在一定的空间维度上产生各种形式的运动。弹性腔体通常采用易于拉伸弹性 材料，或者不可拉伸但易于折叠的薄壳或薄膜结构。根据其不同的形式特点，可以分 为以下几种驱动器。

3.1 嵌入式纤维增强驱动器

RV 其原理为内置纤维增强结构，通过缠绕一组或多组纤维并加入硅胶等柔性基 体，实现嵌入的柔性基体与驱动器的一体化。这种结构的优点是体积小，并且由于纤 维结构是通过柔性基体的嵌入来固定的，因此不受编织物形状的限制，具有更大的柔 韧性。根据纤维多种缠绕方式，驱动器可以执行扭曲、延伸、收缩、弯曲和螺旋等运 动。 德国 Festo 公司通过用柔性纤维增强复合材料代替弹性管和编织结构，开发了一 种标准化的气动肌腱驱动器。这种驱动器虽然收缩率不占优势，但其制作更容易形成 工业化流程，因此成功实现商业化。

3.2 弹性气室驱动器

其工作原理为使用气压较低（通常为 0-250 kPa）的气体驱动气室产生形变和定向 膨胀。约束结构的原理主要是利用驱动器自身的非对称结构，如在驱动器腔壁中两侧 腔壁厚度的差异，或者在驱动器内部使用硬度不同的物质，如纸张、塑料以及橡胶 等。

3.3 波纹结构驱动器

使用带有波纹结构的薄壳结构，通过设计改变波纹结构的方向，可以改变驱壳的 刚度，从而在内部气压的作用下产生定向膨胀。波纹结构不仅在波纹脊谷的平行方向 上保持了较大的刚度，同时能在波纹起伏方向上拥有相当大的柔性。下图为 Festo 公 司使用波纹管状气动驱动器制作的躯干型仿生机械臂 BHA (bionic handling assistant)。

3.4 正压展开软体驱动器

正压驱动的折叠/褶皱气动软体驱动器的柔性气室，通常可以被折叠或压缩。当 驱动器内部空气压力增大时，柔性气腔可以膨胀。这种结构主要的形式是流体折纸结 构，它可以形成管状内腔，利用折叠参数与内部流体体积变化之间的复杂关系，同时 实现变形和刚度的优化。此外，还有衍生的双模变形折纸结构。

3.5 负压屈曲折叠驱动器

其能够在内外压差的作用下发生定向的屈曲性收缩折叠，从而实现定向驱动的功 能。但是，驱动器必须利用腔体结构的不稳定性，这种不稳定性极易受到影响，需要 特殊设计才能实现所需运动。 因此，有人将“内骨骼”应用于这种驱动器，使驱动器运 动的形变更明显，还提高了驱动器在其他方向上的弯曲刚度。

四、感知器官：核心零部件传感器

1 传感器总述

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定 规律变换成电信号或其他形式的信息输出，是实现自动检测和自动控制的首要环节。 和人类一样，机器人也需要有视觉、听觉、触觉等来感知外部环境，而传感器就像人 类的感官器官，可以模拟人类感觉，帮助机器人具备类似人类的知觉功能和反应能 力。 根据检测对象的不同可将机器人传感器分为内部传感器和外部传感器。内部传感 器一般安装在机器人机械手上，包括位置传感器、速度与加速度传感器、力觉传感 器、姿态传感器等，用于感知自身的状态，如手臂间角度和移动速度，让机器人可以 按照规定的位置、轨迹和速度等参数运动。外部传感器主要包括触觉传感器、视觉传 感器、接近度传感器、听觉传感器、嗅觉传感器等，用于检测机器人所处的外部环 境，如声音、气味和与物体之间的距离，以使机器人能与外界达成良好的交互。

目前，多种前沿传感器技术正推动机器人产业的进步，帮助机器人适应不同应用 场景，满足特定领域的需要。紧凑型分离式负温度系数 (NTC) 热敏电阻传感器通过使 用陶瓷/金属复合材料的电阻特性，能够高精度地测量工业设备的温度；基于电学和 微粒子触觉技术的新型触觉传感器，能让机器人拥有和人类皮肤一样的敏感触觉，帮 助其胜任医疗、勘探等一系列复杂的工作；情感识别技术由人脸识别技术衍生而来， 通过解读人类的面部表情，机器人能获得类似人类的观察、理解和反应能力，未来可 在辅助医疗康复、刑侦鉴别等领域发挥重要作用。

2 传感器竞争格局

国产传感器目前与欧美主流传感器仍存在较大差距。传感器芯片是生产智能传感 器最重要的部件之一，然而据《2020 年中国传感器发展蓝皮书》显示，中国传感器芯 片高度依赖进口，进口率高达 90%以上，做高端传感器芯片设计的企业寥寥无几，这 也直接导致我国在传感器芯片研发上远远落后于欧美国家；此外，国产传感器准确度 和稳定性较低，使用寿命也不及进口传感器，因此我国高端传感器市场仍被国外厂商 垄断，国内多数厂商只能在中低端市场“夹缝生存”。 不过，随着物联网和智能制造的兴起以及我国对智能传感器产业扶持力度的加 大，我国智能传感器产业生态逐渐趋于完备，部分国内龙头企业也具备在中高端市场 上竞争的能力，包括歌尔股份、华天科技、华润微、高德红外、中航电测等。未来随 着国内厂商技术持续进步、产品线进一步丰富、市场知名度持续提升，智能传感器市 场国产化率有望进一步提高。

五、三大核心零部件之减速器

1 减速器总述

减速器又称减速机，是一种动力传达机构，利用齿轮速度转换器，将马达的回转 数减速至所需，增加扭矩，在原动机和工作机之间起着匹配转速和传递扭矩的作用。 减速器与伺服电机、控制器并称为机器人三大核心零部件，在机器人动力系统中，主 要用于传导伺服电机的动力，调整速度和扭矩，以精确控制机器人动作。整体来看， 减速器在工业机器人总价值量中占比最大，达到总成本的 30%。随着机器人产业的进 步、人形机器人的发展，自由度增加与轻量化的趋势创造了未来减速器更大的需求空 间。 减速器的种类繁多，可按照齿轮形状、传动类型、传动级数、传动的布置形式、 控制精度等依据进行分类。其中，在机器人领域应用最多的减速器为 RV 减速器与谐 波减速器。

减速器生产对技术要求严格，严重依赖进口。减速器为纯机械精密部件，对于材 料、热处理工艺和高精度加工机床要求严格。而我国的减速器起步较晚，技术较为落 后，严重依赖日本进口。截至 2021 年，日本企业在中国减速器市场中仍处于垄断地 位：谐波减速器市场中，日本哈默纳科占据 30%以上份额，其次绿的谐波，日本新 宝、来福谐波、同川科技、中技克美等也占有一定市场份额；我国 RV 减速器市场 中，日本企业纳博特斯克占据 53%的市场份额，其次双环，市场份额为 14%。

2 精密减速器市场分析

减速器是机器人的关键零部件，位于机器人产业链的上游。同时，减速器具体下 游应用产业有工业机器人、服务机器人、数控机床、航空航天、光伏设备、医疗设 备。

工业 4.0 的大背景下，以美国、日本、德国为代表的世界国家和地区大力推 动机器人产业的发展。近年来，全球工业机器人行业保持快速发展。据国家统计 局与高工机器人产业研究所数据，2022 年中国工业机器人产量达 44.3 万台，同 比增长 21%；销量为 30.3 万台，同增 15.96%，受此带动，作为工业机器人的核心 零部件，精密减速器市场迎来高速发展。 全球范围内，日本精密减速器产业发展领先，哈默纳科与纳博特斯克分别在 谐波减速器和 RV 减速器领域取得了市场主导地位。我国精密减速器发展较晚， GGII 数据显示，2018 年国产减速器出货量市场份额不足 30%，且产品售价较高、 交货周期较长，成为制约我国工业机器人产业发展的重要瓶颈之一，国产替代的 需求也日益强烈。 目前我国正处在转型升级和新旧动能转换的关键阶段，新技术、新产业、新 业态、新模式、新产品、新动能加快孕育，智能制造、数字化生产成为近年来推 动经济结构优化、动力转换和质量提升的重要力量。近年来，国内谐波减速器产 业也在国家政策支持下不断发展，《中国制造 2025》与《机器人产业“十三五”发 展规划》的制定将进一步带动机器人及相关产业的发展，受益于政策和主要下游 行业的驱动，国产减速器将迎来快速发展时期。

3 RV 减速器与谐波减速器对比分析

RV 减速器与谐波减速器同属于精密减速器，在轻负载精密减速器领域内，谐波减 速器有体积小、传动比高、精密度高等特点，在人形机器人中用于肩部、肘部、腿 部、腕部、腰部、颈部等几个主要关节。RV 减速器的传动原理及结构特点，使其具有 大体积、高负载能力和高刚度特性的特点，其在重负载精密减速器领域内也具有一定 主导地位，在人形机器人中主要用于腰部、髋部。

六、大脑中枢：核心零部件控制器

1 控制器总述

机器人的控制器是接收来自传感器的检测信号完成指令任务的装置。机器人的控 制方式包括运动控制和力控制。运动控制主要控制功机器人的位置；力控制则控制机 器人未端执行器的作用力与力矩，通过控制器来控制机器人的运动位置和路径。 机器人控制系统的成本占比为 12%，控制器多为机器人原厂商自行制作，行业格 局国外占有主要竞争优势。目前，机器人控制系统主要厂商有发那科、库卡、ABB、 安川等，国内研发控制器的企业主要有埃斯顿、固高科技、众为兴等。

2 控制器分类及区别

控制器控制机器人运动主要分为 PLC、嵌入式和 PC-based 三种技术路径。其中 PC-based 运动控制器是通用运动控制器的一种类型，具有系统通用性强、可拓展性 好、能够满足复杂运动的算法要求、抗干扰能力和开放性强等特点。因此 PC-based 技 术具有广阔的替代性，正逐渐替代前两种技术，是日后发展的主要方向。

按控制器分类，西门子是 PLC 控制器市场龙头。在国内的 PC-Based 控制卡市场， 高端市场由美国泰道、翠欧等外资主导，但国内品牌正逐渐发力，台湾研华和固高科 技在 2019 年国内市占率分别为 16%和 13%。

3 控制器市场特点

机器人控制器市场国外主导高端市场，国内加速布局。国外控制器龙头企业四大 家族发那科、库卡、ABB 和安川在 2020 年共占据国内市场份额的 53%，而国内尚未形 成相当的市场竞争力。目前，控制器参与者主要分为机器人主体厂商自制自用和专门 生产控制器，单独售卖两种类型，其中行业龙头公司主要采用自制自用类型，如发那 科、ABB 和埃斯顿等，且此类型控制器无法适配其他机型，故机器人控制器的市场份 额近似机器人主体的市场份额占比。

国内外控制器的差距主要体现于软件算法开发。通过分析本田 ASIMO、波士顿、 欧洲 iCUB 和 POPPY 等龙头人形机器人的控制器配置，控制器的芯片本身不存在较大 技术壁垒，主要差距体现在控制器算法的开发与不断优化层面。国外领先的行业发展 优势使得其收到客户问题反馈并进行算法迭代优化较迅速与成熟。而国内仍需提高品 牌知名度、提高技术，来打破外资主导的竞争格局。

七、稀土永磁：机器人浪潮下的崭新投资机遇

1 磁性材料概述

“十三五”期间，我国磁性材料产业发展蓬勃发展，总产值已由 2015 年的 600 亿元 增至 2020 年逾 800 亿元。近年来，我国磁性材料应用水平不断提升，稀土添加高性 能铁氧体材料、新型软磁复合材料、高性能稀土永磁材料等加速发展，为我国新能源 领域、高速铁路、信息化智能化发展做出了不可磨灭的贡献。我国磁性材料产业的快 速发展使国际市场上的综合竞争力显著提高，在市场竞争加剧的同时，技术进步也在 不断推动传统产业升级，新兴产品形态驱动产业持续发展，投资热情不断高涨。2020 年我国永磁铁氧体产量已经超过全球产量的 78%，软磁铁氧体产量超过全球产量的 73%，稀土钕铁硼永磁产量超过全球产量的 90%。

磁性材料，表示应用中要求其具有铁磁性或亚铁磁性的物质。对于磁性材料的分 类标准，业界尚未能达成共识。磁性材料从材质和结构上来说，分为金属及合金磁性 材料和铁氧体磁性材料两大类，而铁氧体材料又分为多晶结构和单晶结构。另一种更 为普遍的分类方法则是从应用功能的层面上进行分类，通常分为软磁材料、硬磁材料 （又称“永磁材料”）、信磁材料、特磁材料等多个不同种类。 在永磁材料中，最主流的永磁产品为铁氧体永磁材料、稀土永磁材料与金属永磁 材料。 （1）铁氧体永磁材料。自20世纪50 年代进入规模生产以来，基本上取代了金属永磁 材料。与铝镍钴型金属永磁材料相比较，成本大大降低，但由于亚铁磁性，其饱和磁 化强度不高，因此在磁性能上远低于新兴的稀土永磁材料。近年来，其产值已低于稀 土永磁，但因其价格低廉，产量依然居首位。按主要成分分类，最常见的是钡（Ba） 铁氧体和锶（Sr）铁氧体两种。 （2）稀土永磁材料。稀土永磁的发展经历了3个历史阶段：1967年的SmCo5，1975年 的Sm2Co17以及1983年的Nd2Fe14B，即从一二两代的钐钴系列永磁材料转变为了第三代 的高性能钕铁硼永磁材料，每一代的新型永磁材料的开发都带来了磁性能的巨大突 破。钕铁硼永磁材料问世已有四十年之久，但目前第四代稀土永磁材料的开发与制备 仍是业界学者的重要研究课题之一。

中国已经成为了世界第一大钕铁硼永磁材料生产国。目前而言，钕铁硼产业所衍 生出来的细类主要包括烧结磁体、粘结磁体以及热压/热变形磁体。随着新能源汽车 和节能电机等领域的高速发展，对永磁体综合磁性能的要求越来越高。永磁元件朝着 轻型化、薄型化、集成化发展。晶界扩散是目前主流的高综合性能磁体的制备方式， 通过磁控溅射、涂覆、喷涂等方式，经过热处理后，将扩散源渗入磁体内部，提高磁 体表面的各向异性场，优化晶界结构，从而提高磁体的综合性能。

2 稀土永磁在电机驱动中的应用

稀土是我国重要的战略资源，在新材料、冶金、石油化工等领域拥有广阔的应用 前景。据中国稀土协会，2020 年全球稀土消费量在 25 万吨以上，其中永磁材料占比 为 26%；2020 年中国稀土消费量在 18 万吨以上，占全球总量的 70%以上，其中新材 料领域占比超过 60%，由于受到新能源汽车、风电等高速发展的新兴行业带动，在中 国稀土消费结构中，永磁材料占比达到 39.21%。

高性能钕铁硼永磁材料是第三代稀土永磁材料，具有体积小、重量轻和磁性强等 特点，被称为“磁王”。它将自然界中最丰富且自发磁性最强的铁与能够使铁的磁性固 定在同一方向的稀土钕相结合。这种钕铁硼磁体不仅磁性强大，能够吸起自身重量 1000 倍的铁块，而且价格相对较低。在工业机器人中，高性能钕铁硼永磁材料被广泛 应用于伺服电机，能够提高功率密度、减小电机体积，并提升相关组件的性能。因 此，驱动电机作为工业机器人的核心组件，永磁同步伺服电机作为主流选择，高性能 钕铁硼永磁材料则是永磁同步伺服电机的基础材料。

电机是以磁场作为传播媒介进行电能与机械能之间的能量转换的电力机械设备。 但一般的永磁体由于其磁性有限，所能转化的能量规模较小，通常被用于制造小型电 机设备；与一般的永磁体电机设备相比，稀土永磁电机可以产生强大的磁场并自主实 现永久的磁场传递而无需外界干涉，因此稀土永磁电机被广泛用于大型电机设备与精 密电机器械中。一般来说，稀土永磁电机具有（1）体积小、重量轻 （2）性能强大且 稳定性强 （3）效率高、能耗低的三大特点，对综合性能提升显著。 据《稀土永磁同步电机的节能技术分析》，在稀土永磁同步电机的运转过程中， 会不断输送电功率，电功率在输入电机内部后，经过磁场的运转与其他相关因素进行 综合作用，将会输出电功率。从能量传递的角度分析，稀土永磁同步电机能够有效利 用机器内部的永磁体来使旋转磁场与电机内部的电功率相平衡，在拥有较高的功率因 素的同时减少定子电流，避免定子电流过大，对稀土永磁电机造成影响。其次，在电 子电阻旋转结构设计合理的情况下，稀土永磁同步电机也能够有效控制磁场的大小， 能够保障旋转磁场与异步电机的转速相一致，减少在运行过程中出现能源损耗。此 外，稀土永磁同步电机与转速磁场也具有一定的空隙，也能够在一定程度上能够减少 运行过程中的机器损耗。

稀土永磁电机运转效率高且能耗低，具有极强的性价比及经济效益。据《稀土永 磁材料的发展及在电机中的应用分析》，稀土永磁电机在运行中的平均节电率较普通 电机能够提升 10%左右，一些专用的稀土永磁电机最高可提升 15% 20%的节电率。 据测算，电机能效每提高一个百分点，每年可节约用电 260 多亿千瓦时。如果电机系 统效率提升 5-8 个百分点，每年节约的电量相当于 2-3 个三峡电站的发电量。目前国 内高效节能电机渗透率不到 10%，这意味着未来两年每年渗透率提升至少 10 个点。 绿色节能的稀土永磁电机，综合节能率达到 15%。据《稀土永磁同步电动机的节 能应用》，在不考虑残值的情况下，相同功率的稀土电机与普通电机相比节约成本 7212 元/年。大约 28 个月可从节约的电费中收回稀土电机的投资成本。并且，由于稀 土电机本身发热量小，轴承润滑脂的更换周期由 3 个月延长到 1 年，轴承使用寿命也 由 18 个月延长到 3 年（轴承均采用国产普通轴承）。

3 重点公司分析：金力永磁

3.1 公司简介

公司主要生产高性能稀土永磁材料，应用于新能源和节能环保领域,包括风力发 电、新能源汽车及汽车零部件、节能变频空调、节能电梯、机器人及智能制造。钕铁 硼永磁材料行业属于稀土深加工，是稀土下游行业应用最为成熟的领域，稀土行业相 关法律法规及产业政策对稀土永磁材料行业影响深远。公司于 2022 年 1 月 14 日在 H 股上市，成为稀土永磁行业第一家 A+H 上市公司。

3.2 核心竞争力分析

公司一直致力于高性能钕铁硼永磁材料的研发、生产和销售，并专注于新能源和 节能环保应用领域，是高性能钕铁硼永磁材料行业发展最快的公司之一，积累了较为 雄厚的客户基础和丰富的行业经验，在行业内树立了良好的品牌形象，具备较为突出 的竞争优势，具体如下：

（1） 公司在新能源和节能环保领域具有较为领先的市场地位。

目前，公司是全球领先的新能源汽车、节能变频空调及风电领域磁钢供应商，具 有较强的市场竞争力。作为全球新能源汽车行业驱动电机用磁钢的领先供应商，公司 产品已被全球前十大新能源汽车生产商采用，公司是比亚迪、特斯拉等新能源汽车驱 动电机的磁钢供应商，上汽集团、蔚来、理想汽车都是公司的最终用户，公司还是大 众集团 MEB 纯电动平台项目配套的稀土永磁材料供应商，以及美国通用汽车公司 BEV3 全球电动车平台的稀土永磁材料的定点供应商，2022 年，公司新能源汽车驱动 电机磁钢产品销售量可装配新能源乘用车约 286 万辆，按照 CleanTechnica 公布的 2022 年全球新能源乘用车销量 1,009.12 万辆计算，公司全球市场占有率约 28%。在节能变 频空调领域，公司主要客户包括美的、格力、上海海立、三菱等知名品牌，市场占有 率处于行业领先水平，2022 年，公司节能变频空调领域收入达到 18.32 亿元，较上年 同期增长 30.86%，2022 年公司节能变频空调磁钢产品销售量可装配变频空调压缩机 约 5,028 万台。在风力发电领域，公司的最终客户主要是金风科技和西门子-歌美飒 等，2022 年，公司在风力发电领域收入达到 7.18 亿元，公司该领域产品销售量可装 配风力发电机的装机容量约 8.29GW。2022 年，公司于机器人及工业伺服电机领域收 入达到 2.53 亿元，较上年同期增长 145.17%，主要客户包括博世力士乐等。此外， 2022 年公司 3C 领域收入达到 1.96 亿元，较上年同期增长 22.33%。公司还积极布局节 能电梯、轨道交通等新能源及节能环保领域，已经成为这些领域重要的高性能磁钢供 应商之一。

（2） 公司在与各领域龙头企业紧密合作过程中形成了较为成熟的经营模式。

公司与新能源和节能环保领域顶尖的客户建立了稳定的供应关系，这些大型知名 企业对产品品质要求十分严格，产品评鉴及认证周期比较长，为满足其品质、技术及 管理体系要求，公司在研发、制造、供应链管理、客户服务及企业文化等方面不断优 化，形成了与客户需求相适应的较为成熟的经营模式。公司坚持以客户为导向，不断 进行技术升级和产品差异化设计。公司将技术服务前移到客户端，运用自身在钕铁硼 永磁材料方面的专业技术优势，参与客户新产品的设计过程，协助客户优化产品性 能、降低产品成本，提供全方位技术解决方案。公司实行严格的质量管理体系并具备 行业领先的精益生产能力，公司的产品交付能力及生产效率在行业内处于领先水平。 这些成熟的经营模式，为公司与现有大客户保持稳定的合作关系，以及开发新的客 户，奠定了坚实的基础。

2022 年 4 月，公司荣获比亚迪-弗迪动力有限公司授予的 2021 年度“优秀供应商” 奖项；2022 年 9 月，公司再次获得联合汽车电子（UAES） “优秀供应商”奖项。2022 年 11 月，在 2022 博世亚太区供应商大会颁奖典礼上，公司荣获“2022 亚太区创新供 应商奖”。

（3） 公司为全球领先的高性能稀土永磁材料生产商。

2022 年，公司的高性能稀土永磁材料产量为 12,786 吨，其中使用晶界渗透技术 生产高性能稀土永磁材料 9,965 吨；其中超高牌号产品产量为 6,124 吨。公司产能建 设逐步推进，预计 2025 年可达 4 万吨钕铁硼毛坯产能。目前公司的毛坯产能已具备 年产 2.3 万吨的生产能力，在包头投资建设的一期项目 8000 吨钕铁硼已完全投产，包 头 1.2 万吨二期项目和宁波 3000 吨及 1 亿台套组件项目正在建设中，规划 2024-2025 年在赣州新建 2000 吨高效节能电机用磁材基地项目。随着扩产计划的逐步落实， 2025 年公司将在国内将建成高性能钕铁硼永磁材料年产能 4 万吨。

（4） 公司与主要稀土供应商建立长期稳定的战略合作

稀土是我国的战略资源。公司总部位于重稀土主要生产地江西赣州，并在轻稀土 主要生产地内蒙古包头建设了高性能稀土永磁材料生产基地。公司与包括北方稀土集 团、中国稀土集团在内的重要稀土原材料供应商建立了稳定的战略合作关系，连续两 年获得北方稀土“优质客户”奖项。同时，公司通过根据在手订单提前采购稀土原材 料、与客户建立调价机制、优化配方及工艺技术等措施，以减少稀土原材料价格波动 对公司经营业绩的影响。

（5） 公司积累了较为丰富的技术储备。

公司自成立以来一直非常重视技术研发与科技创新，2022 年，公司研发费用 33,747.62 万元，同比增长 110.71%，占营业收入的比例为 4.71%。截至 2022 年末，公 司已拥有授权专利 60 件，其中授权发明专利 28 件，授权实用新型专利 32 件，报告 期内新增发明专利授权 5 件，新增 13 件受理发明专利。公司在产品配方、生产工艺等 方面有先进的核心技术。公司能够通过自建的配方数据库和积累的专业经验设计不同 牌号产品的合金成分，在保证磁体性能条件下大幅降低重稀土含量；公司拥有晶粒细 化技术，能生产 45SH 无重稀土牌号产品；公司在取向压型方面掌握了一次成型技 术，提高了毛坯环节的自动化水平，同时减少后续机械加工成本和产品磨削量；公司 在表面处理工艺方面开发出了耐高温、耐腐蚀的新型涂层，各项指标优于环氧镀层。

公司掌握了利用晶界渗透工艺进行批量生产及高牌号产品开发的能力，将部分重 稀土的添加从坯料工序后置到成品工序，以降低重稀土添加量，开发出 56SH、54UH 等高牌号产品，该技术已申请获得了多项国内外发明专利授权。2020 年，公司完成 “耐高温、低重稀土高性能稀土永磁关键技术研究及产业化”科技成果评价，根据中国 稀土学会理事长及行业顶级专家组综合评价结论：公司发明耐高温、高性能烧结钕铁 硼材料的成分与制造技术，开发出 56SH、54UH、50EH 产品，显著降低了重稀土的用 量，实现了工业化生产，对新能源汽车、风力发电、压缩机、智能制造、3C 电子产品 等领域形成了关键支撑，取得了显著的经济效益和社会效益，该技术成果达到国际领 先水平。

（6） 公司实行严格的质量管理体系并具备行业领先的精益生产能力。

公司严格按照汽车行业质量标准建设质量管理体系，高标准严要求，全员参与， 全程管控，在博世集团、三菱电机压缩机等多家国际国内著名客户端保持了 0PPM 的 质量记录。公司全面建设 IATF16949：2016 国际汽车工作组汽车行业质量管理体系， 并创造性地融合包括通用汽车 BIQS 在内的各汽车客户的质量管理体系标准，建立公司 质量管理体系 JLQB。公司推行精益生产，整合业务流程，公司的产品交付能力及生产效率在行业内处于领先水平，获得客户的一致好评。2020 年公司荣获美的集团“精益 转换优秀供方”、美的机电事业群“效率提升优秀供方”、三菱电机（广州）压缩机公司 2020 年度“VE 提案奖”，在 2015-2020 年连续六年获得金风科技质量信用 5A 级供应商 的称号，并荣获金风科技“长期合作奖”、2020 年度“技术支持奖”，比亚迪-弗迪动力有 限公司 2020 年度“优秀质量奖”。

（7） 公司管理团队成熟稳定并形成国际化的业务布局公司管理团队年富力强。

管理团队有着非常资深的行业背景以及丰富的管理运营经验，能够及时准确掌握 行业发展动态、敏锐地把握市场机遇，制定可持续的发展战略，逐步带领公司成为世 界高性能稀土永磁材料的领军企业。公司不断提升现有产品的品质与技术水平，进一 步增强产品的竞争力。公司推出包括股权激励计划在内的多维度的激励制度，有效地 调动员工的积极性和创造性并保持团队的稳定性， 公司着眼于长期业务发展，积极布局海外市场，分别在香港、欧洲埃因霍温、日 本东京、美国硅谷设立子公司，聘用本地化人才团队，作为公司境外技术交流、物流 服务和销售平台，国际影响力日益加强。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

精选报告来源：【未来智库】。「链接」