执行器是机器人最核心、通用的部件，具备价值量占比高、复用性强两大特点，类似于新能源车中的动 力电池。执行器由多种零部件组成，按照功能原理与价值量，执行器由传动装置、驱动装置、感知装置、 控制装置等“四大主材”以及制动器与轴承等“辅材”组成。

　　下面我们顺着机器人执行器组成这一线索，梳理产业链相关环节的市场空间及竞争格局等情况，探讨国 产厂商在发展过程中如何壁垒实现突破。

　　机器人通常由执行机构、驱动系统、控制系统和传感系统四部分组成。机器人执行机构是机器人赖以完 成工作任务的实体，通常由一系列连杆、关节或其他形式的运动副组成。

　　工业机器人按臂部的运动形式分为四种：直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部 可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。这 些运动都需要执行器来完成。

　　执行器决定机器人的负荷和工作精度。机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作、具有的最高操作 性能等情况。主要包括：自由度、额定负载、工作空间、工作精度。其他参数还有：工作速度、控制方 式、驱动方式、安装方式、动力源容量、本体质量、环境参数等。

　　工业机器人的自由度是根据其用途设计的。机器人的自由度反映机器人动作的灵活性，自由度越多，机 器人就越能接近人手的动作机能，通用性越好，可用直线移动、摆动或者旋转动作的数目来表示。自由 度越多，结构越复杂，对机器人的整体要求越高。工业机器人把机械臂上每一个关节都当作一个独立的 伺服机构，即每个轴对应一个伺服器，每个伺服器通过总线控制，由统一控制协调工作。

　　额定负载也称有效负荷，是指正常作业条件下，工业机器人在规定性能范围内，手腕末端所能承受的最 大载荷。 工业机器人负载范围较大，一般为 0.5～2300kg。当负载较大时，提高电机的功率不划算，可以在适宜 的速度范围内，通过减速器来提高输出扭矩。伺服电机在低频转速下容易出现发热和低频振动，对于长时间工作的工业机器人不利于确保其精确可靠的运行。使伺服电机在合适的速度下运转，并 精确地将转速降到工业机器人各部位需要的速度，提高机械刚性的同时，输出更大的力矩。

　　重复定位精度取决于机器人关节减速机及传动装置的精度，绝对精度取决于机器人控制算法、编码器精 度、减速及传动装置精度等的综合表现。一般来说，机器人的重复精度高于绝对精度。要提高机器人的 绝对精度，需要进行高精度标定。标定可以分为：一级未驱动器与关节传感器的标定，即确定关节 位移传感器产生的信号与实际关节位移之间的关系；二级在一级基础上，加入机器人几何参数的标定， 针对各组成连杆的运动变量误差和各连杆结构参数误差引起的位姿误差；为非几何标定，针对由关 节柔度、摩擦、间隙以及连杆柔度等因素引起的误差。在标定过程中，测量是进行参数辨识和补偿之前 的重要环节，包括关节位移测量和机器位姿测量。位姿测量方法又包括接触式和非接触式，其中接触式 测量对机器人位姿限制较大；非接触式测量中，三坐标测量机只能测量小型机器人，而激光跟踪仪对环 境影响较为敏感，同时操作复杂，测量时间长。

　　工作空间又称工作范围、工作行程，是指工业机器人作业时，手腕参考中心（即手腕旋转中心）所能到 达的空间区域，不包括手部本身所能达到的区域，常用图形表示，P 点为手腕参考中心。工作空间的形 状和大小反映了机器人工作能力的大小，它不仅与机器人各连杆的尺寸有关，还与机器人的总体结构有 关，工业机器人在作业时可能会因存在手部不能到达的作业死区而不能完成规定任务。由于末端执行器 的形状和尺寸是多种多样的，为真实反映机器人的特征参数，工作范围一般是指不安装末端执行器时， 可以达到的区域。

　　综上，执行器是机器人的关键零部件，对机器人的负荷和精度有重大影响。减速器是一种减速传动装置， 可以通过降低转速而提高扭矩，以传递较大的负荷，克服伺服电机输出的扭矩较小的缺陷。

　　磨齿机、高精度三坐标检测设备、齿轮检测设备是提升减速器齿轮精度的关键设备。谐波减速器加工过 程需要用到齿轮加工机床、三坐标测量机、加工中心、磨床、车床、热处理设备等。RV 减速器加工设 备包括齿轮加工机床、加工中心、车床、磨床、硬拉床、三坐标测量机、热处理设备等，实际工况中 RV 减速器需要反复精确定位，对加工设备精度要求高，否则会造成产品的磨损。

　　a.加工设备：核心零部件（例如偏心轴、摆线轮、针齿壳、行星架等）的末道精加工设备依赖进口，对 核心关键设备仅限于使用层面，在面对工艺上有新的需求或需要不断优化的时候，国产厂商就无法快速 反应。

　　b.专用工装：设备供应商一般不会提供一整套高精度的工装设备，因此自主设计制作的工装是加工出高 精度零部件又一关键因素；

　　c.检测设备：高精度三坐标检测设备和齿轮检测设备，及相关的材料检测设备，确保齿确保齿轮质量和 尺寸控制准确无误，是高精度 RV 减速器的关键。

　　旋转执行器会将某物旋转一定的角度，可以是有限的也可以是无限的。旋转执行器的一个典型例子是电 动机，它是一种将电信号转换成其轴的旋转运动的执行器，当电流施加到基本电机时，电机旋转。将电 机直接连接到负载上，创建了一个直接驱动的旋转执行器，许多旋转执行器与用作机械杠杆的机构相结 合(优点）以降低旋转速度并增加扭矩，如果最终结果是旋转，该组件的输出仍然是旋转执行器。 旋转执行器主要包括 RV 减速器和谐波减速器。

　　减速器在工业机器人中成本构成占比 35%，价值量最高，预计在人形机器人中价值量依然会占到较高比 重。工业机器人的控制过程是：发指令给伺服驱动，驱动伺服电机旋转，通过减速机执行动作， 在工业机器人上游的三大部件中，减速器成本占比最高 35%，伺服系统（伺服电机+伺服驱动器）、控 制器，分别占比 25%、10%。

　　2017～2021 年（谐波+RV）销量从 49 万台增长至 101 万台，复合增速 19.8%，工业机器人 用销量从 41 万台增长至 84 万台，复合增速 19.5%。2021 年占比 82%。2018～2021 年精密 减速器市场规模从 57.7 亿元增至 59.5 亿元，复合增速 1%，这与国产替代速度加快，均价下行有关。 人形机器人运动执行部件可能采用谐波减速器作为主要的执行部件之一，我们假设人形机器人不同年销 售规模，对谐波减速器的需求弹性进行敏感性分析。核心假设：1）本次测算假设人形机器人年销量在 10~100 万台之间；2）单台人形机器人配置谐波减速器 14 个，见图 14 推测；3）马斯克在特斯拉的开 放日上提出，特斯拉人形机器人最终售价将下降到 2 万美金以下，与目前产业链的成本来看，有很大降 本空间。我们暂时无法对产业链各环节成本下降的幅度和速度做出假设，我们认为，技术成熟及产业链 成本下降是产业化的前提，规模化是技术成熟和成本下降后的必然。

　　从目前已知的信息来看，人形机器人采用 RV 减速器的概率相对比较小。因此我们不对 RV 减速器进行 敏感性分析。预计 RV 减速器未来的主要应用场景还将是在工业机器人上。

　　旋转执行器还连接到将旋转运动转换成来回运动的机构，该机构被称为线性执行器。线性执行器本质上 是沿着直线移动物体，通常是来回移动。这些机构包括：滚珠/滚柱丝杠、皮带和滑轮、齿条和小齿轮。 滚珠丝杠和滚柱丝杠通常用于将旋转运动转换成精确的直线运动，例如在加工中心齿条和小齿轮通常增 加扭矩并降低旋转运动的速度，它们也可以与将旋转运动转化为线性运动的机构结合使用。 丝杠是将旋转运动变成直线运动的传动副零件。根据摩擦特性可分为滑动丝杠、滚动丝杠及静压丝杠， 其中滚动丝杠根据载荷传递元件的区别，分为滚珠丝杠和行星滚柱丝杠。

　　执行器结构精密，由多种零部件组成，按照功能原理与价值量，执行器包括传动装置、驱动装置、感知 装置、控制装置等“四大主材”以及制动器与轴承等“辅材”。执行器结构精密，由多种零部件组成。Optimus 的旋转执行器由无框力矩电机+谐波/行星减速器+高低 速双编码器+制动器+力矩传感器+驱动器+交叉滚子/角接触轴承等组成。Optimus 的直线执行器由无框 力矩电机电机+行星滚柱丝杠+位置编码器+力传感器+驱动器+轴承等组成。Optimus 的灵巧手由空心杯 电机+蜗轮蜗杆+驱动器+编码器组成。

　　1）传动装置： 包括旋转执行器中的减速器、线性执行器中行星滚柱丝杠、灵巧手中蜗轮蜗杆，传动装置价值量占比最 高。

　　3）感知装置：包括三种执行器有的编码器以及旋转与线性中的力与力矩传感器，是对机器人内部 和外部信息的获取装置。

　　减速器、丝杠、轴承等精密产品和零部件的技术壁垒都体现在设计、材料、工艺和加工精度上。最终体 现在产品性能上表现为产品的精度保持度、寿命、故障率等。

　　在效率、减速比、传动精度、扭矩刚度 等关键指标参数上，国产减速器已经基本达到了国际领先的产品水平，但是在疲劳寿命、故障率、批量 产品的稳定性等方面有差距。根据官网数据，纳博特斯克销量最高的 RV-C 和 RV-E 系列都具有更高的 额定输出转矩和减速比，寿命可以达到 6000 小时以上。与国外产品相比，国产减速器长时间使用后仍 有出现的磨损、漏油、精度下降的情况；国产谐波减速器在高速场景下容易出现断裂的现象，产品稳定 性和使用寿命上仍需提升。

　　减速器性能不仅与啮合原理、齿形设计、结构优化等相关，还与原材料、加工、热处理工艺等因素相关。在效率、减速比、传动精度、扭矩刚度等关键指标参数上，国产减速器已经基本达到了国际领先的产品 水平，但是在疲劳寿命、故障率、批量产品的稳定性等方面有差距，不仅与啮合原理、齿形设计、结构优化等相关，还与原材料、加工、热处理工艺等因素相关。下面我们将主要以谐波减速器为例，来说明 高精度核心部件的技术壁垒。

　　谐波传动技术包括：总体结构、柔轮、刚轮、凸轮、柔性轴承、交叉滚子轴承、齿形、波发生器、加工 制造和试验方法等 10 个分支。从专利申请数量来看，总体结构、波发生器、柔轮和加工制造是谐波减 速器技术的研发重点。

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