1、 请仔细阅读本报告末页声明请仔细阅读本报告末页声明 证券研究报告|行业深度报告 2024 年 03 月 18 日 人形机器人人形机器人 专题三专题三之之执行器系统：执行器系统：核心部件，顺势启航核心部件，顺势启航 执行器是人形机器人硬件系统的关键部件执行器是人形机器人硬件系统的关键部件。近些年的研究和应用主要围绕结构设计、减速器、控制方式等方面。技术方案经历了从刚性到弹性，再到准直驱的发展，集成度、控制精度逐步提升，能量损耗逐步降低，对减速器传动比需求逐步减小。目前刚性执行器方案成熟度高、控制精度高，成为人形机器人执行器的主流技术方案。准直驱方案集成度高、能量效率高，在人形机器人、四足机器人等
2、领域应用前景可观。电机、减速器、丝杠、编码器、力传感器是核心零部件电机、减速器、丝杠、编码器、力传感器是核心零部件。1）电机：执行器电机：执行器系统的“血管”。系统的“血管”。人形机器人主要采用集成度高、运动控制精度高、扭矩输出效率高的无框力矩电机。人形机器人的普及将带动无框电机市场规模增长。2）减速器：电机和传动装置之间的桥梁。减速器：电机和传动装置之间的桥梁。旋转执行器普遍采用体较小的谐波减速器；直线执行器通常选择高负载的 RV 减速器或精密行星减速器。谐波减速器、RV 减速器技术发展依赖于专业化生产设备和材料等，目前日本哈默纳科、纳博特斯克处于领先地位。3）丝杠：直线执行器的传动装置。）
3、丝杠：直线执行器的传动装置。受益于机器人等高端制造领域快速发展，高负载的行星滚柱丝杠具备较大发展潜力。目前瑞士 Rollvis、GSA，瑞典 SKF，美国 Exlar、Moog 等企业处于领先地位。4）编码器：编码器：驱控信息的反馈装置。驱控信息的反馈装置。常用于机器人的有光电编码器、磁编码器。目前光电编码器技术更成熟，更达的精度更高。磁编码器理论成本更低，未来前景可观。全球来看，欧美日韩占据主要市场，奥普光电等国产品牌快速崛起。5）力传感器：力传感器：电机输出力矩的反馈装置。电机输出力矩的反馈装置。六维力传感器能够检测最完整的三维空间力/力矩，是当前研究的重点。其弹性结构体结构设计是技术突破
4、的关键。目前国内仅有宇立仪器、坤维科技等少数企业能够实现量产。投资建议：投资建议：人形机器人有望先在工商业普及，逐步拓展至家用、公共领域，发展成为千亿美元级蓝海市场。执行器作为价值量占比最高的部件，有望直接受益于人形机器人的普及。相关标的有：1）总成：三花智控、拓普集团；2）电机：步科股份、昊志机电；3）减速器：哈默纳科、纳博特斯克、绿的谐波、双环传动、中大力德；4）丝杠：鼎智科技、恒立液压、贝斯特；5）编码器：奥普光电；6）力传感器：柯力传感。风险提示：风险提示：技术研发不确定性风险、降本进程不及预期、商业化落地不及预期、三方数据失真风险 强于大市强于大市（维持维持评级评级）行业行业走势走势
5、 作者作者 分析师分析师 荣泽宇荣泽宇 执业证书编号：S02 邮箱： 分析师分析师 刘鹏刘鹏 执业证书编号：S02 邮箱： 联系人联系人 陈陈玥玥桦桦 执业证书编号：S57 邮箱： 相关研究相关研究 1、人形机器人专题一：前景广阔，飞轮待启2023-11-27 2、人形机器人专题二：发展意义重大，市场规模几何2023-12-06 -19%-14%-9%-4%1%7%12%17%--03家电沪深300行业深度报告 P.2 请仔细阅读本报告末页声明请仔细阅读本报告末页声明 内容目录内容
6、目录 1.执行器：人形机器人硬件系统关键部件.5 1.1 兼具精度和成本优势，电动执行器是首选动力方式.5 1.2 刚性执行器是主流方案，准直驱执行器前景广阔.6 1.2.1 刚性执行器：控制精度高，能量效率低.7 1.2.2 弹性执行器：功率调制好，控制方式相对复杂.8 1.2.3 准直驱执行器：控制方式简单，能量效率高.9 1.2.4 几种执行器的对比.10 1.3 特斯拉人形机器人执行器技术框架.10 2.电机：执行器系统的“血管”.12 2.1 伺服电机：无刷、直流方案是主要发展方向.13 2.2 无框力矩电机：人形机器人普遍采用的电机类型.16 3.减速器：电机和传动装置之间的桥梁.
7、18 3.1 行星减速器：高精度系列可以用于人形机器人.21 3.2 谐波减速器：旋转执行器主流方案.23 3.3RV 减速器：负载优势突出，高成本限制普及.25 4.丝杠：直线执行器的传动装置.27 4.1 滚珠丝杠：常用于中大负载的工业自动化设备.27 4.2 行星滚柱丝杠：人形机器人传动装置的理想方案.30 5.编码器：驱控信息的反馈装置.33 5.1 光电编码器：分辨率优势明显，技术成熟.34 5.2 磁编码器：兼具成本和精度优势，未来发展前景可观.36 6.力传感器：电机输出力矩的反馈装置.38 7.投资建议：前景广阔，本土化进程是关键.42 风险提示.43 图表目录图表目录 图表
8、1：执行器原理.5 图表 2：气压驱动机器人.5 图表 3：液压驱动机器人.5 图表 4：电机驱动机器人.6 图表 5：机器人执行器发展历程.7 图表 6：刚性执行器结构.7 图表 7：部分刚性执行器型号对比.8 图表 8：弹性执行器结构.9 图表 9：准直驱执行器结构.10 图表 10：几种执行器方案性能对比.10 图表 11：特斯拉 Optimus Gen2 执行器方案.11 图表 12：特斯拉 Optimus 旋转执行器方案.11 图表 13：特斯拉 Optimus 直线执行器方案.11 图表 14：伺服驱动系统工作流程.12 图表 15：电机分类.12 图表 16：步进电机结构示意图.
9、13 图表 17：伺服电机结构示意图.13 HVhUzWcZlXdWIUiWbWjYbRaOaQmOoOnPqMfQoOtQjMsQrQ6MoPpOxNpNvNMYpOpP行业深度报告 P.3 请仔细阅读本报告末页声明请仔细阅读本报告末页声明 图表 18：步进电机和伺服电机性能对比.13 图表 19：主要伺服电机类型的性能对比.14 图表 20：我国伺服电机发展历程.15 图表 21：我国伺服电机产业链.15 图表 22：我国伺服电机市场规模.16 图表 23：我国伺服电机市场格局（2022 年）.16 图表 24：无框力矩电机结构示意图.17 图表 25：部分人形机器人电机方案.17 图表
10、26：全球无框力矩电机市场规模.18 图表 27：三种精密减速器性能对比.19 图表 28：全球机器人领域精密减速器市场份额（2022 年）.19 图表 29：我国减速器市场规模.20 图表 30：我国减速器产量.20 图表 31：我国减速器销售均价.20 图表 32：我国减速器市场份额（2020 年）.20 图表 33：我国精密减速器产品回差对比.20 图表 34：国内外精密减速器产品传动效率对比.20 图表 35：精密行星减速器结构示意图.21 图表 36：某型号三级行星减速器材料选择.22 图表 37：我国行星减速器市场规模.22 图表 38：我国精密行星减速器市场份额（2022 年）.
11、22 图表 39：谐波减速器结构示意图.23 图表 40：谐波减速器工作原理.24 图表 41：我国谐波减速器市场规模.25 图表 42：我国谐波减速器需求量.25 图表 43：我国谐波减速器均价.25 图表 44：我国谐波减速器市场份额（2022 年）.25 图表 45：RV 减速器结构示意图.25 图表 46：我国 RV 减速器市场规模.27 图表 47：我国 RV 减速器市场份额（2022 年）.27 图表 48：丝杠分类.27 图表 49：滚珠丝杠结构示意图.28 图表 50：滚珠丝杠内外循环方式.28 图表 51：滚珠丝杠 JIS 精度划分标准.29 图表 52：滚珠丝杠和滑动丝杠性
12、能对比.29 图表 53：我国滚珠丝杠市场规模.29 图表 54：我国滚珠丝杠产量和需求量.29 图表 55：我国滚珠丝杠市场价格.30 图表 56：我国滚珠丝杠市场份额（2021 年）.30 图表 57：标准式行星滚柱丝杠结构示意图.30 图表 58：主要行星滚柱丝杠类型性能对比.31 图表 59：反向式行星滚柱丝杠结构示意图.31 图表 60：循环式行星滚柱丝杠结构示意图.31 图表 61：差动式行星滚柱丝杠结构示意图.31 图表 62：循环式行星滚柱丝杠结构示意图.31 图表 63：行星滚柱丝杠和滚珠丝杠性能对比.32 图表 64：采购滚动功能部件应用行业分析.32 行业深度报告 P.4
13、 请仔细阅读本报告末页声明请仔细阅读本报告末页声明 图表 65：中高档滚动丝杠副结构分析.32 图表 66：IHS Market 对行星滚柱丝杠销售预测.33 图表 67：全球行星滚柱丝杠市场份额（2022 年）.33 图表 68：多摩川编码器.33 图表 69：主要编码器类型性能对比.33 图表 70：光电编码器结构示意图.34 图表 71：增量式码盘.34 图表 72：绝对式码盘.34 图表 73：部分用于码盘的光学树脂材料和玻璃的性能对比.35 图表 74：磁阻式编码器结构示意图.36 图表 75：霍尔式编码器结构示意图.36 图表 76：磁编码器常用磁性材料.36 图表 77：主要编码
14、器用传感元件性能对比.37 图表 78：海外主要编码器品牌地域分布.37 图表 79：国内主要编码器品牌地域分布.37 图表 80：力传感器结构示意图.38 图表 81：主要力传感器类型的优缺点.38 图表 82：六维力传感器结构示意图.39 图表 83：六维力传感器弹性体结构设计方案汇总.40 图表 84：我国应变式力传感器市场规模.40 图表 85：我国应变式力传感器产量和需求量.40 图表 86：人形机器人执行器系统相关标的.42 行业深度报告 P.5 请仔细阅读本报告末页声明请仔细阅读本报告末页声明 1.执行器执行器：人形机器人硬件系统关键部件人形机器人硬件系统关键部件 1.1 兼具精
15、度和成本优势，电动执行器是兼具精度和成本优势，电动执行器是首选动力方式首选动力方式 执行器（执行器（Actuator）是根据给定信号与阀门位置反馈量之间的偏差，通过微型控制电机运行，通过变速及执行机构输出位置，实现对阀门的自动调节。人形机器人关节执行器，也称为一体化关节，是机器人的关键部件，其技术水平直接影响人形机器人的发展。图表1：执行器原理 资料来源：智能电动执行器关键技术的研究和开发（2012年），长城证券产业金融研究院 根据动力来源的不同，执行器可分为液压、气动、电机等。由于电机驱动方式具有成本低、控制精度高、密闭性好等特点，人形机器人执行器一般采用该驱动方式。气压驱动：常见于点到点的
16、控制。随着气动肌肉和气压伺服技术的发展，气压驱动逐渐被应用到人形机器人中。但是空气的可压缩性和延迟特性使得气压驱动方式难以实现精准控制，此外还具有能量效率低、气压出力小等缺点，故目前使用较少。图表2：气压驱动机器人 资料来源：液压驱动双足机器人及其动态平衡运动控制研究（2017年），长城证券产业金融研究院 液压驱动：不需要采用减速装置，驱动结构简单；同时还具备输出力大、功率重量比高的优点，故被用作早期阶段人形机器人的主要动力来源。美国波士顿动力公司发布的 Petman 和 Atlas 均采用液压驱动方式。但是液压驱动精度较低，制造和维修成本高，目前无法满足大规模商业化的需要，故逐步被电机驱动方
17、式所替代。图表3：液压驱动机器人 行业深度报告 P.6 请仔细阅读本报告末页声明请仔细阅读本报告末页声明 资料来源：液压驱动双足机器人及其动态平衡运动控制研究（2017年），长城证券产业金融研究院 电机驱动：具有控制精度高、成本低等优势，是服务机器人、人形机器人首选动力方式。但是电机驱动的功率密度不如液压驱动，在应用中往往需要搭配减速装置，增大了回程间隙等误差；同时也较难适应大负载、野外等场景。未来的发展方向主要是提高驱动系统的负载能力和柔性，使其能够适应多元应用场景需求。图表4：电机驱动机器人 资料来源：液压驱动双足机器人及其动态平衡运动控制研究（2017年），长城证券产业金融研究院 1.2
18、 刚性执行器是主流方案，准直驱执行器前景广阔刚性执行器是主流方案，准直驱执行器前景广阔 人形机器人电动执行器的研究和应用始于20 世纪 70 年代，技术迭代主要围绕结构设计、减速器、控制方式等方面。结构设计上，执行器结构设计经历了从独立设计到和整机融合的发展，技术层面经历了从刚性到弹性，再到准直驱的发展，集成度逐步提升。减速器上，执行器用减速器经历了从大传动比到小传动比的演变，制造难度逐步降低。控制方式上，执行器控制方式经历了从位置控制到力位混合控制和阻抗控制的演变，控制精度逐步提升、能量损耗逐步降低。刚性执行器（Traditional Stiffness Actuator）：1983 年早稻
19、田大学研究的 WL-10R机器人使用刚性执行器 TSA，自此人形机器人开始广泛应用刚性执行器为关节动力源。该方案控制精度高、技术成熟，目前也是人形机器人执行器的主流方案。弹性执行器（Series Elastic Actuator）：1995 年麻省理工学院的 Pratt 等人提出了弹性执行器 SEA 的概念，拉开了弹性驱动器研究的序幕。美国宇航局的机器人 Valkyrie和意大利技术研究院的机器人 Walk-Man 都使用了弹性驱动器。行业深度报告 P.7 请仔细阅读本报告末页声明请仔细阅读本报告末页声明 准直驱执行器（Proprioceptive Actuator）：2016 年 Wensi
20、ng 等提出了准直驱执行器PA 的概念，并将其应用于四足机器人 Cheetah 和双足机器人 Hermes，准直驱执行器是最近几年研究的热点。图表5：机器人执行器发展历程 资料来源：北京精密，长城证券产业金融研究院 1.2.1 刚性刚性执行器执行器：控制精度高控制精度高，能量效率低能量效率低 刚性执行器主要由电机、高传动比减速器、编码器、力矩传感器和控制板等组成，力矩传感器是可选器件。根据双足机器人腿部及其驱动器的设计理论与关键技术研究一文，Lola、SDR、Dynamixel Pro Series 等机器人的执行器采用该方案。它们在电机上，多选择无刷电机；在减速器上，绝大多数刚性执行器方案采
21、用谐波减速器、少部分采用摆线针轮减速器；在编码器上，几乎都采用绝对式编码器。目前刚性执行器结构设计基本定型，前瞻研究主要集中在电机和减速器等零部件的整体优化设计上。从实际应用来看，刚性执行器具备控制精度高、稳定性好等特点，成为主流方案。但是受限于元器件工艺和原理，传统刚性执行器的功率密度很难达到生物肌肉的水平 500 W/kg，同时也解决不了机器人受外部冲击时零部件强度问题，故很难适配大负载、高运动强度的关节部位。图表6：刚性执行器结构 行业深度报告 P.8 请仔细阅读本报告末页声明请仔细阅读本报告末页声明 资料来源：北京精密，长城证券产业金融研究院 图表7：部分刚性执行器型号对比 刚性刚性执
22、行器执行器型号型号 马达马达+减速器减速器 刹刹车车 绝对绝对式编式编码器码器 力矩传力矩传感器感器 IMU 滑环滑环 整体控制整体控制 通信方式通信方式 Robotis Dynamixel Pro Series CAN,RS-485 Harmonic Drive CanisDrive -RoboDrive RD50/70/85-HD -Kinova Actuators K-58,K-75 RS-485 Schunk Powercube,PDU,PR,PSM CAN,Profibus RoboSimian Actuator EtherCA,RS-485 NREC Drive Joint CAN
23、 DLR LWR III Joint Unit SERCOS ARMAR-4 Sensor-Actuator Unit CAN KITSensor-Actuator-Controller Unit EtherCAT 资料来源：北京精密，长城证券产业金融研究院 1.2.2 弹性弹性执行执行器器：功率调制好，控制方式相对复杂：功率调制好，控制方式相对复杂 弹性执行器主要借鉴 Hill 肌肉三元素力学模型，通过模拟动物利用骨骼肌肉系统在运动过程中储存和释放能量的过程，使得执行器表现出柔顺、安全和高能量效率特性。从结构上看，弹性执行器在刚性执行器基础上增加了弹性元件。根据弹性元件原理和结构设行业深度报
24、告 P.9 请仔细阅读本报告末页声明请仔细阅读本报告末页声明 计的不同，目前市面上主要有串联弹性执行器、并联弹性执行器、离合式弹性执行器和多模态弹性执行器几类产品。串联弹性执行器 SEA（Series Elastic Actuator）：是在刚性执行器的驱动元件和负载间增加弹性单元，从而具有缓冲机器人触地冲击和缓解外部碰撞冲击的作用，同时还可以储存能量。但是由于弹性元件引入，系统变为欠驱动系统，运动控制精度较低。并联弹性执行器 PEA（Parallel Elastic Actuator）：弹性元件的连接方式由串联改变为并联。相对传统刚性执行器，此方案可以显著提高输出功率，降低能量损耗。根据双足
25、机器人腿部及其驱动器的设计理论与关键技术研究一文，在实现平滑轨迹跟踪，尤其是在稳定性和对冲击的鲁棒性（在受冲击时仍能保持正常工作的能力）方面，机器人手部引入此方案具有优势。离合式弹性执行器 CEA（Clutched Elastic Actuator）：是在弹性元件位置增加离合装置，控制弹性元件开合，从而能控制能量储存和释放，大幅提高了能量效率。多模态弹性执行器 MEA（Multi-mode Elastic Actuator）：是将多个执行器集成为一个系统，能够集合多方面优势。根据双足机器人腿部及其驱动器的设计理论与关键技术研究一文，Mathijssen 等使用多个带有锁紧环和锁板的不完全齿轮作
26、为与电机并联的间歇结构。结构表明此装置可以降低电机扭矩要求，提高效率。目前由于此方案结构复杂，系统建模和控制也十分复杂，相关技术应用案例较少。图表8：弹性执行器结构 资料来源：北京精密，长城证券产业金融研究院 1.2.3 准直驱准直驱执行执行器器：控制方式简单，能量效率高控制方式简单，能量效率高 准直驱执行器依靠电机开环力控，不依赖于附加力或力矩传感器。其优点是功率密度高，力控带宽大，抗冲击能力强等。最理想的技术方案是电机直接驱动，但受限于工艺和技术，电机直驱的扭矩密度不能满足机器人应用需求，故实践中仍然采用电机加低传动比减速器的方案。同时此方案要求负载质量和转动惯量尽可能小，故多用于机器人的
27、低负多用于机器人的低负载关节载关节。从结构上看，准直驱执行器由高扭矩密度电机、低传动比减速器、编码器和控制板等组成。根据双足机器人腿部及其驱动器的设计理论与关键技术研究一文，部分设计方案在电机基座和内齿圈间增加了离合结构，用于抵挡外界冲击造成的能量损耗，保护减行业深度报告 P.10 请仔细阅读本报告末页声明请仔细阅读本报告末页声明 速器。在编码器的使用方面，目前单编码器方案还没有很好地解决断电后回零位的问题，故主流设计方案多采用双编码器或单个新型多圈绝对值编码器。图表9：准直驱执行器结构 资料来源：北京精密，长城证券产业金融研究院 1.2.4 几种执行器的对比几种执行器的对比 对比几种执行器方
28、案的控制精度、功率特性、能量效率、安全性和应用场景等，可以得知在控制精度方面，刚性、并联弹性、准直驱执行器控制相对简单且精度高。功率特性方面，几种弹性执行器功率调制较好。能量效率方面，离合式弹性、多模态、准直驱执行器效率高。安全性方面，准直驱执行器具有反驱特性，安全性好。图表10：几种执行器方案性能对比 类型类型 TSA SEA PEA CEA MEA PA 结构配置 电机+高传动比减速器+高刚性力矩传感器 电机+高传动比减速器+弹性体 电机+高传动比减速器+高性能力矩传感器+并联弹性体 电机+高传动比减速器+弹性体+离合机构 SEA 和 PEA 组合 高扭矩密度电机+低传动比减速器 力矩测量
29、方式 应变片原理或电流 编码器或应变片原理 应变片原理或电流 编码器或应变片原理 编码器或应变片原理 电流 控制特点 简单、精度高 复杂、精度低 复杂、精度高 复杂、精度一般 复杂、精度一般 简单、精度一般 功率特点 无功率调制 功率调制好 功率调制好 功率调制好 功率调制好 无功率调制 能量效率 效率低 效率一般 效率高 效率非常高 效率非常高 效率高 安全性 安全性差 安全性好 安全性差 安全性一般 安全性好 安全性好 应用场景 精密系统，如精密机床，仪器仪表，传统双足机器人 安全性系统，协作机器人 非对称载荷或自支撑平衡系统 双足或四足机器人 兼顾功率、能量效率、安全特性的系统 四足机器
30、人，小型双足机器人 资料来源：北京精密，长城证券产业金融研究院 1.3 特斯拉特斯拉人形机器人人形机器人执行器技术框架执行器技术框架 我们以特斯拉 Optimus 机器人设计方案为例来分析执行器技术框架。Optimus Gen1 执行器布置方案为 14 个直线执行器和 14 个旋转执行器，Optimus Gen2 在颈部增加了 2行业深度报告 P.11 请仔细阅读本报告末页声明请仔细阅读本报告末页声明 个旋转执行器，其余部位预计未做调整。30 个自由度分布在颈部（2 个旋转）、肩部（3个旋转）2、大臂（1 个直线）2、小臂（2 个直线+1 个旋转）2、腰部（2 个旋转）、髋部（2 个旋转）2、
31、大腿（2 个直线）2 和小腿（2 个直线）2。图表11：特斯拉 Optimus Gen2 执行器方案 资料来源：本末研究，机器人之心，特斯拉官网，长城证券产业金融研究院 注：数字单位为个 旋转执行器：伺服电机*1+减速器*1+力矩传感器*1+编码器*2+交叉滚子轴承*1+角接触球轴承*1。1）电机：采用无框力矩电机，预计为特斯拉自研方案。2）减速器：采用谐波减速器。3）力矩传感器：在手腕、脚腕部位可能会采用多维力传感器，其余部位用一维力传感器。4）编码器：采用输入位置和输出位置双编码器。图表12：特斯拉 Optimus 旋转执行器方案 资料来源：本末研究，特斯拉官网，长城证券产业金融研究院 直
32、线执行器：伺服电机*1+减速器*1+力矩传感器*1+编码器*2+丝杠*1+深沟球轴承*1+四点接触球轴承*1。1）电机：采用无框力矩电机，预计为特斯拉自研方案。2）减速器：可以使用行星减速器、RV 减速器。3）力传感器：预计采用一维力传感器。4）编码器：预计采用双编码器配置。5）丝杠：采用反向式行星滚柱丝杠，刚度高。图表13：特斯拉 Optimus 直线执行器方案 行业深度报告 P.12 请仔细阅读本报告末页声明请仔细阅读本报告末页声明 资料来源：本末研究，特斯拉官网，长城证券产业金融研究院 2.电机电机：执行器执行器系统的系统的“血管”“血管”电机（Motor）相当于执行器的“血管”，其作用
33、是根据所接收的力矩、速度、位置等指令信号，带动机械部件实现特定运动。同时电机中的多种传感器，如编码器、力传感器等，还会将电机与机械部件的实时运作信息反馈给驱动器和控制器，从而完成精准运动控制。根据用途的不同，电机可以分为驱动类电机、控制类电机、信号类电机。机器人中的电机主要任务是完成对机械运动的精准控制，所以属于控制类电机。根据控制方式的不同，又可以分为步进电机、伺服电机和力矩电机，机器人对运动精准度要求，所以主要采用伺服电机或力矩电机。图表14：伺服驱动系统工作流程 资料来源：杭州之山智控技术公司官网，长城证券产业金融研究院 图表15：电机分类 行业深度报告 P.13 请仔细阅读本报告末页声
34、明请仔细阅读本报告末页声明 资料来源：工链汇，长城证券产业金融研究院 2.1 伺服电机伺服电机：无刷、直流方案是主要发展方向：无刷、直流方案是主要发展方向 伺服电机（Servomotor）是指在伺服系统中控制机械元件运动的发动机，它可把所收到的脉冲信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。与步进电机相比，它多了一个与电动机相连的传感器，用于位置反馈，这意味着伺服电机每收到 1 个脉冲，就会发出对应数量的脉冲，与接收的脉冲形成呼应，或者叫闭环，如此一来，就能实现对角速度或线的位置，速度和加速度的精确控制。就内部结构而言，伺服电机主要由定子和转子构成。定子上有两个绕组，励磁绕组和控制绕组。转子是永
35、磁铁或感应线圈等导磁材料。转子在由励磁绕组产生的旋转磁场的作用下转动。同时伺服电机装配有编码器，工作时驱动器实时接受到编码器的反馈信号，再根据反馈值与目标值进行比较来调整转子转动的角度。图表16：步进电机结构示意图 图表17：伺服电机结构示意图 资料来源：鸣志电器官网，长城证券产业金融研究院 资料来源：智造漫谈，长城证券产业金融研究院 对比控制精度、变频特性、过载能力、响应速度等性能，可以看到伺服电机控制精度更高；低频时运转平稳、高频时能恒力矩输出；闭环控制使得过载保护能力更强；开机时响应速度更快。就产品特性而言，伺服电机更适配机器人高精度要求、多变环境的应用需求。图表18：步进电机和伺服电机
36、性能对比 行业深度报告 P.14 请仔细阅读本报告末页声明请仔细阅读本报告末页声明 性能指标性能指标 步进电机步进电机 伺服电机伺服电机 控制精度 0.36-1.8 钐钴铁氧体铝镍钴。图表76：磁编码器常用磁性材料 资料来源：基于 TMR的高位高精度磁编码器的设计与实现（2021 年），长城证券产业金融研究院 传感元件：主要有两类，一类是霍尔元件。另一类是磁阻元件，包括各向异性磁电阻（AMR）、巨磁电阻（GMR）、和隧道磁电阻（TMR）。霍尔元件是基于霍尔效应制作而成的霍尔元传感器。AMR 磁阻元件是基于 AMR 原理（对铁施加一路磁场时，在磁化方向上，其导电电阻变大，在垂直磁化方向上，导电电
37、阻减小）制成；GMR磁阻元件是基于 Fe/Cr 纳米多层膜中的 GMR 效应，常见于硬盘读出磁头；TMR 磁行业深度报告 P.37 请仔细阅读本报告末页声明请仔细阅读本报告末页声明 阻元件是基于磁性隧道结在外磁场的控制下，电阻进行切换的磁阻效应而制成。根据基于 TMR 的高位高精度磁编码器的设计与实现一文，对比这几种传感元件可以看到，TMR 传感器灵敏度更高，可用于磁场变化较快的场景，但目前该技术仍处于研发阶段。图表77：主要编码器用传感元件性能对比 性能指标性能指标 Hall AMR GMR TMR 功耗（mA）5-20 1-10 1-10 0.001-0.01 尺寸（mm）1*1 1*1
38、2*2 0.5*0.5 工作范围（Oe）1-1000 0.001-10 0.1-30 0.001-200 分辨率（mOe）500 0.1 2 0.1 温度特性（C）150 150 150 1000 10 10 0.1 温度漂移（PPM/K）3000 3000 3000 400 灵敏度（mV/V/Oe）0.05 1 3 20 资料来源：基于 TMR的高位高精度磁编码器的设计与实现（2021 年），长城证券产业金融研究院 欧美品牌占据欧美品牌占据全球全球中高端市场，日韩品牌主打性价比。中高端市场，日韩品牌主打性价比。根据基于 TMR 的高位高精度磁编码器的设计与实现一文，国外磁编码器技术领先于国内
39、，欧美、日韩品牌全球市场份额超过 80%。欧美地区编码器公司较多，其产品一般分辨率和精度较高，但售价也较为昂贵；日韩地区一般生产中低端产品，售价相对低廉。图表78：海外主要编码器品牌地域分布 资料来源：基于 TMR的高位高精度磁编码器的设计与实现（2021 年），长城证券产业金融研究院 国内需求主要来自进口，自主品牌国内需求主要来自进口，自主品牌呈呈快速追赶趋势。快速追赶趋势。根据 基于 TMR 的高位高精度磁编码器的设计与实现一文，预计国内编码器市场份额，有 35%来自欧美品牌、33%来自日韩品牌、25%来自国产品牌，7%来自其他品牌。近年来如奥普光电、苏州多维、上海精浦等企业取得较大技术突
40、破，未来国产化空间较大。图表79：国内主要编码器品牌地域分布 行业深度报告 P.38 请仔细阅读本报告末页声明请仔细阅读本报告末页声明 资料来源：基于 TMR的高位高精度磁编码器的设计与实现（2021 年），长城证券产业金融研究院 6.力传感器力传感器：电机输出力矩的反馈装置电机输出力矩的反馈装置 力矩传感器是用于执行器末端的一种接触式传感器，主要用于对电机输出力的扭矩的检测和控制。其核心零部件是弹性体（感应元件）和应变片（电阻转换）。当扭矩作用于传感器时，传感器内部的感力元件会发生变化，从而产生电荷/电压信号，这个信号与扭矩大小成正比，因此可以通过测量电压信号来确定扭矩大小。图表80：力传感
41、器结构示意图 资料来源：机器人用多维力传感器的设计与实现（2021年），长城证券产业金融研究院 根据感力元件的不同，可以分为电磁式力传感器、光电式力传感器、电感式力传感器、电阻应变式力传感器、压电式力传感器、电容式力传感器。其中电阻应变式技术成熟、精度高、测量范围广，金属箔应变式力传感器是目前国外应用最多的一种力传感器。图表81：主要力传感器类型的优缺点 检测方法检测方法 方法描述方法描述 优点优点 缺点缺点 电磁式 基于霍尔效应在力/力矩作用下产生与之相应的磁通量的变化 动态测量范围大 功耗小 系统简单可靠 非线性误差较大 互换性较差 分辨率不高 行业深度报告 P.39 请仔细阅读本报告末页
42、声明请仔细阅读本报告末页声明 检测方法检测方法 方法描述方法描述 优点优点 缺点缺点 光电式 基于光电效应在力/力矩作用下产生与之相应的光学量的变化 可靠性高 测量范围广 动态响应好 价格昂贵 对测试环境要求高 电感式 在力/力矩作用下产生与之相应的电感量的变化 高灵敏度和高分辨率 线性度好 重复性高 不适合用于动态测量 可靠性不高 电阻应变式 在力/力矩作用下产生与之相应的电阻变化量 精度高、技术成熟 测量范围广 频响特性好 存在非线性误差 信号输出微弱 压电式 基于正压效应在力/力矩作用下产生与之相应的电荷量的变化 动态响应好 精确性好和分辨率高 结构紧凑、尺寸小 刚度强 存在电荷泄露，静
43、态力测量困难 分辨率不高 电容式 在力/力矩作用下产生与之相应的电容变化量 高灵敏度和高分辨率 频率范围宽，结构简单 环境适用性强 调理电路复杂 寄生电容影响大 资料来源：机器人多维力传感器（2022年），长城证券产业金融研究院 根据检测力方向的数量，可以分为一维力和多维力传感器。在笛卡尔坐标系中力和力矩可以各自分解为三个分量，因此，多维力最完整的形式是六维力/力矩传感器，即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器。六维力传感器通常采用电阻应变式，根据传感器弹性体结构的不同，电阻应变式六维力传感器又可以细分为整体式和组合式。整体式弹性体采用一整块材料加工而成，具有迟滞小、灵敏度高等优点，而
44、且通过合理的结构设计可以减少传感器维间耦合，实现较高精度的测量。因此整体式弹性体结构设计是六维力传感器研究的重点。图表82：六维力传感器结构示意图 资料来源：高灵敏度大量程六维力传感器设计（2019年），长城证券产业金融研究院 六维力传感器自 20 世纪 70 年代问世以来，已有数十种弹性体设计方案。海外学者曾提出三竖直梁式、平板式十字梁式等结构；国内学者曾提出 Stewart 整体式、平行板梁式等结构。由于弹性体结构受到使用场景和使用条件约束，不同的弹性体结构在不同条件下可能各有优势。行业深度报告 P.40 请仔细阅读本报告末页声明请仔细阅读本报告末页声明 图表83：六维力传感器弹性体结构设
45、计方案汇总 弹性体结构弹性体结构 结构示意图结构示意图 研发国家或地区研发国家或地区 研发时间研发时间 优点优点 缺点缺点 三垂直梁 美国 1975 年 结构简单，承载能力强 Z 向灵敏度较差 十字梁 美国 1983 年 结构对称、维间耦合小，比较流行的方案-四 T 型梁 中国台湾 2001 年 条件数小，贴片数量少 维间耦合比较严重 Stewart 整体式 中国 2003 年 小型化 加工困难 全剪切应变式 中国 2006 年 特别适用于支撑力测量-双层 E 型膜 中国 2008 年 耦合小、测量精度高、小型化-三梁式 韩国 2011 年 小型化，适用于手指内部-平行板梁 中国 2014 年
46、 维间耦合小、加工容易、刚度较高-平板式十字架 韩国 2014 年 承载能力接近人类手臂-资料来源：空间容错六维力传感器设计及标定研究（2021年），长城证券产业金融研究院 我国应变式力传感器规模稳步增长，国产品牌实力仍有提升空间。我国应变式力传感器规模稳步增长，国产品牌实力仍有提升空间。据华经产业研究院数据，2022 年我国应变式力传感器市场规模 30.57 亿元，同比增长 15.80%；总产量 1122.6万台，同比增长 18.31%。全球应变式力传感器的生产厂家大致可以划分为三个梯队：1）第一梯队以跨国公司为主，如 Vishay、HBM、梅特勒-托利多集团、Flintec 等。2）第二梯
47、队以中航电测、柯力传感等国内龙头企业为主，在细分市场、产品价格及下游应用等方面各有所长。3）第三梯队是中国、韩国等国家的中低端产品生产厂家，其产品主要在国内销售，竞争力主要体现在相对低廉的劳动力成本上，技术水平相对较低，尚不能参与全球市场竞争。图表84：我国应变式力传感器市场规模 图表85：我国应变式力传感器产量和需求量 行业深度报告 P.41 请仔细阅读本报告末页声明请仔细阅读本报告末页声明 资料来源：华经产业研究院，长城证券产业金融研究院 资料来源：华经产业研究院，长城证券产业金融研究院 0%5%10%15%20%0552001920202021
48、2022市场规模（亿元）同比（%）02004006008000200022产量（万只）需求量（万只）行业深度报告 P.42 请仔细阅读本报告末页声明请仔细阅读本报告末页声明 7.投资建议投资建议：前景广阔，本土化进程是关键前景广阔，本土化进程是关键 随着产品性能不断提升、资本投入持续扩张、扶持政策相继颁布，人形机器人产业链各环节快速发展壮大。在人形机器人专题一&二中，我们指出人形机器人有望先在工商业普及，逐步拓展至家用、公共领域，发展成为千亿美元级蓝海市场。执行器作为价值量占比最高的部件，其中包含诸多细分组件和相关产业链。部分产
49、业链从原材料、设备到终端产品，本土企业已取得较大突破，有望在人形机器人供应链中占据领先地位，随规模化商业落地迎来重大发展机遇。部分产业链仍有待于技术、产品、渠道等多方面实现突破，与终端厂商携手共进，打开国产替代化的广阔空间。我们整理了人形机器人执行器系统产业链相关标的：1）总成：三花智控、拓普集团；2）电机：步科股份、昊志机电；3）减速器：哈默纳科、纳博特斯克、绿的谐波、双环传动、中大力德；4）丝杠：鼎智科技、恒立液压、贝斯特；5）编码器：奥普光电；6）力传感器：柯力传感。图表86：人形机器人执行器系统相关标的 资料来源：Wind，各公司公告，长城证券产业金融研究院 注：相关标的盈利预测均来自
50、 wind 机构一致预期，数据截至2024年3月 18日 行业深度报告 P.43 请仔细阅读本报告末页声明请仔细阅读本报告末页声明 风险提示风险提示 1.技术研发不确定性风险：人形机器人执行器的研发涉及机械工程、电子工程、计算机科学等多个学科，技术难度大、研发的周期与效果不确定性较大。本文技术框架拆解参考特斯拉 Optimus Gen1 结构设计方案，可能与最终落地产品有所差异。2.降本进程不及预期：人形机器人尚未出现可大规模推向市场的成熟产品，其结构部件与材料仍有不确定性，整个产业链仍在发展早期。若未来人形机器人产品的生产技术工艺、产业链发展完善速度不及预期，本文对部分零部件成本的预测可能与
51、实际情况不符。3.商业化落地不及预期：人形机器人潜在应用场景涵盖社会生活诸多领域，商业化推广可能对国家与社会产生多方面的综合影响，存在复杂性和不确定性。本文研究的部分零部件市场发展与人形机器人高度相关。若人形机器人大规模商业化应用受到全球或具体国家法律、道德、社会接受度、准入机制、国际贸易关系等方面限制，可能导致我们对部分零部件的市场规模预测与实际情况不符。4.三方数据失真风险：本文市场规模、市场份额等数据主要来自第三方平台，可能与行业和公司真实情况存在出入，从而影响对市场情况的判断。行业深度报告 P.44 请仔细阅读本报告末页声明请仔细阅读本报告末页声明 免责声明免责声明 长城证券股份有限公
52、司（以下简称长城证券）具备中国证监会批准的证券投资咨询业务资格。本报告由长城证券向专业投资者客户及风险承受能力为稳健型、积极型、激进型的普通投资者客户（以下统称客户）提供，除非另有说明，所有本报告的版权属于长城证券。未经长城证券事先书面授权许可，任何机构和个人不得以任何形式翻版、复制和发布，亦不得作为诉讼、仲裁、传媒及任何单位或个人引用的证明或依据，不得用于未经允许的其它任何用途。如引用、刊发，需注明出处为长城证券研究院，且不得对本报告进行有悖原意的引用、删节和修改。本报告是基于本公司认为可靠的已公开信息，但本公司不保证信息的准确性或完整性。本报告所载的资料、工具、意见及推测只提供给客户作参考
53、之用，并非作为或被视为出售或购买证券或其他投资标的的邀请或向他人作出邀请。在任何情况下，本报告中的信息或所表述的意见并不构成对任何人的投资建议。在任何情况下，本公司不对任何人因使用本报告中的任何内容所引致的任何损失负任何责任。长城证券在法律允许的情况下可参与、投资或持有本报告涉及的证券或进行证券交易，或向本报告涉及的公司提供或争取提供包括投资银行业务在内的服务或业务支持。长城证券可能与本报告涉及的公司之间存在业务关系，并无需事先或在获得业务关系后通知客户。长城证券版权所有并保留一切权利。特别声明特别声明 证券期货投资者适当性管理办法、证券经营机构投资者适当性管理实施指引（试行）已于 2017
54、年7 月 1 日 起正式实施。因本研究报告涉及股票相关内容，仅面向长城证券客户中的专业投资者及风险承受能力为稳健型、积极型、激进型的普通投资者。若您并非上述类型的投资者，请取消阅读，请勿收藏、接收或使用本研究报告中的任何信息。因此受限于访问权限的设置，若给您造成不便，烦请见谅！感谢您给予的理解与配合。分析师声明分析师声明 本报告署名分析师在此声明：本人具有中国证券业协会授予的证券投资咨询执业资格或相当的专业胜任能力，在执业过程中恪守独立诚信、勤勉尽职、谨慎客观、公平公正的原则，独立、客观地出具本报告。本报告反映了本人的研究观点，不曾因，不因，也将不会因本报告中的具体推荐意见或观点而直接或间接接
55、收到任何形式的报酬。投资评级说明投资评级说明 公司评级公司评级 行业评级行业评级 买入 预期未来 6 个月内股价相对行业指数涨幅 15%以上 强于大市 预期未来 6 个月内行业整体表现战胜市场 增持 预期未来 6 个月内股价相对行业指数涨幅介于 5%15%之间 中性 预期未来 6 个月内行业整体表现与市场同步 持有 预期未来 6 个月内股价相对行业指数涨幅介于-5%5%之间 弱于大市 预期未来 6 个月内行业整体表现弱于市场 卖出 预期未来 6 个月内股价相对行业指数跌幅 5%以上 行业指中信一级行业，市场指沪深 300 指数 长城证券产业金融研究院长城证券产业金融研究院 北京北京 地址：北京市西城区西直门外大街 112 号阳光大厦 8 层 邮编：100044 传真：86-10-88366686 深圳深圳 地址：深圳市福田区福田街道金田路 2026 号能源大厦南塔楼 16 层 邮编：518033 传真：86- 上海上海 地址：上海市浦东新区世博馆路 200 号 A 座 8 层 邮编：200126 传真：
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