机械设备行业深度研究：从三大经典传动到具身智能.pdf

免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。1 证券研究报告 机械设备机械设备 从三大经典传动到具身智能从三大经典传动到具身智能 华泰研究华泰研究 机械设备机械设备 增持增持 (维持维持)研究员 倪正洋倪正洋 SAC No.S0570522100004 SFC No.BTM566 +(86)21 2897 2228 研究员 杨任重杨任重 SAC No.S0570522110003 +(86)21 2897 2228 研究员 杨云逍杨云逍 SAC No.S0570523070001 +(86)21 2897 2228 研究员 邵玉豪邵玉豪 SAC No.S0570522120002 +(86)21 2897 2228 研究员 史俊奇史俊奇 SAC No.S0570522110002 SFC No.BTM901 +(86)21 2897 2228 联系人 张瑶珈张瑶珈 SAC No.S0570122090160 +(86)755 8249 2388 联系人 王自王自 SAC No.S0570123070064 +(86)21 2897 2228 行业行业走势图走势图 资料来源：Wind，华泰研究 2023年10月20日中国内地 深度研究深度研究 人形机器人为具身智能理想载体，硬件结构包含三大经典传动人形机器人为具身智能理想载体，硬件结构包含三大经典传动 具身智能（embodied AI）为下一个人工智能的浪潮，其是一个能够理解、推理、并与物理世界互动的智能系统。我们认为人形机器人是实现具身智能的最佳形态之一，因为我们身处的世界是按照人类的生理结构设计的，人形机器人因其外形与人相仿，与物理世界互动的隐性成本最小。从波士顿动力的人形机器人 Atlas，再到特斯拉推出的 Optimus，我们发现人形机器人的硬件结构包含三大经典传动液压传动、电气传动、机械传动。液压传动液压传动：机械大力士：机械大力士，关注国产化空间与电动化影响，关注国产化空间与电动化影响 液压传动主要用于实现机械能-液压能-机械能的转换，其突出优点在于输出较大的推力或转矩。液压系统由动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件、工作介质五大基本部分组成，其中液压泵阀技术难度较高。目前，全球液压工业已进入成熟发展阶段，我国为全球第一大液压市场，2021 年全球市场份额达 35%。国内市场规模接近千亿，高端市场具备较大国产替代空间。我们系统阐述了液压行业市场概况、液压系统及各组成元件工作原理，并以工程机械应用为例分析了液压系统在主要产品中的应用结构，以及电动化对液压传动的影响，全面覆盖液压传动原理、市场、应用分析。电气传动：电气传动：灵活灵活多面手，应用广阔市场分散多面手，应用广阔市场分散 电气传动使用电动机将电能转换成机械能，带动各类型生产机械、交通车辆及运动物品。电动机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。电动机行业呈现竞争格局分散，下游应用广泛的特点，其复杂性在于技术路径多样，对应电机不同的特性，适用于下游不同场景。我们系统阐述了电气传动行业市场概况、电动机六大技术路径选择，并以人形机器人、矿山机械、数控机床应用为例分析电气传动系统在主要产品中的应用，以及未来定子扁线化和碳化硅应用对电机性能的提升，全面覆盖电气传动原理、市场、应用分析。机械传动：高精控制百宝箱，结构类型繁多机械传动：高精控制百宝箱，结构类型繁多 机械传动结构类型繁多，相较于液压、电气传动，机械传动主要优点在于传动比准确、实现回转运动的结构简单、能传递较大的扭矩、传动效率高，主要适用于速度不高的有级变速传动。高精密传动零部件市场国产化水平有待提高，人形机器人等新产业有望为其带来弯道超车机遇。我们系统阐述了机械传动特点、传动结构基本原理、典型机械传动装置及应用、机械传动导向及支承零部件概况、机械传动国产替代关键因素，全面覆盖机械传动原理、市场、应用分析。人形机器人：具身智能产业提速，关注感知层和执行层的投资机会人形机器人：具身智能产业提速，关注感知层和执行层的投资机会 技术进步+巨头入局+政策激励下，人形机器人产业提速发展。在决策层，大模型使机器人理解自然语言，泛化能力增强，RT-2 输出字符串可直接对应到机器人的坐标、旋转角等信息，实现了“手脑协调”。在感知层，六维力/关节扭矩传感器是人形机器人知“轻重”的力控核心，具备高价值和高壁垒，而触觉是机器人另一重要感知力，个别国内厂商国际领先。在执行层，机械传动广泛存在于各关节中，电气传动中准直驱方案扭矩密度更高，未来渗透率有望提升。我们认为人形机器人是形如机器人的智能体，多模态大模型的快速发展将提升人形机器人的智能化水平，加快人形机器人产业化进程。风险提示：国产替代不及预期、原材料价格波动风险、工程机械电动化导致部分液压元件被取代、电机技术路径发生改变、人形机器人产业化进程不及预期。(8)(3)3914Oct-22Feb-23Jun-23Oct-23(%)机械设备沪深300 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。2 机械设备机械设备 正文目录正文目录 从三大经典传动到具身智能从三大经典传动到具身智能.11 液压传动：机械大力士液压传动：机械大力士.14 液压系统：机械大力士，千亿市场大而不强.14 大功率与自动化控制优势突出，液压传动广泛应用于工业机械.16 国内液压千亿市场大而不强，高端液压件仍待进口替代.17 钢材为主要原材料，工程机械为主要应用领域.20 国内恒立液压一枝独秀，龙头规模仍具提升空间.21 液压系统拆分：五大部分各司其职、相辅相成.23 动力元件：机械能转化为液压能.23 执行元件：液压能转化为机械能.26 控制元件：控制油液方向、压力与流量.29 液压辅件&工作介质：辅助执行，不可或缺.32 典例：液压系统广泛应用于工程机械工作、回转、行走系统.35 液压挖掘机.35 装载机.36 叉车.37 高空作业平台.38 工程机械电动化：或将带动液压系统应用变化，短期影响有限.39 电机取缔柴油机，或将带动液压系统应用变革.39 应对电动化之变，主机与核心零部件龙头积极布局.42 在具身智能中的应用：波士顿动力 Atlas 能够实现高难度动作.43 电气传动：灵活多面手电气传动：灵活多面手.44 电气系统：灵活多面手，应用广阔市场分散.44 电气传动系统概览：灵活多面手.44 电机行业格局分散，国内电机“量增”到“质提”走向高端.45 电机技术：六大路线选择排列组合，顺势而生各有千秋.47 直流 or 交流：换向/调速为核心问题，霍尔元件/变频器助推无刷替代有刷.48 永磁 or 励磁：交替并行发展，高性能永磁体提升电机功率和效率.52 同步 or 异步：同步电机节能高效高功率，异步电机具有成本优势.54 单相 or 三相：三相电机稳定高效，单相电机需使用电容器/罩极启动.57 步进 or 伺服：伺服闭环相较步进开环控制精度较高，经济性较低.59 旋转 or 直线：直线电机可视为旋转电机的结构变形，高速响应高精度.62 典例：矿山机械/数控机床中多种电机“各司其职”.63 矿山机械：交流电机为主流，永磁电机节能特性顺应“绿色矿山”.63 数控机床：主轴多用感应电机，进给电机中永磁伺服为主流.66 未来：定子扁线化与碳化硅应用成为提升电机能效新方向.67 在具身智能中的应用：特斯拉 Optimus 采用电气驱动.71 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。3 机械设备机械设备 机械传动：高精控制百宝箱机械传动：高精控制百宝箱.72 机械传动：高精确度的转矩、转速变换器.72 传动原理：“回转回转”、“回转移动”等运动形式.76 回转回转：齿轮传动应用最为广泛，轮系为主要应用形式.76 回转移动：带传动、凸轮机构、螺旋机构较为常用.78 多运动形式变换：连杆机构.81 典例：旋转运动看减速器，直线运动看丝杠.82 减速器：旋转运动核心传动装置，新型齿轮系空间逐步打开.82 丝杠：直线运动核心传动装置，滚动螺旋精密机械最为常用.93 导向及支承机构：配合机械传动机构传递运动及动力.103 导轨：支承与引导运动部件沿确定轨迹运动.103 轴：支承旋转零件，传递力与力矩.107 轴承：支承旋转轴及其他运动体，引导运动并承受轴上载荷.109 高精机械传动国产替代：材料、设备、工艺、验证缺一不可.114 材料：国产材料筑基不牢.114 设备与工艺：淘金离不开卖铲人.117 应用场景验证与积累：打造闭环的决定性环节.118 在具身智能中的应用：机械传动广泛存在于特斯拉 Optimus 中.118 具身智能：多维度催化人形机器人落地具身智能：多维度催化人形机器人落地.119 决策层：大模型赋予机器人“大脑”，具身智能迎来曙光.121 大模型使机器人理解自然语言，增强泛化能力.121 决策结果到运动控制映射方式改变，机器人实现“手脑协调”.124 感知层：聚焦力/触觉传感器应用，机器人知“轻重”懂交互.125 六维力/关节扭矩传感器为力控核心，使人形机器人知“轻重”.126 高价值高壁垒，六维力传感器面临动静态特性及解耦问题.128 触觉传感器：机器人另一重要感知力，个别国内厂商国际领先.132 执行层：刚性驱动器方案成熟，准直驱方案渗透率有望提高.134 总结：三大传动构建具身智能硬件，智能化决定人形机器人总结：三大传动构建具身智能硬件，智能化决定人形机器人 0-1.137 风险提示.137 图表目录图表目录 图表 1：波士顿动力 Atlas 机器人主要采用液压驱动.11 图表 2：特斯拉机器人主要采用电气传动.11 图表 3：我国液压件进口额约为出口额 2 倍.11 图表 4：电动缸、液压缸、气缸三种直线动作器原理介绍及对比.11 图表 5：电动机技术路径和结构不断更新，多种类型适应下游多种应用场景.12 图表 6：机械传动可按照传动原理分为摩擦传动、啮合传动、推压传动三类.13 图表 7：技术进步+巨头入局+政策激励加速 2023 年人形机器人产业提速.13 图表 8：液压千斤顶工作原理图.14 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。4 机械设备机械设备 图表 9：液压系统主要分类方式.15 图表 10：液压系统组成概览.15 图表 11：液压传动与其他传动方式对比.16 图表 12：流体传动中液压传动占比超过 70%.17 图表 13：全球液压市场规模 2011-2021 CAGR 3.1%.17 图表 14：我国液压市场规模 2011-2021 CAGR 4.7%.17 图表 15：我国液压市场全球占比持续提升.17 图表 16：中、美液压市场全球占比近 70%（2020）.17 图表 17：中国制造业增加值高于美国但液压销售占比偏低（2020）.18 图表 18：国内液压市场下游应用场景相较美国更为集中（2019）.18 图表 19：我国液压行业发展历程.18 图表 20：我国液压件进口额约为出口额 2 倍.19 图表 21：液压油缸 2016 年起已实现贸易顺差，进口单价约为出口 2 倍.19 图表 22：液压马达 2019 年以来贸易逆差收窄，进口单价约为出口 6 倍.19 图表 23：液压泵 2020 年以来贸易逆差收窄，进口单价约为出口 6 倍.20 图表 24：液压泵中仅齿轮泵 2022 实现贸易顺差.20 图表 25：液压阀 2022 年出口单价已高于进口，但贸易逆差最大.20 图表 26：主要液压元件国产化率估计（2021）.20 图表 27：液压系统产业链概览.21 图表 28：液压企业与工程机械企业营收同比增速变动趋势相似.21 图表 29：全球液压龙头及国内液压上市公司情况概览.22 图表 30：全球液压行业 CR3 约 34%（2021）.22 图表 31：内资上市液压公司仅恒立液压市占率超 10%（2021）.22 图表 32：恒立液压国际收入占比约 20%（2022）.23 图表 33：博世力士乐海外收入占比约 80%（2022）.23 图表 34：单柱塞液压泵工作原理.23 图表 35：液压泵主要分类形式.24 图表 36：液压泵按挤子结构分类情况及工作原理概述.25 图表 37：各类液压泵性能参数比较及应用范围情况.26 图表 38：轴向柱塞式液压马达工作原理.26 图表 39：液压马达与液压泵对比.27 图表 40：各类液压马达性能参数比较及应用范围情况.27 图表 41：双作用液压缸主要原理.28 图表 42：液压缸分类.28 图表 43：液压阀分类.29 图表 44：各类液压阀性能比较及适用场景.29 图表 45：压力控制阀分类及工作原理概述.30 图表 46：流量控制阀分类及工作原理概述.31 图表 47：方向控制阀分类及工作原理概述.32 图表 48：皮囊式蓄能器工作原理概览.33 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。5 机械设备机械设备 图表 49：油管分类及特点.33 图表 50：液压部分工作介质特性比较.34 图表 51：油液主要类型、特点及应用场景.35 图表 52：液压挖掘机液压结构透视图（履带式）.36 图表 53：液压挖掘机传动路线（履带式）.36 图表 54：装载机液压油缸结构透视图（轮式）.37 图表 55：装载机液压阀结构透视图（轮式）.37 图表 56：叉车液压结构透视图.38 图表 57：高空作业平台液压结构透视图.39 图表 58：传统挖掘机能量流图及工程机械节能技术演变.40 图表 59：电动缸、液压缸、气缸三种直线动作器原理介绍及对比.41 图表 60：工程机械电动化渗透率仍处于较低水平.42 图表 61：不同类型工程机械电动化渗透率差异显著.42 图表 62：工程机械主机及核心零部件企业电动化布局概况.42 图表 63：采用液压驱动的 Atlas 能够实现跑酷等高难度动作.43 图表 64：Atlas 液压系统存在漏液等可靠性问题.43 图表 65：电动机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置.44 图表 66：电气传动在运动控制及精确度方面优势显著，广泛应用于工业机械.45 图表 67：2020 年全球电机市场 1427 亿美元，汽车占比最高.45 图表 68：预计 21-28 年全球电机市场 CAGR=6.4%,交流电机占比最大.45 图表 69：卧龙电驱主要电机产品.46 图表 70：大洋电机主要电机产品.46 图表 71：外资品牌为国内电机生产商第一梯队，国内龙头在各自侧重领域走向高端.46 图表 72：2022 年中国电机进口金额为 42.34 亿美元，同比下降 6.2%.47 图表 73：2022 年中国主要电机出口产品结构（按金额）（单位：%）.47 图表 74：电动机技术路径和结构不断更新，多种类型适应下游多种应用场景.48 图表 75：直流电机与交流电机由于供电电源不同使得结构差异较大.49 图表 76：直流有刷电机率先流行，交流电普及和控制元件发展使得交流电机和直流无刷快速发展成为主流.49 图表 77：直流有刷电机通过换向器跟电刷的连接，实现线圈电流方向变化，实现线圈受力方向变化.50 图表 78：周围磁通密度超过阈值时霍尔传感器会检测到并产生电压.50 图表 79：霍尔效应传感器可判断出电机转子磁极的相对位置.50 图表 80：交直交变频器主电路工作原理.51 图表 81：变频技术可分为交直交变频技术和交交变频技术.51 图表 82：电机磁场的提供方式经过低性能磁铁电磁体高性能永磁体与电磁并行三个发展阶段.52 图表 83：高性能永磁电机效率高功率大，励磁电机制作成本低但效率较低.52 图表 84：电机常用永磁材料抗腐蚀性能、最高工作温度、加工性能、退磁曲线形状、价格对比.53 图表 85：直流电机励磁方式分为他励、并励、串励、复励，主要区别为励磁绕组和电枢绕组供电方式的关系.53 图表 86：永磁体与励磁绕组均位于转子的混合励磁电机.54 图表 87：永磁体位于转子，励磁绕组位于定子的混合励磁电机.54 图表 88：异步电机与同步电机区别在于转子是否产生磁场、速度与定子旋转磁场速度是否一致.54 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。6 机械设备机械设备 图表 89：同步电机功率密度与效率更高，异步电机成本低应用广泛.55 图表 90：磁阻电机遵循磁通总是沿着磁阻最小路径闭合的原理形成磁阻转矩，性能较好且成本较低.56 图表 91：多家公司布局同步磁阻电机产品.56 图表 92：磁滞电机利用磁滞材料所制成转子上产生的磁滞转矩起动和运行，目前应用场景较少.56 图表 93：三相电机采用相位差 120 度三相交流电源推转子.57 图表 94：主流单相电机有主副两个线圈，互相垂直推动旋转.57 图表 95：单相电机使用方便应用偏生活化，三相电机稳定高效工业场景应用居多.57 图表 96：装配电容器单相电机的运行原理.58 图表 97：使用罩极法单相电机的运行原理.58 图表 98：六相双 Y 移 30绕组空间分布图.59 图表 99：六相电机可实现低电压大功率，相同负载转矩六相电流小.59 图表 100：步进电机结构图.59 图表 101：伺服电机结构图.59 图表 102：伺服电机闭环控制，将编码器检所得信息反馈给控制器来控制位置，步进电机开环控制无反馈过程.60 图表 103：步进电机相较伺服电机可靠性与控制精度较低，经济性较高.60 图表 104：西门子 1FK 系列永磁同步伺服电机订货最大功率 7.5kW.61 图表 105：西门子 1PH 系列交流异步伺服电机最大功率 45kW.61 图表 106：伺服电机闭环控制，将编码器检所得信息反馈给控制器来控制位置，步进电机开环控制无反馈过程.61 图表 107：直线电机可认为是旋转电机径向剖开后的变形，结构及运行原理与感应电机相似.62 图表 108：直线电机具有高响应速度、高精度、加减速快等优势.62 图表 109：短初级直线感应电机在城市轨道交通车辆的应用.63 图表 110：直线电机用于激光微加工平台.63 图表 111：多家公司布局直线电机业务.63 图表 112：直流电机，交流异步电机，永磁同步电机三种矿山机械应用电机对比.64 图表 113：佳电股份矿用机械电机中三相异步电动机为主流，部分场景尝试永磁电机.64 图表 114：大功率矿井提升机为代表的矿山电力传动发展历程.65 图表 115：ABB 矿井提升机.65 图表 116：永磁内装式矿井提升机驱动原理.65 图表 117：数控机床电动机可分为进给电机和主轴电机，进给电机主流为永磁伺服，主轴电机主流为感应电机.66 图表 118：卧龙电驱电主轴电机产品大多为交流异步电机.66 图表 119：Akribis 机床专用直线电机 AKM 系列.67 图表 120：直驱伺服响应速度更快.67 图表 121：相比于传统的伺服电机+滚珠丝杆/齿轮齿条的驱动方式，直线电机驱动在机床方面应用优势明显.67 图表 122：传统圆线绕组存在较大空隙.68 图表 123：矩形扁线绕组空间利用率更高.68 图表 124：多家企业布局扁线业务.68 图表 125：扁线电机工艺复杂、设备精度要求高.69 图表 126：博世（Bosch）的逆变器采用碳化硅半导体.69 图表 127：安森美半导体 650V SiC MOSFET.69 图表 128：碳化硅宽禁带优势.70 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。7 机械设备机械设备 图表 129：特斯拉 Optimus 旋转执行器中使用无框电机.71 图表 130：特斯拉 Optimus 的手部模组.71 图表 131：机械传动系统的一般组成.72 图表 132：各类传动机构可实现的运动、动力转换功能各异.72 图表 133：机械传动与电气传动、流体传动对比.73 图表 134：机械传动可按照传动原理分为摩擦传动、啮合传动、推压传动三类.73 图表 135：牛头刨床机械传动系统包括带传动机构、齿轮机构、连杆机构、螺旋机构.74 图表 136：各主要传动机构应用场景各异.75 图表 137：齿轮传动分类.76 图表 138：齿轮传动主要特点及适用范围.77 图表 139：轮系可分为定轴轮系、周转轮系、组合轮系三大类.78 图表 140：带传动可分为摩擦型、啮合型两类.78 图表 141：带传动示意图.79 图表 142：链传动示意图.79 图表 143：凸轮机构按照凸轮形状可分为盘型凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮.79 图表 144：螺旋传动可分为普通、滚动、静压螺旋传动三类.80 图表 145：齿轮齿条由圆形齿轮与直线型齿条相互啮合.80 图表 146：“回转移动”传动机构各有优缺点.81 图表 147：平面铰链四杆机构包括曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构三种形式.82 图表 148：常用减速器型式及特点和应用.83 图表 149：单级圆柱齿轮减速器结构.83 图表 150：摆线针轮行星减速器结构.83 图表 151：减速器下游应用领域繁多（2019）.84 图表 152：工业机器人每个回转运动关节均需应用减速器.84 图表 153：工业机器人 BOM 表中减速器成本占比超过 30%.84 图表 154：多关节机器人应用最为广泛.85 图表 155：谐波与 RV 减速器在全球机器人用减速器中的销量占比较高.85 图表 156：行星、RV、谐波减速器应用场景各异.85 图表 157：谐波减速器主要由刚轮、柔轮、谐波发生器三大基本部分组成.86 图表 158：国内龙头绿的谐波国内市占率已达 23%（2022）.87 图表 159：2022 年国内谐波减速器市场规模约 21 亿元.87 图表 160：特斯拉擎天柱机器人旋转关节采用谐波减速器.87 图表 161：国内企业谐波减速器营收规模及产能仍待提升.88 图表 162：RV 减速器包括针轮层、齿轮层、芯轴层.89 图表 163：纳博特斯克占据国内 RV 减速器超 50%的市场(2022).90 图表 164：2021 年国内 RV 减速器市场规模约 43 亿元.90 图表 165：国内企业 RV 减速器国产化进程仍待推进.90 图表 166：行星传动机构可按齿轮啮合方式与基本构件组成进行分类.91 图表 167：NGW 型行星传动机构与行星减速器整体结构.91 图表 168：2022 年我国行星减速器市场规模全球占比约 42%.92 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。8 机械设备机械设备 图表 169：海外龙头仍居全球行星减速器优势地位（2022）.92 图表 170：国内行星减速器公司市占率逼近海外龙头（2022）.92 图表 171：国内行星减速器公司已形成一定规模.93 图表 172：滑动、滚珠、滚柱、静压丝杠性能及应用对比.94 图表 173：滚珠丝杠由螺杆、螺母、滚珠等组成.94 图表 174：滚珠丝杠按滚珠循环方式可分位内循环结构、外循环结构.95 图表 175：JIS 标准与国内标准精度等级对比.95 图表 176：机床与工业机器人对滚珠丝杠副精度等级要求相对高（按国内标准）.96 图表 177：我国滚珠丝杠下游主要应用于机床（2020）.96 图表 178：全球滚珠丝杠下游主要应用于工业生产领域（2022）.96 图表 179：滚珠丝杠在卧式车床中的应用.96 图表 180：滚珠丝杠在前驱 SCARA 中的应用.96 图表 181：滚珠丝杠在机床中的价值量占比约 3%.97 图表 182：滚珠丝杠在工业机器人中的价值量占比约 2%.97 图表 183：我国滚珠丝杠市场规模超 300 亿元，全球占比约 20%.97 图表 184：经济型滚珠丝杠采用比例40%的企业约 52%采用国产.98 图表 185：中高档型滚珠丝杠采用比例40%的企业约 48%采用国产.98 图表 186：国内汉江机床滚珠丝杠市占率居前，但营收规模远小于海外龙头.98 图表 187：行星滚柱丝杠滚动体为滚柱.99 图表 188：行星滚柱丝杠可分为标准式、反向式、循环式、差动式和轴承环式五种形式.100 图表 189：特斯拉擎天柱机器人线性关节采用行星滚柱丝杠.101 图表 190：国内市场海外公司滚柱丝杠销售量占比约 80%（2021）.101 图表 191：海外滚柱丝杠企业成立时间早、应用范围广，已建立领先优势.102 图表 192：静压丝杠实物图.102 图表 193：静压丝杠剖面图.102 图表 194：普通滑动导轨综合性能一般，滚动导轨主要用于精密机械中.104 图表 195：导轨由运动件与承导件组成.104 图表 196：导轨在机床上的应用图例.104 图表 197：直线运动滚动导轨可分为三角平开式、闭式、钢丝滚道三类.105 图表 198：机床、半导体设备直线运动滚动导轨需求多为精密级及以上.106 图表 199：2020 年全球直线导轨 CR5 78%.106 图表 200：2020 我国直线导轨市场收入约占全球 26%.106 图表 201：导轨配套丝杠应用，丝杠企业一般同时具导轨产能.107 图表 202：轴可分为转轴、传动轴、心轴三类.107 图表 203：齿轮减速器轴应用图例（直角斜齿行星减速机）.108 图表 204：优质碳素钢为应用最广泛的轴材料.108 图表 205：中大力德齿轴毛坯采购成本占比约 9%.109 图表 206：中高端机床、减速器企业轴加速自制.109 图表 207：轴承需承受径向负荷和轴向负荷.109 图表 208：滚动轴承与滑动轴承各有优缺，性价比角度滚动轴承应用更为普遍.110 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。9 机械设备机械设备 图表 209：滚动轴承主要由外圈、内圈、滚动体、保持架组成（以深沟球轴承为例）.111 图表 210：滚动轴承根据工作时所承受的载荷方向可分为向心轴承和推力轴承.111 图表 211：主要滚动轴承及其特性与应用.112 图表 212：中国为全球最大轴承市场（2022）.112 图表 213：中国轴承行业市场营收已突破 2000 亿元.112 图表 214：全球轴承市场概览.113 图表 215：2022 年中国轴承企业全球市占率达 25%.113 图表 216：滚动轴承进出口价差仍大.113 图表 217：国内轴承企业具有较强专业性，规模普遍偏低.114 图表 218：国产柔轮断口上弥散分布着直径 3.06.0m 的 Al2O3 颗粒状夹杂物，影响柔轮抗疲劳性能.115 图表 219：SKF 通过持续收购壮大业务规模，首家收购公司即材料公司 Hofors Bruk.116 图表 220：滚珠丝杠螺距精度受机床设备影响较大.117 图表 221：我国金属切削机床数控化率仍有提升空间.117 图表 222：谐波减速器为 Optimus 旋转执行器核心部件.118 图表 223：反式行星滚柱丝杠为 Optimus 线性执行器核心部件.118 图表 224：技术进步+巨头入局+政策激励加速 2023 年人形机器人产业提速.119 图表 225：各大厂大模型快速发展，赋予机器人思考学习能力，推动具身智能发展.119 图表 226：特斯拉人形机器人实现快速迭代.120 图表 227：特斯拉人性机器人已实现流畅行走与抓取物品.120 图表 228：多家科技巨头布局人形机器人，加快技术进步推进商业化应用.120 图表 229：中央和地方均推出相关政策加紧布局人形机器人.121 图表 230：RT-2 帮助机器人在数据从未见过的场景完成多种任务.122 图表 231：搭载 VoxPoser 机器人无需示范可做开瓶、按开关等任务.122 图表 232：命令“选择已灭绝动物”，搭载 RT-2 机器人选择恐龙玩偶.122 图表 233：智元机器人可根据输入的自然语言命令完成动作.122 图表 234：VoxPoser 产生了 4 个“涌现能力”，机器人可以在任务过程中自主生成推理能力，掌握新方法.123 图表 235：RT-2 提高了机器人在未见过场景中的性能，从 RT-1 的 32%提高到 62%.123 图表 236：CoT 能够帮助 RT-2 完成更复杂的任务.123 图表 237：大模型决策结果到机器人动作控制的映射方式改变.124 图表 238：RT-2 输出字符串可直接对应到机器人的坐标、旋转角等信息.124 图表 239：Voxposer 工作过程为接受命令LLM 生成与 VLM 交互生成操作指示地图运动规划器规划动作.125 图表 240：人形机器人需要多种传感器与真实世界交互.125 图表 241：多种传感器帮助人形机器人识别自身的运动状态和环境状况.126 图表 242：UCLAArtmes 足部力觉传感器方案.126 图表 243：坤维科技关节扭矩传感器及六维力传感器.126 图表 244：六维力传感器可测量 X、Y、Z 三轴力和力矩.127 图表 245：坤维科技腕部六维力传感器.127 图表 246：坤维科技踝部六维力传感器.127 图表 247：机器人各关节处需关节力矩传感器反馈力信息.128 图表 248：关节扭矩传感器感测各个关节扭力.128 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。10 机械设备机械设备 图表 249：国内六维力传感器市场第一梯队为 ATI、坤维科技、鑫精诚、宇立仪器.128 图表 250：国内外六维力传感器主要参与者及各家产品性能指标.129 图表 251：六维力传感器根据传感元件的不同主要分为三种基本类型：应变片式、光学式以及压电/电容式.129 图表 252：硅应变传感器在稳定性、信噪比、刚度方面具有一定优势.130 图表 253：十字型结构对称性好，兼顾横向和竖向的应变效果.130 图表 254：Stewart 结构是一种球面连杆结构，整体较紧凑.130 图表 255：六维力传感器选型四个核心步骤为确定量程需求确定使用环境确定机械出线需求确定通讯方式131 图表 256：六维力传感器标定装置.131 图表 257：六维力联合加载标定才能使传感器的准度更好、串扰更低.131 图表 258：动态性能补偿可以有效提高多维力传感器的响应速度.132 图表 259：六个测量方向加载至各自的额定载荷总会出现串扰.132 图表 260：解耦算法可一定程度减少维间数据关联度.132 图表 261：狭义触觉传感器工作原理多样.132 图表 262：2028 年全球触觉传感器市场空间有望达千亿元以上.133 图表 263：国内个别企业参数上国际领先.134 图表 264：Atlas 采用液压驱动，Optimus 采用电驱动.134 图表 265：电驱经历从刚性驱动器、弹性驱动器到准直驱驱动器的过程.134 图表 266：刚性驱动器由电机/减速器/编码器/力传感器和控制板等组成.135 图表 267：刚性驱动器多数采用谐波减速器，力矩传感器非必需.135 图表 268：弹性驱动器引入弹性元件变为欠驱动系统，运动控制精度低.135 图表 269：PEA 可用于机器人髋关节和上肢外骨骼机器人.135 图表 270：准直驱型由高扭矩密度电机/行星减速器/编码器/控制板组成.136 图表 271：宇树科技新准直驱驱动器增加离合结构.136 图表 272：准直驱驱动器效率较高，但因其仍需后备电池所以多用于四足机器人.136 图表 273：三大传动构建具身智能硬件基础，智能化决定人形机器人 0-1.137 图表 274：报告提及公司.138 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。11 机械设备机械设备 从三大经典传动到具身智能从三大经典传动到具身智能 人形人形机器人为具身智能理想载体，其硬件结构机器人为具身智能理想载体，其硬件结构包含包含三大三大经典传动。经典传动。在 ITF World 2023 半导体大会上，黄仁勋表示，人工智能的下一个浪潮将是具身智能（embodied AI），即能理解、推理、并与物理世界互动的智能系统。我们认为人形机器人是实现具身智能的最佳形态之一，因为我们身处的世界是按照人类的生理结构设计的，人形机器人因其外形与人相仿，与物理世界互动的隐性成本最小。从波士顿动力的人形机器人 Atlas，到特斯拉推出的Optimus，我们发现人形机器人的硬件结构包含三大经典传动：液压传动、电气传动、机械传动。机械传动广泛存在于人形机器人的各类关节中；采用“驱动大力士”液压方案的 Atlas能够实现跑酷，后空翻等高难度动作；采用“灵活多面手”电气传动的 Optimus 正快速迭代。图表图表1：波士顿动力波士顿动力 Atlas 机器人机器人主要主要采用液压驱动采用液压驱动 图表图表2：特斯拉机器人主要采用电气传动特斯拉机器人主要采用电气传动 资料来源：波士顿动力官网，华泰研究 资料来源：特斯拉 2023 年股东大会，华泰研究 液压传动液压传动为为“机械“机械大力士大力士”，高端高端国产化空间国产化空间较大，较大，电动化趋势下或仍为主要传动方式之一电动化趋势下或仍为主要传动方式之一。液压传动主要用于实现机械能-液压能-机械能的转换，其突出优点在于输出较大的推力或转矩。液压系统由动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件、工作介质五大基本部分组成，其中液压泵阀技术难度较高。目前，全球液压工业已进入成熟发展阶段，我国为全球第一大液压市场，2021 年全球市场份额达 35%。国内市场规模接近千亿，高端市场具备较大国产替代空间。推动电动化以实现节能减排成为制造业发展大势所趋，我们认为，电动化或将带动液压元件应用结构变化，短中期影响或有限，但各类液压元件仍需结合电动化技术变化，需考虑与电气系统相协调能力。图表图表3：我国液压件进口额约为出口额我国液压件进口额约为出口额 2 倍倍 图表图表4：电动缸、液压缸、气缸三种直线动作器原理介绍及对比电动缸、液压缸、气缸三种直线动作器原理介绍及对比 资料来源：国际流体动力统计委员会，普易咨询，华泰研究 资料来源：王超液电混合驱动液压挖掘机铲斗和斗杆运行特性及能效研究（2020），华泰研究 05101520253035402010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020(亿美元)进口-出口进口额出口额电动缸电动缸液压缸液压缸气缸气缸传动媒介传动媒介丝杠、螺母液压油压缩气体工作原理工作原理伺服电动机驱动滚柱丝杠推动工作装置运动做功，实现了旋转运动向直线运动转换，工作装置的速度、位移由电机控制液压动力源输出高压油驱动液压缸做直线运动，工作装置的速度、位移由油液流量和压力控制空气压力差驱动活塞杆做直线运动，工作装置的速度、位移由气体流量和压力控制工作温度工作温度通常规定电动缸的工作温度范围为一3080C，工作性能受温度波动的影响小。通常规定液压缸的工作温度范围为-40120C，工作性能易受温度波动的影响。通常规定气缸的工作温度范围为560C,工作性能易受温度波动的影响。驱动方式驱动方式由伺服电动机组成的驱动系统驱动，结构相对简单，占用空间较小由液压泵、阀及液压管路组成的液压驱动系统驱动，结构相对复杂，占用空间较大由气泵、阀及气路管道等组成的驱动系统驱动，结构相对复杂，占用空间较大承载负荷能力承载负荷能力较低，抗冲击性较差很高，具有抗冲击性较高，具有很强的抗冲击性系统控制性能系统控制性能响应快，定位精度高，速度重复性较为稳定响应较慢，定位精度一般响应慢，定位精度较差伸缩范围伸缩范围较小较大较大价格价格较高较低低系统特点系统特点应用场合广，噪声小，无污染工作性能稳定，可靠性高为避免污染环境需要配套的补油泵，且性能受温度影响，需要考虑液压系统热平衡问题噪声大,需要使用配套补气泵装置，污染小,工作性能会受温度影响 免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。12 机械设备机械设备 电气传动电气传动为为“灵活多面手灵活多面手”，应用广阔市场分散，应用广阔市场分散