苏州铁近钮栋成:AI带来的特微轴承在人形机器人中的应用 | 嘉程创业流水席223席精彩回顾
07.25.2024 | 嘉程资本:创新者的第一笔钱 | 嘉程创业流水席

2030年,人形机器人指关节微型谐波减速器的市场容量有望突破300亿元。

近日,嘉程创业流水席第223席【探讨「AI+先进制造」的最新趋势】,邀请了苏州铁近特微轴承市场总监钮栋成分享,主题是《AI带来的特微轴承在人形机器人中的应用》。

以下是正文内容:

我叫钮栋成,以前是一名投资人,2023我投资了一家生产特微轴承的企业,目前担任该企业的市场总监。这次分享的主题是“AI带来的人形机器人特微轴承的应用”。

AI大模型加速人形机器人发展

AI大模型赋予了机器人灵魂,同时提高了人形机器人的产品力。特斯拉的擎天柱机器人结合了特斯拉汽车的FSD系统,使得人形机器人本体可以执行一些作业,这款机器人是联合了OpenAI开发的,国内则是优必选联合了文心一言,此外,深圳的乐聚机器人也与华为的鸿蒙系统合作。

海内外的人形机器人在工厂中的“实训”进度加快。首先,奔驰与阿波罗机器人在今年3月16日进行了工厂培训。此外,优必选在2月公布了一段视频,展示了Walker S在蔚来主机厂进行实训。同时,Figure机器人在宝马工厂进行实训;亚马逊的机器人则在其仓库中作业,主要负责搬运货物。

AI人形机器人首先落地的场景肯定是在汽车主机厂,但末端力控需要加强。这张表的蓝色部分是分值较高的几项,包括物流搬运、刚性材料装配、拧紧等作业。按照重要程度来看,AI视觉、运动控制等分值已经很高,达到5分,唯独在末端力控方面,即末端执行器(灵巧手)的分值仍然较低,而要实现人形机器人替代工厂工人,灵巧手是不可或缺的。

人形机器人有望复制电车之路,核心零部件也随之水涨船高。特斯拉汽车自2012年开始量产,带动了国内电动车主机厂的快速发展。2023年,国内电动车主机厂的总销量接近1000万辆,推动了电池、电机、电控、轻量化、激光雷达等汽车零部件企业的成长。如果按照同样逻辑,特斯拉的人形机器人2024年是量产元年,市面上许多做人形机器人本体的企业,如智元、优必选、宇树等,到2030年,其总产量能否超过100万台,值得期待。关于人形机器人本体的零部件企业也将随之增长,例如无框力矩电机、空心杯电机、减速器、丝杠、编码器等企业。

灵巧手为未来最大潜在市场

这张图展示了特斯拉人形机器人的关节设计。按照特斯拉的方案,它分为12组灵巧手关节、14组旋转关节和14组直线关节。关于旋转关节与直线关节,前几年有很多工业机器人企业在制造这些零部件,并逐渐转向人形机器人领域。因此,现在旋转和直线关节的制造竞争激烈,唯独灵巧手相关零部件目前处于蓝海状态,暂时还没有出现在空心杯电机、微型谐波减速器、丝杠等领域绝对领先的企业。

五指灵巧手是通用机器人硬件的灵魂,也是价值最高的部件。将灵巧手设计成五指的主要原因是,人类生活的物理空间都是为五指设计的,例如,拿手机、用筷子、用刀叉、弹钢琴和开汽车等场景,五指是最方便和灵活的。

在生活场景之外的一些工业场景中,例如我们服务的企业是做轴承的,在搬运货筐、拧螺丝和使用扳手时,这些工具也都是为五指设计的。因此,将灵巧手设计成五指形式,可以大幅降低边际成本。厂商们也希望通过机器模仿学习,推动机器人的通用性和专业性。

图上表格预测了灵巧手的市场容量。目前,一家头部企业北京因时的单只灵巧手报价大约为5万元。如果按照这样的趋势,假设到2030年灵巧手的价格能够下降,预计2030年灵巧手的市场容量可以达到约400亿元。

灵巧手的前世今生可以分为三个阶段:科研阶段、宇航系统应用阶段以及21世纪之后的商用阶段。

  • 最早在70年代,日本东京大学的石川实验室发布了第一款灵巧手,随后一些美国高校如斯坦福大学也相继发布了类似产品。中国在1984年由清华大学发布了第一款灵巧手。

  • 第二个阶段是灵巧手在宇航领域的应用。德国宇航局与哈尔滨工业大学合作开发了一款用于宇航的灵巧手,美国宇航局(NASA)也在1999年发布了一款宇航级灵巧手。

  • 进入21世纪后,灵巧手逐渐开始转向商用。比较典型的例子是2004年,英国公司Shadow发布了一款灵巧手,可以帮助人们解决一些生活场景的应用,如冲泡咖啡。2010年,NASA与美国通用汽车公司发布了一款灵巧手,用于主机厂。2008年,哈尔滨工业大学与德国宇航局发布了一款名为DLR的灵巧手,是HRT的第二代,也用于太空。

这张图展示了灵巧手的主要玩家,目前多为人形机器人本体企业。

在国内,能够独立制造灵巧手的人形机器人本体企业数量并不多。相对而言,国外人形机器人本体企业中,制造灵巧手的比例明显高于国内。

还有一批玩家主要是国内垂直领域企业及高校。我在红框里列举了几个典型案例:

第一个企业是苏州钧舵,成立于2016年。今年3月,创始人介博士在央视二套展示了灵巧手产品,并预计在5至10年内实现商业化。目前,他们公司的主要产品是二指夹爪,应用于医疗领域和锂电镀锌领域。

另一家较为知名的企业是北京因时机器人,目前也在与我们合作轴承方面的项目。去年他们的出货量为500台,预计2024年出货量将至少翻倍。

还有其他企业,例如上海的钛虎机器人,主要生产人形机器人的关节。2024年春节后,灵巧手的出货量突飞猛进,现在每月出货几百台,但由于采用舵机方案,附加值不高。

这是关于灵巧手几种方案的对比,主流方案主要分为以下几种:

  • 第一种是腱绳传动,使用绳子来传动,比较典型的例子是Shadow和NASA的机器人。

  • 第二种是因时采用的连杆传动,主要使用电机,再配合一块丝杠,第二代采用的是滚珠丝杠。

  • 第三种是特斯拉的方案,采用蜗轮蜗杆传动。

  • 第四种是比较前沿的方案,可能在将来会实现,但目前受到材料和技术限制。比较典型的是一家波兰创业公司Clone的方案。

灵巧手驱动器的位置也有几种方案:

  • 第一种是特斯拉的方案,将驱动模组化放在手掌里。右上图是哈默纳科的驱动模组,最下面的黑色部分是编码器,上面是电机和时段减速器,将模组放在手掌里,一个手掌里使用6个。

  • 第二种是比较前沿的方案,将驱动器放在手指里。这是德国宇航局与哈尔滨工业大学联合研发的一款灵巧手,将驱动模组小型化地放在手指里,这样的优点是内控精度较高,同时手指的自由度也适当提高。

  • 第三种方案是将驱动模组放在手肘里。NASA的方案就是将驱动模组放在手肘里,用一个驱动模组连接一根绳,每根绳分别驱动一根手指。

特微轴承在机器人赛道的应用

下面讲到我的主业,关于特微轴承在人形机器人的应用情况。

首先介绍微型轴承的定义。轴承主要用于电机中支撑电机,当电机转速很快时,会产生强大的离心力,因此需要轴承进行支撑。通常来说,轴承与电机有天然的结合,但现在轴承也有其他应用领域。以机器人为例,轴承可以用于减速器中,无论是RV减速器、行星减速器还是谐波减速器。此外,轴承还可以用于丝杠中,尤其是在前沿的行星滚珠丝杠中。

根据中国的定义,外径尺寸在26毫米以下的称为微型轴承,而特微轴承是指外径尺寸在9毫米以内的轴承。以MR93为例,它的外径在9毫米以内,统一称为特微轴承。

关于灵巧手布局微型轴承的市场。

图中可以看到,丝杠中会用到一颗四点接触轴承,目前因时的减速器方案使用一款行星减速箱,轴承的附加值并不高。但如果使用微型谐波减速器,只需采用一颗柔性轴承和一颗微型四点接触轴承,这两颗轴承的附加值较高。在手指中使用的哈默纳科3系列谐波减速器,目前单颗售价在七八千元左右。

另一个应用领域是马达。目前主流的使用方式是在空心杯电机中,它的质量较轻,可以与人形机器人天然结合,一个电机配两颗深沟球轴承。

接下来讲灵巧手的方案。如果将驱动器放在手掌里,空心杯电机和编码器的配置是相同的,主要区别在于三种减速方案。第一种是微型行星减速箱,第二种是微型行星滚柱丝杠,第三种是微型谐波减速器。

  • 谐波减速器中的柔性轴承看起来非常迷你,目前具备这种技术能力的企业并不多,国内几家领先的谐波减速器企业也都找到了我们。

  • 第二,关于微型行星滚柱丝杠,我们提供了一款四点接触轴承,四点接触可以同时承载轴向和径向力,也可以用于谐波减速器中。

  • 第三,我们目前生产的最小的深沟球轴承,与空心杯电机有天然的结合。它的外径是三毫米,内径一毫米,厚度一毫米,是目前国内企业能够做到的最小尺寸。因时也是第一家可以让其转速达到每分钟15万转的企业。

  • 第四个产品是一款用于微型编码器的深沟球轴承。目前我们为行业领先的编码器企业定制该产品,应用于特殊领域。

方向二,布局人形机器人躯体和四肢的旋转关节及直线关节轴承。轴承主要用于旋转关节中的无框力矩电机与谐波减速器,分别采用深沟球轴承、柔性轴承和四点接触轴承。人形机器人直线关节也可以使用这些轴承,主要用于旋转关节中的无框力矩电机与行星滚柱丝杠,分别采用深沟球轴承和角接触轴承/四点接触轴承方案。

方向三,布局工业机器人谐波减速器柔性轴承,这是目前看到的一个市场,也是一个基本盘市场。这张图展示了一台最常见的六轴工业机器人,第一轴、第二轴、第三轴使用RV减速器,承载力较强;第四轴到第六轴是姿态轴,通常使用谐波减速器。目前我们要做的市场是将谐波减速器应用于工业机器人领域的基本盘市场。

方向四,布局编码器轴承,应用于机器人及其他行业赛道。编码器作为伺服系统闭环反馈信号提供者,在电机运行过程中,将位置信号反馈至驱动器,保证电机平稳、稳定地运行。右边是关于人形机器人使用编码器的应用场景和数量。不论是旋转执行器还是线性执行器,在灵巧手中使用的数量都很多。按照某券商的研报,总共需要使用50个编码器,而单台人形机器人的编码器价值量约为6000元。

将编码器进行拆解后,也分为旋转式和直线式。我们卖轴承,主要考虑到旋转式,因为直线式不需要使用深沟球轴承。旋转式也有所区分,分为整体式和分体式。如果使用分体式,可能就需要使用轴承。机器人行业为了节省空间和成本,通常将编码器和电机共用一根轴。因此,未来人形机器人中指关节和旋转关节的编码器未必使用轴承,所以我们也要拓展其他领域和工业领域的市场。

这张表的数据比较多,我做了一些对比,比较了谐波减速器和行星减速器的性能,隐去了公司名。

哈默纳科是全球谐波减速器的龙头企业,它的产品尺寸最小是3系列的,尺寸为13×13毫米,重量也很轻,只有13.7克,寿命在7000小时以上。最关键的数据是,它在100减速比的情况下,峰值转矩可以达到0.3。

对比国内的A企业,它是1:1照抄哈默纳科,尽管与哈默纳科还有差距,例如重量达到了30克,不符合人形机器人的轻量化要求,但它毕竟能够生产出3系列的产品,尺寸也很小,为13×13毫米。尽管它的减速比没有达到100,只到50,因为从专业角度来讲,做到100非常难,要求每个齿的模数只能做到0.1左右,对于国内的刀具来说是很高的挑战。

企业B也是一家生产微型谐波减速器的企业,能够生产出5系列的谐波减速器,尺寸为17×17毫米,勉强可以用在手掌里,但难以用在手指里。他们设定的寿命较高,可以达到1.2万个小时。数据还是挺好的,在100减速比的情况下,能够实现的峰值转矩是1.25。

企业C是一家西安的企业,主要生产行星减速器。它生产的行星减速器性能较好,最小的一款产品尺寸为10×13.4毫米,能够承载的起停时峰值转矩较小,只有0.08。相比于哈默纳科的0.3转矩和企业B的1.25转矩,0.08的转矩在手指里使用的实用性并不强,如果让它实现特斯拉前段时间比较火的穿针引线功能会比较困难。

企业D是一家创新型企业,它既不用谐波原理,也不用行星原理和RV原理,而是全新设计了一款减速器。目前的尺寸为16×12毫米,设计寿命为6000小时,能够实现的起停时峰值转矩较高,可以达到0.75,比哈默纳科要强,同时能够实现的最高转速可以达到2万转。

目前,行业的潜在市场非常大。关于人形机器人指关节微型谐波减速器的市场容量预测,2030年有望突破300亿元。假设人形机器人本体出货量达到100万台,灵巧手则为200万台。按照特斯拉去年夏天的方案,每台灵巧手机器人使用6个谐波减速器;如果按照特斯拉冬天的方案,则使用15个谐波减速器,市场容量更大。我简单做了实时测算,如果按照每只手6个谐波减速器的方案,到2030年市场容量将达到318亿元。

我的分享到此结束,谢谢各位。

Q&A

席友:人形机器人成本占比最大的部分是什么?

钮栋成:可以参照工业机器人的三大件成本占比,其中减速器占比最高,其次是电机。按照同样的原理,价值量最高的应该还是减速器,第一种是谐波减速器,第二种是RV减速器,第三种是行星减速器。如果第一批人形机器人在工业场景中先使用,可能RV减速器更适用。但如果日后进入家庭,可能是谐波减速器,特别是将较小的谐波减速器使用在灵巧手中,附加值最高。举个例子,谐波减速器行业龙头是日本哈默纳科,现在价值最高的是一款最小的03系列产品,报价大约在8000多元。

 

全文完

 

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