1. 휴머노이드 로봇의 분류 및 가치 분포
1. 휴머노이드 로봇의 분해
2021년 8월 첫 번째 Tesla AI Day에서 Tesla는 첫 번째 휴머노이드 로봇 "Optimus"의 컨셉트 드로잉을 공개했습니다. 휴머노이드 로봇은 키가 5피트 8인치이고 무게는 125파운드이며, 45파운드의 운반 용량과 150파운드의 데드리프트 용량을 가지고 있으며, 이는 전기 자동차에 사용되는 것과 유사한 스마트 알고리즘을 통해 제어됩니다. 프로토타입은 2022년 2월에 출시될 예정이며, 거의 완전한 차세대 휴머노이드 로봇은 2022년 9월 30일 AI Day에 공개될 예정입니다. 2023년 7월 World Artificial Intelligence Conference에서 공개될 예정입니다.
테슬라가 출시한 최신 세대의 옵티머스는 신체의 기계 부분에 28개의 관절(14개의 회전 액추에이터 + 14 선형 액추에이터)을 가지고 있으며, 2개의 손재주 있는 손은 총 12개의 관절(6개의 액추에이터 * 2)을 가지고 있습니다. 테슬라의 휴머노이드 로봇의 손재주 있는 손은 인간의 손을 모방하도록 설계되었으며 적응형 움켜쥐기 기능을 가지고 있습니다. 손 구조는 5개의 손가락과 여러 개의 관절을 가지고 있습니다. 엄지 손가락은 이중 모터를 사용하여 굽힘과 측면 스윙을 구동하고 다른 4개의 손가락은 각각 하나의 모터를 가지고 있습니다. 총 6개의 액추에이터, 11개의 자유도, 20파운드의 하중, 움켜쥐는 각도에 적응하는 능력, 도구를 사용하는 능력, 작은 물체를 정확하게 움켜쥐는 능력을 가지고 있습니다. 테슬라 휴머노이드 로봇의 28개의 액추에이터는 어깨(6), 팔꿈치(2), 손목(6), 몸통(2), 엉덩이(6), 무릎(2개), 발목(4개)에 분포되어 있습니다.
테슬라 옵티머스의 회전 조인트 솔루션: 프레임리스 모터 + 하모닉 리듀서 + 토크 센서 + 위치 센서 + 베어링(앵귤러 접촉 볼 베어링 + 교차 원통 롤러 베어링) + 인코더. 테슬라는 동시에 20Nm/110Nm/180Nm의 토크가 다른 3개의 회전 리듀서를 포함하는 액추에이터 제품 포트폴리오를 시연했습니다. 전신 분포: 어깨에 6개, 손목에 2개, 엉덩이에 4개, 몸통에 2개.
테슬라 옵티머스의 리니어 조인트 솔루션: 프레임리스 모터 + 행성 롤러 스크류 + 토크 센서 + 위치 센서 + 베어링. 테슬라는 동시에 토크가 다른 3개의 리니어 액추에이터, 토크가 500N/3900N/8000N인 액추에이터 제품 포트폴리오를 시연했습니다. 전신 분포: 팔꿈치 2개, 손목 4개, 엉덩이 2개, 무릎 2개, 발목 4개.
2. 휴머노이드 로봇 주요 부위별 가치 분포
테슬라 옵티머스를 참조하면, 휴머노이드 로봇의 가치는 주로 FSD 시스템, AI 칩, 액추에이터, 그리고 능숙한 손 사지 골격에 분포되어 있습니다: FSD/AI 칩: 테슬라의 핵심 경쟁력, 단일 기계의 가치는 약 50,000 위안이며, 비용은 약 26.5%를 차지합니다; 회전 액추에이터: 조립 제품은 제3자에 의해 공급되며, 여기에는 하모닉 감속기(또는 새로운 하모닉 유사 감속기), 프레임리스 토크 모터, 토크 센서, 인코더, 베어링 및 기타 주요 부품이 포함되며, 비용은 약 23%를 차지합니다; 선형 액추에이터: 조립 제품은 제3자에 의해 공급되며, 여기에는 행성 롤러 스크류, 프레임리스 토크 모터, 토크 센서, 인코더, 베어링 및 기타 주요 부품이 포함되며, 비용은 약 28%를 차지합니다; 능숙한 손: 코어리스 모터, 행성 기어 박스, 센서, 볼 스크류 등이 포함되며, 비용의 약 7%를 차지합니다; 사지 골격: 기계적 구조 부품으로, 비용의 약 13%를 차지합니다. 제3자가 공급하는 비조립 부품 중에서는 프레임리스 토크 모터(14.84%), 행성 롤러 스크루(14.84%), 하모닉 리듀서(7.42%), 토크 센서(7.42%), 인코더(4.45%), 코어리스 모터(3.82%)가 비중이 더 크다. 2. 휴머노이드 로봇의 주요 링크 분석
1. 리듀서: 기술장벽 높아 국산대체 가속화
로봇 감속기는 주로 RV 감속기와 하모닉 감속기의 두 가지 범주로 나뉩니다. 하모닉 감속기는 큰 단일 단계 전달 비율, 작은 크기, 낮은 질량 및 높은 동작 정확도의 장점이 있습니다. 제한된 공간과 중간 방사선 조건에서 정상적으로 작동할 수 있으며 휴머노이드 로봇 등과 같은 경부하 정밀 감속 분야에 더 적합합니다. 하모닉 감속기와 비교할 때 RV 감속기는 큰 전달 비율 범위, 비교적 안정적인 정확도, 높은 피로 강도 등의 장점과 더 높은 강성 및 토크 전달 용량이 있습니다. 주로 로봇 팔 및 기계 베이스와 같은 중부하 부품에 적합합니다.
하모닉 감속기의 어려움은 주로 톱니 설계, 재료, 가공 장비, 기술 및 일관성에 있습니다. 기술적 어려움은 특히 다음과 같습니다. 톱니 모양 설계: 하모닉 감속기의 전달 원리는 두 기어 사이의 맞물림 동작이고 플렉스스플라인은 지속적으로 변형되므로 기어의 높이, 너비, 모양 및 기타 설계가 감속 성능에 더 큰 영향을 미칩니다. 영향. 재료: 플렉스스플라인은 지속적으로 변형되고 토크를 전달하여 재료의 일관성, 하중, 정확성 및 피로 수명에 큰 어려움을 겪습니다. 일반 금속 및 합금은 요구 사항을 충족하기 어렵습니다. 가공 장비: 플렉스스플라인은 매우 얇고 두께가 약 100μm입니다. 가공 및 절단 요구 사항이 높습니다. 고정밀 CNC 연삭기 및 기어 호빙 머신은 수입해야 하며 일본의 고정밀 공작 기계는 우리나라에 제한이 있습니다. 가공 기술: 플렉스 스플라인의 가공 및 절단은 매우 까다롭고 일부 공정은 여전히 직원의 경험 축적에 의존합니다. 일관성: 대량 생산에서 불량률을 줄이고 제품 일관성을 유지하는 것은 매우 어렵습니다. 고조파 감속기에 비해 RV 감속기는 구조가 더 복잡하고 가공 정확도와 기술에 대한 요구 사항이 더 엄격합니다. 기술적 어려움은 구체적으로 다음과 같습니다. 가공 정확도: 구조가 복잡합니다. 실제 작업 조건에서 RV 감속기는 반복적이고 정확하게 배치되어야 하며, 이는 감쇠 없이 정확도를 유지하기 위해 연속적인 시동 및 제동과 같습니다. 정확도가 낮으면 제품이 마모됩니다. 가공 기술: 치아 표면 열처리, 가공 정확도, 부품 대칭, 그룹화 기술 및 조립 정확도를 포함한 다양한 공정의 긴밀한 협력. 이러한 공정의 최종 조립 허용 오차는 제품의 마모와 수명을 초래합니다. 일관성: 정밀 부품으로서 단일 제품이 고성능을 달성하는 것은 어렵지 않지만 대량 생산 제품이 표준 성능을 충족하는 것은 큰 과제입니다.
감속기의 수입 독점이 깨질 것으로 예상되며 국내 대체가 진행 중입니다. 글로벌 로봇 감속기 시장은 고도로 집중되어 있으며 일본 제조업체가 대부분의 시장 점유율을 차지하고 있습니다. 2021년 나브테스코는 중국 RV 감속기 시장 점유율의 53%를 차지했고 하몬 나코는 중국 고조파 감속기 시장 점유율의 35.5%를 차지했습니다. 그러나 중국은 현재 로봇의 핵심 기술 혁신을 중요한 프로젝트로 간주하고 있으며 국내 제조업체는 감속기, 컨트롤러, 서보 시스템과 같은 핵심 핵심 구성 요소의 일부 문제를 극복했습니다. 중국 RV 감속기의 수출량은 전반적으로 상승 추세를 보인 반면 수입량은 일반적으로 하락 추세를 보였습니다. RV 감속기의 국산화 추세가 나타났습니다. 최근 몇 년 동안 국내 고조파 제조업체가 점차 하류 고객의 공급망에 진입했으며 중국 브랜드의 시장 점유율은 해마다 증가했습니다. 일본 하모노코사 제품과 같은 수입 정밀감속기의 단가는 보통 3,000~4,000위안 사이입니다. 국산 정밀감속기의 단가는 가격의 30%~50%로 가격적 이점이 있습니다.
2. 리드스크류: 기술장벽이 매우 높아 국산대체 여지가 많습니다.
나사는 회전 운동을 선형 운동으로 변환하거나 선형 운동을 회전 운동으로 변환하는 데 이상적인 제품입니다. 일반적인 나사 제품에는 슬라이딩 나사, 볼 나사, 행성 롤러 나사 등이 있습니다. 볼 나사는 산업용 정밀 기계에서 일반적으로 사용되는 전달 요소입니다. 주요 구조는 볼 나사, 볼 너트 및 볼의 세 부분으로 구성됩니다. 핵심 전달 원리는 회전 운동을 선형 운동으로 변환하고 슬라이딩 마찰을 롤링 마찰로 변환하는 것입니다. 나사가 너트에 대해 회전할 때 나사의 회전 표면은 볼의 순환 롤링을 통해 너트를 축 방향으로 밀어 회전을 선형 운동으로 전환합니다. 볼의 롤링은 나사와 너트 사이의 슬라이딩 마찰을 볼, 나사 및 너트 사이의 슬라이딩 마찰로 변경합니다. 이들 사이의 롤링 마찰은 슬라이딩을 롤링으로 바꾸어 전달 효율을 크게 향상시킵니다. 행성 롤러 나사는 강력한 종합 성능과 광범위한 응용 전망을 갖춘 신세대 나사 나사의 고정밀 분야입니다. 행성 롤러 스크류는 맞물림 롤러를 통해 선 접촉 롤링 마찰을 생성하여 스크류 전달 프로세스 동안 접촉 표면과 응력 표면을 크게 증가시킵니다. 정밀 전달에 사용되는 이전 볼 스크류와 비교할 때 전달 효율이 크게 손실되지 않습니다. 동시에 고속, 고하중, 고강성, 높은 리드 범위, 더 작은 크기, 낮은 소음 및 더 쉬운 유지 보수 및 분해의 특성을 가지고 있습니다. 항공 우주, 무기 및 장비, 원자력과 같은 글로벌 고정밀 분야에서 사용되었습니다. 또한 공작 기계, 자동차 ABS 시스템 및 석유 화학 산업과 같은 민간 시나리오에서 광범위한 응용 프로그램 요구 사항이 있습니다.
볼스크류: 볼스크류는 1874년에 발명되었습니다. 1930년대에 미국의 제너럴 모터스가 자동차 조향 장치에 볼스크류 부품을 처음 적용했습니다. 1940년대에 볼스크류 쌍이 CNC 공작 기계에 처음 사용되었습니다. , CNC 공작 기계의 이상적인 공급 요소가 되었습니다. 공작 기계와 자동화 장비의 개발로 볼스크류 쌍의 연구 및 생산이 촉진되었습니다. 1950년대에 영국의 ROTAX, 일본의 NSK 등 산업이 발달한 나라에서 많은 볼스크류 제조업체가 등장하기 시작했습니다. 우리나라에서 CNC 공작 기계용 볼스크류 쌍의 개발은 1950년대에 시작되었습니다. 1964년에 우리나라는 자체적으로 첫 번째 볼스크류 쌍 세트를 설계하고 개발했습니다. 국내에서 2009년 관련 프로젝트를 시작한 이래로 한강공작기계, 산둥보테세이코 등 국내 기업들이 많은 우수한 성과를 거두었지만, 현재 우리나라는 세계 선진 기업과 비교했을 때 고성능 제품에서 개선의 여지가 여전히 있습니다. 국내 시장에서 중상급 볼스크류 시장은 주로 THK와 같은 독일과 일본 기업이 차지하고 있으며, NSK, 렉스로스 등 국제 기업은 고급 시장에서 90%의 시장 점유율을 차지할 수 있는 반면, 중국 본토 기업은 주로 중급 시장에서 활동하며 시장 점유율의 약 30%를 차지합니다. 주된 이유는 우리나라 기업이 규모가 작고 늦게 시작했으며 제품 품질에서 높은 수준의 정밀도에 도달할 수 없기 때문입니다.
행성 롤러 스크류: 1942년 스웨덴의 칼 브루노 스트란드그렌이 처음으로 재순환 행성 롤러 스크류에 대한 특허를 신청했습니다. 1954년 그는 표준 및 역행 행성 롤러 스크류에 대한 특허를 신청했습니다. 1986년 윌리엄 J. 로앤트리가 차동 행성 롤러 스크류를 발명했고, 올리버 사리(Oliver Saari)가 베어링 링 행성 롤러 스크류를 발명했습니다. 1970년 스위스의 롤비스(Rollvis) 회사가 행성 롤러 스크류를 개발하기 시작했습니다. 스웨덴의 SKF도 행성 롤러 스크류를 개발했습니다. 미국의 무그(Moog), 독일의 오르트립(Ortlieb), 영국의 파워 잭(Power Jacks)은 모두 자체적으로 성숙한 행성 롤러 스크류를 보유하고 있습니다. 제품; 미국의 엑슬라(Exlar)와 독일의 렉스로트(Rexroth)는 모두 각자의 전기 기계 액추에이터에 행성 롤러 스크류를 사용합니다. 2022년에는 일본과 유럽의 롤러 스크류 회사가 중국 시장의 90%를 차지할 것입니다. 관안 보고망의 데이터에 따르면, 2022년 우리나라 행성 롤러 스크류 시장 공급에서 상위 4개 제조업체는 롤비스(스위스), GSA(스위스), 에벨릭스(스웨덴), 렉스로스(독일)로 시장 점유율은 각각 27%, 26%, 13%, 12%입니다. 중국 기업은 이 산업에 늦게 진출했기 때문에 경쟁력이 외국의 산업 선진국 기업보다 훨씬 뒤처져 있습니다.