人形機器人行業(yè)專題報告：核心零部件的野望隱形冠軍的搖籃

人形機器人行業(yè)專題報告：核心零部件的野望，隱形冠軍的搖籃一、產品功能日趨完善，未來成長高預期（一）產品功能日趨完善，身體、視覺能力同步提升人形機器人產品研發(fā)逐步推進，功能日趨完善。2021年8月特斯拉首次公開Optimus機器人計劃，并采用真人舞臺表演的方式表達設計概念；2022年9月，一款人形機器人原型公開亮相，并能夠在舞臺上表演、走動；2023年5月，根據(jù)特斯拉官網所發(fā)布的視頻，可以看到多個人形機器人能夠同步或單獨執(zhí)行任務，新變化包括：（1）身體能力：機器人身體能力逐步健全，例如行走、抓取物體、感應較軟的物體以及使用電機扭矩控制施加有限的力；（2）視覺能力：機器人具備特斯拉視覺AI，能夠發(fā)現(xiàn)并記憶周邊環(huán)境，特斯拉機器人和汽車均連接到同一個神經網絡，并安裝了相同的完全無人駕駛系統(tǒng)（FSD）；（3）同步控制：特斯拉能夠同時控制多個機器人，連接到同一個神經網絡（NN），并可以同步執(zhí)行任務，為之后產業(yè)化應用奠定基礎。（二）機器替人具備潛力，市場空間預期較高預計未來人形機器人將憑借其性能優(yōu)勢在工業(yè)、生活等各領域高速滲透。根據(jù)高盛、Payscale數(shù)據(jù)，特斯拉工廠工人的平均時薪為23.75美元，每日工作8小時，假設25-26年人形機器人能滿足工廠作業(yè)需求，其每日工作20小時（其余時間為充電、維護），約2年便可回收投資成本，具備商業(yè)可行性。高盛中性估計未來人形機器人市場約60億美金，而最為樂觀估計下市場超千億美金。根據(jù)高盛預測，在中性假設下，人形機器人到2030年將填補美國制造業(yè)勞動缺口的4%，到2035年添補全球養(yǎng)老需求缺口的2%，預計未來10-15年內，人形機器人市場規(guī)模將達60億美元；而在最為樂觀情景下，若人形機器人完全克服產品設計、價格、技術、公眾接受等一系列障礙得到全面普及，2035年市場規(guī)模高達1540億美元，接近2021年全球電動汽車市場。目前，人形機器人仍處在產品研發(fā)階段，產業(yè)化應用仍任重道遠。根據(jù)我們測算，人形機器人潛在市場空間約百億美元。假設人形機器人在美國物流運輸、看護照料、危險作業(yè)場所率先替人。根據(jù)U.S.News，美國2021年最低工資10美元/小時左右，以每日8小時和250天工作日計算各崗位的年薪，對于危險崗位假設給3倍左右溢價。結合wind的美國勞工局的就業(yè)人數(shù)進行估計，考慮了我們上述預測的機器換人替代率，預計美國未來這塊潛在的市場可達數(shù)百億美元。綜上所述，人形機器人雖然仍處在研發(fā)階段，未來產業(yè)化仍具有不確定性，但市場潛力大。若順利產業(yè)化并有效推廣，市場空間從百億到千億美金不等。二、本土企業(yè)在一體化關節(jié)產業(yè)鏈具備機會（一）人形機器人包括五大模塊，中國產業(yè)鏈具備機會人形機器人包括硬件層和軟件層兩大類。其中軟件層配有特斯拉AI，為特斯拉汽車FSD算法的橫向遷移；硬件包括控制、感知、運動、動力模塊等。我們認為，特斯拉在頂層數(shù)據(jù)和開發(fā)上實現(xiàn)逐步突破，自研核心軟件層，而打開下游硬件及其產業(yè)鏈發(fā)展機會。（1）控制模塊：機器人的中央處理器在軀干中，是其自動駕駛相關的硬件和軟件的橫向遷移。機器人控制系統(tǒng)能處理人腦所能處理的大部分功能，例如處理視覺數(shù)據(jù)、做多元決策、感官感知和通信等，同時能夠支持WiFi通信和音頻。（2）感知模塊：外部傳感器和內部傳感器兩大類。以視覺為代表的外部傳感器遷移自汽車FSD，二者基于相同的神經網絡的大數(shù)據(jù)，目前特斯拉已完成了橫跨美國絕大多數(shù)道路的數(shù)據(jù)采集，有助于幫助機器人實現(xiàn)更復雜“自動駕駛”快速落地；內部傳感器包括位置、力矩、力量等，主要集成于一體化關節(jié)中。（3）運動模塊：包括驅動裝置、執(zhí)行裝置、傳動裝置等。特斯拉將機器人的運動模塊和部分感知模塊整合為一體化關節(jié)，包括轉動、直線關節(jié)兩大類。人形機器人共有40個執(zhí)行器，其中身體28個，手部12個。（4）動力模塊：電池內置于軀干中間，容量為2.3kwh。機器人蹲坐、行走的功率分別約100W、500W，電池電量可以待機約20h，相當于一天的工作。所有的電子元器件全部集成到電池包的PCB中，可以完成傳感、充放電、管理等多功能。同時特斯拉將汽車電池關鍵技術遷移至機器人，可以做到使用高效、溫控簡單、安全管理，并可以做到供應鏈的橫向遷移。（5）散熱和總裝：包括機器人熱管理、骨架和結構設計、裝配等。綜上所述，我們認為，人形機器人控制模塊、外部傳感器與軟件層、特斯拉汽車FSD關聯(lián)度較大，更多依靠產品自研和海外供應商；動力模塊中電池的容量遠小于新能源汽車（機器人電池2.5kwh，對比ModelY標準版55kwh），產業(yè)鏈彈性不大；一體化關節(jié)為非核心部件，機器人公司傾向于外購，且中國制造業(yè)的崛起帶動了本土以綠的諧波、鳴志電器、匯川技術為代表的工業(yè)自動化企業(yè)發(fā)展，全球競爭實力提升，因此產業(yè)化早期重點關注一體化關節(jié)領域的投資機會。一體化關節(jié)模塊約占整體成本的50%。根據(jù)Ofweek機器人網，工業(yè)機器人運動模塊（伺服電機+減速器）約占整體成本的47%；人形機器人相比于傳統(tǒng)工業(yè)機器人關節(jié)數(shù)量更多，但是感知、控制難度也更大，我們預計一體化關節(jié)約占機器人總成本的50%.（二）身體：共計28個自由度，包括直線、旋轉執(zhí)行器共計28個人形機器人關節(jié)采用仿生設計，單關節(jié)效用高。以膝關節(jié)為例，特斯拉參考人體膝蓋結構，將線性連接變成了仿生的四桿連接方式，從而增加了關節(jié)的柔性，適用于更多場景并降低受力。同時，特斯拉選取多個場景對機器人進行工作模擬，計算每一個關節(jié)在每一種場景下的投入產出并抽象為一個點，求解數(shù)十萬個點的帕累托最優(yōu)便得到了可以滿足多使用場景的關節(jié)選型。6類執(zhí)行器復用實現(xiàn)身體28個自由度。機器人關節(jié)需要完成Pitch（繞X軸旋轉）、Yaw（繞X軸旋轉）、Roll（繞Z軸旋轉）等不同動作，特斯拉通過關節(jié)優(yōu)化選型做到復用，3類旋轉和3類直線執(zhí)行器共實現(xiàn)28個自由度，其中旋轉、直線執(zhí)行器數(shù)量各為14個。按照執(zhí)行器的運動方式不同，分為轉動和直線執(zhí)行器。轉動執(zhí)行器用于聯(lián)接各運動機構，同時傳遞各機構間的回轉運動，由無框力矩電機+諧波減速器+離合器+位置/扭矩傳感器+軸承等組成，主要用于機器人的肩部、腕部、臀部和軀干。直線執(zhí)行器在垂直方向上具有剛度，可類別于人的肌肉，主要傳遞伸縮運動，主要由無框力矩電機+倒置式行星滾柱絲杠+位置/力傳感器+軸承等組成，主要用于機器人的膝蓋、腳踝、肘部、臀部、腕部。因此，身體部分所用的零部件包括驅動/執(zhí)行裝置無框力矩電機，傳動裝置諧波減速器、行星滾柱絲杠、各類軸承等，以及位置、力矩、力量傳感器。（三）雙手：共計22個自由度，包括12個關節(jié)機器人雙手采用人體工程學設計，對物體抓取進行優(yōu)化。靈巧手之上配有傳感器，能夠識別抓取的物體，并實時感知手所處的空間位置，抓住細小而精致的物體。同時，靈巧手具有“自適應性（Adaptivegrasp）”和“非反向驅動能力（Non-backdrivablefingers）”，可以自適應所抓取的物體并在不開啟馬達的情況下抓住和運輸物體。特斯拉靈巧手單手共有11個自由度和6個執(zhí)行器。靈巧手單手共有11個自由度，包括6個主動自由度和5個被動自由度，其中主動自由度大拇指有兩個（擺動+彎曲），其余4個手指各有1個。手指的主動自由度由執(zhí)行器實現(xiàn)，其驅動/執(zhí)行裝置為空心杯電機，傳動裝置為精密齒輪，并配有多種傳感器等。（四）總結：重點關注電機、減速器、絲杠等領域根據(jù)我們測算，人形機器人一體化關節(jié)中高價值環(huán)節(jié)有無框力矩電機、空心杯電機、諧波減速器和行星滾柱絲杠，此類產品側重標準化，且部分產品在國內工業(yè)機器人等行業(yè)運用相對成熟；而軸承和傳感器領域所涉及的產品種類較多、均價偏低，各供應商所側重細分領域有所差異，對國內企業(yè)的采購集中度可能不大。三、本土企業(yè)在一體化關節(jié)產業(yè)鏈具備機會（一）電機：空心杯電機應用廣，力矩電機逐漸系列化電機品種繁多，普遍有兩種分類方式，按照控制方式分類和按照驅動方式分類?？刂品绞椒诸悾喊ㄋ欧姍C、步進電機和力矩電機，伺服電機采用閉環(huán)/半閉環(huán)控制、控制精度高、高低速切換流暢、成本較高；步進電機將脈沖信號直接轉化為角動量，步距角恒定，精度弱于伺服但結構簡單成本低。按照驅動方式分類：分為直流電機和交流電機，其中交流電機按照轉子和定子轉動是否同步可以分為同步電機和異步電機（感應電機），同步電機通過轉子磁場和定子磁場之間的“互鎖”來運行。而異步電機的工作原理是“電磁感應”，定子旋轉變化的磁場在轉子中感應出電流，此電流在磁場中受力，帶動轉子轉動。人形機器人涉及的電機產品包括無框力矩電機和空心杯電機等。力矩電機是一種多級對、無機殼的直驅電機，扭矩增強且結構緊湊。相較于普通電機主要規(guī)格為功率，力矩電機的規(guī)格和選型主要取決于扭矩，力矩電機極對數(shù)多，在電機低速甚至堵轉時仍能持續(xù)運轉并提供穩(wěn)定的力矩給負載；同時，力矩電機為直驅電機，負載直接連接轉子，不需要任何傳動件，減少摩擦損耗，結構緊湊；除此之外，力矩電機為無框架式永磁電機，沒有機殼，只有定子和轉子兩個部件，中空孔大，方便走線。目前，無框力矩電機主要用在協(xié)作機器人等領域?？招谋姍C是微特電機的一種，無鐵芯轉子，重量輕且效率高。空心杯電機在結構上突破了傳統(tǒng)電機的轉子結構形式，采用的是無鐵芯轉子，也叫空心杯型轉子。這種新穎的轉子結構徹底消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗。因為沒有鐵損，所以它的效率要比普通的微型直流電機要高；同時，由于轉子重量大幅降低，所以轉動慣性減小，相比傳統(tǒng)鐵芯電機，大扭矩急加速急減速性能突出；另外，空心杯電機還具有體積小、可控性高、噪音小等優(yōu)點。因此，空心杯電機主要用在需要快速響應（如軍工、檢測）和對重量和能耗要求較高（如無人機、機器人）等領域。國內無框力矩電機主要玩家有步科股份、昊志機電。其中步科股份無框力矩電機產品形成完整的系列化的產品線，收入達到百萬級；昊志機電產品已經廣泛應用于協(xié)作機器人和輕型機器人領域。空心杯電機主要玩家為鳴志電器、江蘇雷利、偉創(chuàng)電氣。其中鳴志電器為運動控制領域優(yōu)質的出口企業(yè)，空心杯電機暢銷國內外；江蘇雷利和鼎智科技的空心杯電機為共同研發(fā)生產，產品廣泛應用于軍工、半導體、醫(yī)療等領域，同時當前多款樣品處在測試階段。匯川技術和禾川科技為國內伺服產品主要供應商。其中匯川技術具備工控和工業(yè)機器人雙重業(yè)務優(yōu)勢，并持續(xù)研發(fā)提高直驅電機競爭力；禾川科技的無框力矩直驅電機廣泛應用于工業(yè)機器人、激光等領域。（二）減速器：諧波減速器水平一流，RV本土市占率提升減速機是機器人的核心精密零部件之一，技術壁壘高。減速機的主要工作原理為通過機械傳動裝置實現(xiàn)對原動機的減速增矩，是影響機器人性能的核心因素，在高精度場景中尚未存在替代方案，技術壁壘較高。同時，研發(fā)投入和固定資產投入都較高，綠的諧波從研發(fā)到成品花了10年的時間，初始投入大（根據(jù)招股書披露，其磨床原價約200萬元，滾齒300萬元），是典型的高壁壘的行業(yè)。機器人用減速器主要有諧波、RV、行星齒輪減速器等。一般來說，機器人的每個關節(jié)都需要配置一臺減速器，減速器的選型需要綜合考慮體積、減速比、扭矩和價格等方面因素，不同的機器人有不同數(shù)量的關節(jié)，而且負載不同，所用的減速器也不同。一般而言，重載的關節(jié)多使用RV減速器，輕載關節(jié)一般用諧波減速器。國內諧波和RV減速器主要用于工業(yè)機器人領域，市場持續(xù)擴容。根據(jù)MIR數(shù)據(jù)，受益下游工業(yè)機器人等行業(yè)高景氣，國內諧波和RV減速器銷量有19年的54.3萬臺增長至22年的126.3萬臺，期間CAGR為32.5%，預計23-25年將繼續(xù)以16.8%的CAGR增長超過200萬臺；結構性看，工業(yè)機器人為減速器第一大應用領域，22年占比為79.7%。競爭格局角度，國產品牌以具備一定話語權。國內生產工業(yè)機器人減速器的企業(yè)數(shù)量逐漸增多，且技術在逐步提升，部分廠商已經實現(xiàn)量產并逐步推向市場，在精密減速器國產化的道路上進步明顯。22年，綠的諧波在諧波減速器領域的中國市占率為40%，位列第一位，相較于17年提升5pct，在國內市場已具有一席之地。綠的諧波為國內諧波減速器龍頭，市占率達40%，同時生產銷售無框力矩電機等機電一體化產品。23年4月綠的諧波與三花智控簽署了框架協(xié)議，雙方同意在三花墨西哥工業(yè)園共同設立合資企業(yè)，綠的諧波有望借助三花的渠道和客戶優(yōu)勢加速出海，具備打入人形機器人供應鏈的潛力。中大力德、國茂股份等企業(yè)在各自減速機細分領域也較為領先。其中中大力德產品線齊全，包括RV、諧波、精密行星減速器等；國茂股份擺線針輪減速器實力強，且子公司國茂精密也切入諧波減速器領域。（三）絲杠：行星滾柱絲杠已有里程碑式達成絲桿的主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，主要包括滑動絲杠、滾柱絲杠、行星滾柱絲杠等產品?；瑒咏z桿是滑動摩擦，結構簡單但精度差，傳動效率25%-50%，主要用于電梯、汽車等各領域；滾珠絲杠是滾動摩擦，高效率、高精度、高速，但價格高。滾動摩擦的摩擦系數(shù)遠遠低于滑動摩擦系數(shù)，滾珠絲桿的傳動效率大約在90%-99%；行星滾柱絲桿在周圍行星布置了6-12個螺紋滾柱，接觸面的增加使承載能力和剛性大大提高，且絲杠軸是小導程角的非圓弧螺紋，有利于達到較高的導程精度，具有高承載、耐沖擊、高精度、體積小等特點。行星滾柱絲杠因其較小的體積空間使用，高效精準的大推力輸出，以及耐用穩(wěn)定的性能等特點正被越來越廣泛的應用在工業(yè)領域，對滾珠絲杠、液壓驅動等技術路線形成有效替代，在機器人、自動化、數(shù)控機床、醫(yī)療器械、汽車、石油天然氣等領域的應用正逐漸普及。人形機器人直線執(zhí)行器應用反向式行星滾柱絲杠，主要用于中小負載、小行程和高速的應用場景。反向式行星滾柱絲杠結構形式與標準式類似，不同在于其沒有內齒圈，絲杠兩端加工有直齒與滾柱兩端的齒輪嚙合，且螺母作為主動件，其長度比標準式的大得多。一般情況下，不同于標準滾柱絲杠，反向式行星滾柱絲杠的螺母為主動件，絲杠為輸出構件，滾柱、絲杠之間無相對軸向位移，其主要用于中小負載、小行程和高速的應用場景，其最大的優(yōu)勢在于可將其螺母作為電機轉子實現(xiàn)電機和絲杠一體化設計，形成結構緊湊的體式機電作動器。海外高度壟斷，國內處于起步階段。行星滾柱絲杠制造壁壘極高，海外企業(yè)大多于1950年左右在國防軍工等領域開啟產品研發(fā)，主要企業(yè)包括瑞典斯凱孚、瑞士舍弗勒、美國穆格、美國Exlar等，國內外在行星滾柱絲杠的產品差距主要為制造材料（硬度、耐腐蝕、可加工性等）和制造能力（含機床、工藝等）。本土玩家大多為非上市公司，逐漸嶄露頭角，包括中國船舶704所、博特精工、思科瑞傳動、仲孚機械等，其行星滾柱絲杠已在閥門、石化、軍事、工業(yè)等各領域逐步應用。鼎智科技微型行星滾柱絲桿的研發(fā)與生產上已有里程碑式達成，具備發(fā)展?jié)摿Α６χ强萍忌罡诰€性傳動領域，其線性傳動產品包括滑動絲桿、滾動絲桿，行星滾柱絲桿。三類絲桿的應用場景、壽命、傳動效率有差異，在技術和工藝等方面有一定協(xié)同，鼎智線性傳動產品的精密性、穩(wěn)定性、使用壽命、定制化程度等均處于行業(yè)領先水平。在微型行星滾柱絲桿領域，公司已取得里程碑式進展，該類產品應用領域包