AI+人形機器人行業(yè)分析

AI+人形機器人行業(yè)分析1.AI賦能人形機器人產(chǎn)業(yè)提速，把握我國硬件受益機會1.1.人形機器人0-1階段，如何看待變化產(chǎn)業(yè)0-1階段，當前變化在于AI賦能&多方入局&性能改進。人形機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍處于0-1階段，2022年9月30日TeslaAIDAY首次展示其人形機器人的詳細參數(shù)、開發(fā)過程和行動能力，當時引發(fā)了社會、產(chǎn)業(yè)及市場廣泛的關(guān)注。當前時間節(jié)點，我們認為較去年相比，主要的變化在于AI大模型賦能帶來的對具身智能落地的想象、產(chǎn)業(yè)資本關(guān)注提升下多方巨頭的入局以及Tesla人形機器人性能的迭代改進。變化一：AI大模型賦能，人形機器人成為具身智能的最佳載體。AI大模型在語言、視覺、運動控制、降低研發(fā)成本等多方面為人形機器人產(chǎn)業(yè)賦能。(1）語言能力：快速迭代的ChatGPT具有不亞于人的語言生成能力，為機器人的語音交互難題提供了解決方案，2023年4月，人工智能公司Levatas與波士頓動力合作，將ChatGPT和谷歌語音合成技術(shù)接入Spot機器狗，實現(xiàn)與人類的交互。(2）視覺能力：在SAM模型的加持下，機器視覺的準確性、識別速度和零樣本遷移能力得到革命性提升，有望賦能人形機器人適配更多工業(yè)場景和生活場景。(3)運動控制：以AI模型為基礎(chǔ)的運動控制系統(tǒng)目前仍在不斷迭代中，未來有望廣泛應用于人型雙足機器人的平衡和協(xié)調(diào)性控制。(4）降低研發(fā)成本：AI虛擬仿真測試大幅降低了測試成本，提升數(shù)據(jù)收集效率，加速產(chǎn)品迭代周期。此外，AI大模型廣泛也應用于人形機器人的自動化決策、路徑設(shè)計與規(guī)劃等領(lǐng)域。人形機器人作為人工智能的最佳載體，將充分享受到AI大模型高速發(fā)展的紅利。變化二：產(chǎn)業(yè)資本關(guān)注度提升，多方入場加速布局。自2021年起，特斯拉、波士頓動力、本田、EngineeredArts、1XTechnologies等海外企業(yè)紛紛發(fā)布了人形機器人產(chǎn)品或其迭代產(chǎn)品；國內(nèi)企業(yè)優(yōu)必選、達闥機器人、小米、傅里葉智能、純米科技亦逐步進行產(chǎn)品首發(fā)及更新，相應的諸多相關(guān)零部件企業(yè)亦準備進入機器人領(lǐng)域布局，越來越多的企業(yè)開始瞄準人形機器人賽道，開展相關(guān)的研究計劃及產(chǎn)品落地。風投企業(yè)軟銀集團創(chuàng)始人孫正義亦在今年6月股東大會中表示出對AI革命的強烈興趣。當前人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈仍處于商業(yè)化的早期，大部分產(chǎn)品位于概念機或試制機階段，技術(shù)、性能及成本均未達到量產(chǎn)階段，因此我們需要關(guān)注行業(yè)中重大事件及重大政策的影響，尤其是Tesla于今年9月30日AIDay上關(guān)于Optimus的最新進展及量產(chǎn)節(jié)奏。變化三：TeslaOptimus5月最新版本發(fā)布，產(chǎn)品性能升級功能完善。2021年8月Tesla在首個AIDay上第一次公開分享人形機器人概念TeslaBot，隨后在2022年2月推出TeslaBot電線裸露的初代原型機，后于同年9月的AIDay上展示了Optimus的系列參數(shù)及相關(guān)視頻，包括行走、澆花、在工廠搬運物品等行動能力，成為當時第一個沒有遙控、外部電源，完全依靠AI算法、自身電池電控和高驅(qū)動的電驅(qū)執(zhí)行器驅(qū)動的人形機器人。2023年5月16日（北美時間），Tesla在2023年股東大會上發(fā)布其人形機器人最新視頻，我們可以看到其性能更加穩(wěn)定、形態(tài)也更加自然，新的變化主要在于：①控制能力：機器人展示機械臂控制、機械扭矩控制能力，行走、抓取物體自然，能實現(xiàn)敲打雞蛋而不打破。②環(huán)境探索與記憶能力：機器人承接了視覺AI，安裝相同的無人駕駛系統(tǒng)FSD，并接入和特斯拉汽車同樣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以更加全面完善地識別周邊環(huán)境，探索環(huán)境并產(chǎn)生記憶。③學習能力：機器人可以基于人類動作演示來進行動作的學習，升級了端到端的控制能力，能用機械手進行各種物體交互。1.2.老齡化&用工成本提升，人形機器人潛在空間巨大人口加速老齡化，勞動力出現(xiàn)缺口。據(jù)中國衛(wèi)健委統(tǒng)計，2015年中國65歲以上人口比例達10.5%，高于世界平均水平8.4%。2020年間，中國65歲以上人口比例快速攀升至13.5%，增速亦高于同期世界平均水平。據(jù)聯(lián)合國經(jīng)社部預測，2035年中國65歲以上人口比例將達高達22.5%，進入超老齡化社會。同期，全球平均水平亦將上升至13.2%，接近嚴重老齡化。據(jù)此，全球均面臨著日益嚴峻的人口老齡化問題，勞動力供給將面臨嚴重短缺。人均工資逐年上升，用工成本水漲船高。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，中國人均工資從2019年的9.05萬上升至2022年的11.4萬，復合增長率達8%，用工成本壓力快速上升，假定未來中國人均工資年增長率仍為8%，2025年預期中國人均工資將達14.4萬元。同期，若Optimus投入量產(chǎn)，據(jù)馬斯克宣稱售價約為2萬美元，約合14萬元，與中國人均工資基本持平。據(jù)此，人形機器人有望占據(jù)成本優(yōu)勢，在工業(yè)和服務(wù)業(yè)中實現(xiàn)滲透率的提升。理想情形下，2025-2035年人形機器人銷量增速有望達94%，兩年投資回報期。根據(jù)哈默納科官網(wǎng)公告顯示的高盛預測，①最樂觀情形：2035年人形機器人市場規(guī)模可達1540億美元，與2021年電動汽車市場規(guī)模相近，2025-2035年復合增速達94%。為了達到最樂觀情形，技術(shù)必須有革命性的突破：比如機器人的電池需支持長達20小時的連續(xù)工作；機器人需要兼具敏捷性和智能性；運動規(guī)劃算法的效率和算力需大幅提升；機器人需自主學習并適應工作環(huán)境；機器人制造成本需年均降低15%-20%。此外，消費者對機器人進入生活的接受度也需要大幅提升。高盛認為，上述技術(shù)突破雖然看似難以實現(xiàn)，但考慮到機器人的發(fā)展速度已然超乎公眾想象，最樂觀情形亦有可能達成。②樂觀情形：若參照全球電動汽車發(fā)展歷程，預計2025-2035年人形機器人銷量CAGR可達40%左右。樂觀狀態(tài)下，若人形機器人發(fā)展速度快于電動汽車發(fā)展進程，則預計2025-2035年人形機器人銷量CAGR可達59%。③中性情形：預計未來10-15年內(nèi)人形機器人市場有望達到60億美元；④極悲觀情形：人性機器人技術(shù)發(fā)展遇到瓶頸而停滯，預計2025-2035年人形機器人銷量CAGR可能為0%；從勞動力替代角度來看，預計2025年-2028年廠商達到兩年投資回報期，2030年-2035年客戶端達到兩年投資回報期。此外，特斯拉CEO馬斯克在AIDAY以及股東大會上表示其人形機器人量產(chǎn)目標售價預計能夠達到2萬美元，銷量有望達百萬臺級別。1.3.成本優(yōu)勢下，把握我國在硬件領(lǐng)域的受益機會人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈與工業(yè)機器人具有一定重合度，但在上游零部件以及下游應用場景方面存在較大差異。工業(yè)機器人主要依托工控系統(tǒng)運行，具備高集成度和智能程度；人形機器人涉及到各種復雜場景的處理，因而既需要較強的運動控制能力，又需要強大的感知計算能力。人形機器人與工業(yè)機器人一樣涉及到關(guān)節(jié)執(zhí)行器，但結(jié)構(gòu)更加復雜，此外還包含視覺傳感器、力學傳感器、動力電池、交互設(shè)備等。下游主要運用于軍事、服務(wù)、巡檢、咨詢、配送等領(lǐng)域以及部分危險場景。人形機器人成本主要包含硬件和軟件兩大塊。其中，硬件主要包含處理器、驅(qū)動器、執(zhí)行器、傳感器等，軟件主要包含相關(guān)操作系統(tǒng)、底層算法以及開大平臺。按照重要程度，排序由高到低分別為：FSD系統(tǒng)＞減速器＞各類電機＞視覺傳感器+力學傳感器。①軟件方面：人形機器人在軟件上的難點主要在于手部和腿部，需要實現(xiàn)精細化的操作和穩(wěn)定的步態(tài)。環(huán)境識別算法雖然得益于SAM等模型的出現(xiàn)而有所進步，但仍然存在難點。特斯拉擁有FSD系統(tǒng)視覺識別學習算法，以及D1芯片支持的強大運算能力，并將自主研發(fā)作為自身發(fā)展的強大驅(qū)動力。②硬件方面：驅(qū)動、傳動和感知是關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。驅(qū)動裝置和傳動裝置是用于控制機器人關(guān)節(jié)運動的核心組件，借此可以實現(xiàn)順暢且高精度的關(guān)節(jié)運動，涉及到精確的電機控制、力矩傳遞和位置反饋等技術(shù)，具體包括電機、減速機和絲杠等部件。在感知技術(shù)方面，人形機器人需要借助傳感器來感知周圍環(huán)境，以便進行環(huán)境感知、人機交互和避障等任務(wù)，包括視覺傳感器、力傳感器、位置傳感器、觸覺傳感器等。由于成本優(yōu)勢，中國企業(yè)有望在硬件領(lǐng)域充分受益。目前，國內(nèi)外廠商在人形機器人的硬件技術(shù)上存在一定的差距，但隨著國內(nèi)廠商的技術(shù)進步，以及制造業(yè)比較優(yōu)勢下帶來的明顯的成本優(yōu)勢，參考智能手機及電動汽車產(chǎn)業(yè)我國企業(yè)在全球供應鏈中的分工，我們認為中國的企業(yè)有望憑借其較強的降本能力及規(guī)模優(yōu)勢在人形機器人硬件產(chǎn)業(yè)鏈上獲得受益機會。2.特斯拉人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈分析：核心零部件詳解2.1.關(guān)節(jié)成本占比過半，重點關(guān)注電機、絲杠、減速器、傳感器我們可以從最新版本TeslaOptimus參數(shù)上看出：①體型參數(shù)：完全體的特斯拉人形機器人身高172cm，體重73kg，用電功率在靜坐時為100W，慢走時500W，全身超200個自由度。②電動和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：軀干28個執(zhí)行器（不包括手指）+2.3kWh，52V電池組。特斯拉SoC芯片，支持WIFI，LTE。③軀干關(guān)節(jié)執(zhí)行器:不同關(guān)節(jié)選用不同執(zhí)行器，共計3款旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和3款直線執(zhí)行器6種組合，我們預計全身關(guān)節(jié)將分別使用14個旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和14個直線執(zhí)行器。我們預計：旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器：主要由無框力矩電機+諧波減速器/行星減速器+力矩傳感器+編碼器+軸承組成；線性執(zhí)行器：主要由無框力矩電機/步進電機+行星滾柱絲杠/滾珠絲杠+力矩傳感器+編碼器+軸承組成。④手部結(jié)構(gòu):手部結(jié)構(gòu)采用和人體相同的五指多關(guān)節(jié)設(shè)計，每手擁有6個執(zhí)行器，11個自由度，可提起20磅(9kg)物體，具有精確控制握持力輸出的傳感器。我們預計：手部執(zhí)行器：主要由空心杯電機+精密行星減速器+滾珠絲杠+傳感器+編碼器構(gòu)成。關(guān)節(jié)執(zhí)行器成本占比超51%，電機、滾珠絲杠、減速器、傳感器占比較高。根據(jù)我們對特斯拉Optimus關(guān)節(jié)執(zhí)行器中核心零部件的構(gòu)成判斷，結(jié)合量產(chǎn)價格假設(shè)，我們對特斯拉Optimus成本拆分進行測算分析?？梢缘贸?，在我們的假設(shè)下Optimus制造成本約2.25萬美金，其中關(guān)節(jié)執(zhí)行器總體成本占比達51.42%，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、線性關(guān)節(jié)、手部關(guān)節(jié)占比分別達20.87%、22.41%和8.13%。從具體零部件成本占比來看：①電機類占比達15.52%。其中無框力矩電機、空心杯電機、步進電機占比分別達10.34%、4.43%、0.74%。②絲杠類占比達12.07%。其中行星滾柱絲杠占比達9.85%、滾珠絲杠占比達2.22%。③減速器類占比達7.76%。其中諧波減速器占比達5.91%、行星減速器占比達1.85%。④傳感器類占比達7.51%。主要為力矩傳感器。2.2.旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：無框力矩電機+諧波減速器+傳感器+編碼器旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器主要由無框力矩電機、諧波減速器、傳感器、編碼器等構(gòu)成。根據(jù)TeslaAIDay發(fā)布的旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器構(gòu)成，我們預計旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器主要由無框力矩電機、諧波減速器/行星減速器、力矩傳感器、編碼器、角接觸軸承、交叉滾子軸承組成，其中核心部件為無框力矩電機、諧波減速器、力矩傳感器、編碼器等。從成本角度來看，旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器中無框力矩電機、諧波減速器、編碼器、力矩傳感器占比分別達28.91%、28.32%、16.52%及16.22%。接下來我們將重點從這四部分展開論述各零部件的特點及供應格局。2.2.1.無框力矩電機無框力矩電機結(jié)構(gòu)簡單，只包含轉(zhuǎn)子和定子兩部分。無框力矩電機一種特殊的力矩電機，但沒有軸、軸承、外殼、反饋或端蓋，只包含轉(zhuǎn)子和定子。定子是外部部件，外面包覆著能產(chǎn)生電磁力的銅繞組，整體緊湊地安裝在機器外殼的主體內(nèi)；轉(zhuǎn)子是內(nèi)部部件，由帶永磁體的旋轉(zhuǎn)鋼圓環(huán)組件構(gòu)成，直接固定于機器軸上。人形機器人一般使用無框力矩電機提供動力，具有體積小、性能強、環(huán)境耐受度高等優(yōu)勢。人形機器人關(guān)節(jié)體積有限，需要在有限的體積內(nèi)實現(xiàn)盡可能高的功率密度，從而達到最好的效果。無框力矩電機集成到機器人結(jié)構(gòu)中，能夠最大限度減小電機占用空間。此外，無框電機元件集成于機器中，可去除聯(lián)軸器、皮帶等機器元件，從而提升機器性能。直驅(qū)解決方案可最大限度降低系統(tǒng)的柔性，從而提供更加可靠的性能。集成式電機還能提高動態(tài)響應和系統(tǒng)效率，并可簡化添加液體冷卻以顯著增加可用連續(xù)轉(zhuǎn)矩。另外，無框電機由于體積小，還可直接整合到機器元器件中以確保不受工作環(huán)境影響。機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進了無框力矩電機的進步與技術(shù)迭代。俄羅斯Mashinoappara在1984年推出了無框無刷力矩電機，但當時受限于技術(shù)水平，電機的轉(zhuǎn)矩密度很低；近年來機器人行業(yè)的發(fā)展推動了永磁力矩電機的技術(shù)迭代，轉(zhuǎn)矩密度、功率密度等性能指標是80年代的2-3倍，性能得到了很大程度的提升。從收入體量看，海外品牌實力強勁，國產(chǎn)品牌規(guī)模仍較小。外資品牌發(fā)展較早，實力較強的企業(yè)有Kollmorgen、Alliedmotion、Parker、TQRobodrive、Aerotech、TMTECH、Axsys、ETEL、MuirheadAerospace、Gomtec。以Kollmorgen為例，2022年營收規(guī)模達135.5億元，相較于國內(nèi)廠商優(yōu)勢明顯。國內(nèi)做得比較好的品牌主要有步科股份、昊志機電、匯川技術(shù)、禾川科技等。其中，步科股份全新第三代FMC無框力矩電機系列系自主研發(fā)設(shè)計，性能優(yōu)于同業(yè)產(chǎn)品，產(chǎn)品尺寸可實現(xiàn)與國際接軌，相較于外資品牌成本優(yōu)勢明顯，且可提供定制化解決方案；昊志機電的DD直驅(qū)電機運用獨創(chuàng)的模塊化定子結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新設(shè)計的電機冷卻結(jié)構(gòu)，使得電機的冷卻效率最大化，進而提升了電機的輸出特性。2.2.2.諧波/行星減速器旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)使用的主要減速器是諧波減速器，部分較大關(guān)節(jié)可配合使用行星減速器，以提升抗沖擊能力。1、諧波減速器諧波減速器的原理核心在于柔輪和剛輪之間的“錯齒運動”。波發(fā)生器軸承處連接電機，電機帶動波發(fā)生器一起順時針轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動過程中，橢圓形的波發(fā)生器會迫使柔輪不斷變形，柔輪上的齒會順時針依次與剛輪內(nèi)圈的每一個齒嚙合。一般情況下，柔輪比剛輪少兩個齒，波發(fā)生器每順時針轉(zhuǎn)動一圈，就使得柔輪逆時針錯位兩個齒，隨著電機的不斷轉(zhuǎn)動，這種錯位效應連續(xù)起來，便表現(xiàn)為柔輪的逆時針轉(zhuǎn)動。假設(shè)剛輪總共有200個齒，柔輪共有198個齒，電機帶動波發(fā)生器每轉(zhuǎn)動一圈，柔輪便會旋轉(zhuǎn)2/200圈，即1/100圈。因此，電機需要轉(zhuǎn)動100圈，柔輪才會轉(zhuǎn)動一圈，減速比為100。柔輪的轉(zhuǎn)速比波發(fā)生器要小很多，這實現(xiàn)了降低電機轉(zhuǎn)速和增大輸出扭矩的效果。行業(yè)壁壘：壁壘較高，伴隨著研發(fā)、生產(chǎn)、銷售等各個環(huán)節(jié)。諧波減速器廠商只有打通全環(huán)節(jié)，才能形成良性循環(huán)，不斷發(fā)展壯大：研發(fā)階段：長期正向研發(fā)，形成成套技術(shù)體系是關(guān)鍵，柔輪材料、齒形和結(jié)構(gòu)設(shè)計為行業(yè)痛點。對于成熟的諧波減速器廠商，若計劃開發(fā)一款針對下游某應用場景的產(chǎn)品，可通過諧波減速器各項性能指標的補償來實現(xiàn)，技術(shù)路線選擇較為豐富。對于新進入的廠商，在開始搶占市場份額時往往會針對大品牌的某一種或幾種產(chǎn)品進行逆向研發(fā)及仿制，最后產(chǎn)品即便質(zhì)量合格，但逆向研發(fā)限制了公司技術(shù)的體系化，以及后續(xù)產(chǎn)品改良和創(chuàng)新。若不具備成體系的技術(shù)，隨著下游應用場景對減速器的性能要求發(fā)生變化，新進入廠商無法及時根據(jù)客戶需求作出調(diào)整，而面臨淘汰風險。試機驗證：對于下游機器人等設(shè)備商來說，一旦選定了減速器品牌，便不會輕易更換。減速器的質(zhì)量問題往往來源于長時間使用的疲勞損壞，如果下游廠商引入質(zhì)量不達標的新品牌減速器，產(chǎn)品在使用1年后出現(xiàn)大規(guī)模質(zhì)量問題，會帶來較大規(guī)模的損失。因而，下游廠商大規(guī)模引入新品牌減速機前，需要經(jīng)過1-2年的質(zhì)量驗證，通過試機來驗證品牌的可靠性，選定品牌后往往不會輕易更換。新的諧波減速器廠商很難進入市場，唯有具備合格的質(zhì)量、更低的價格以及更好的售后服務(wù)。產(chǎn)能擴建：固定資產(chǎn)投資壁壘高，大批量生產(chǎn)下需保持一致性，對設(shè)備和裝配工人要求較高。從供應角度看，諧波減速器作為一種通用設(shè)備，競爭日趨激烈，規(guī)模效應下單位成本降低為關(guān)鍵所在，而降低單位成本就需要產(chǎn)能擴建。作為精密設(shè)備，諧波減速器加工精度需要達到毫米級別，加工設(shè)備嚴重依賴進口，設(shè)備初始投入較大。從需求角度看，客戶對于供應商的批量供應能力和產(chǎn)品質(zhì)量的一致性有較高要求，不具備批量供應能力的小廠商很難獲得較大訂單，從而形成盈利和資金回籠。除了設(shè)備以外，諧波減速器的裝備需要不斷調(diào)整、校正、平衡才能最終組成出合格的產(chǎn)品，該環(huán)節(jié)依賴有成熟經(jīng)驗的裝配工人。對于新廠商而言，很難在短時間內(nèi)招聘足夠數(shù)量有成熟經(jīng)驗的裝配工人，因而這也對公司擴產(chǎn)形成了較大的阻礙。競爭格局：哈默納科為全球龍頭，我國諧波減速器國產(chǎn)替代穩(wěn)步推進。全球市場來看，哈默納科為諧波傳動領(lǐng)域的開拓者，深耕諧波領(lǐng)域50多年，無論從研發(fā)投入時間，還是從營收規(guī)模和產(chǎn)能來看，都遙遙領(lǐng)先，處于絕對龍頭地位。根據(jù)OFweek，2021年全球諧波減速器市場內(nèi)主要參與者有哈默納科、日本新寶、綠的諧波、中技克美等。其中哈默納科全球市占率約82%，綠的諧波占比約7%，其他廠商占比約11%。根據(jù)統(tǒng)計，2020-2021年，中國市場最大的兩個外資品牌——哈默納科和日本新寶在中國市場的占有率由46%降低至42.9%。2020年，國內(nèi)做諧波減速器的企業(yè)有十幾家，其中實力較強的有綠的諧波、來福諧波、福德機器人、大族傳動等企業(yè)，2020-2021年，這四家企業(yè)在中國市場上的占有率之和由35.9%提升至41.1%。國產(chǎn)品牌如雨后春筍般涌現(xiàn)，綠的諧波占據(jù)優(yōu)勢地位。①中技克美研發(fā)布局最早，但其諧波減速器主要供應中國航空航天等特種領(lǐng)域，市場空間相對較小，公司營收規(guī)模也較小，產(chǎn)品服務(wù)與銷售渠道不具備特別明顯的競爭優(yōu)勢。②綠的諧波2003年董事長親自帶隊進行研發(fā)，至今已有近20年的歷史。③2010年以來工業(yè)機器人下游快速成長，需求放量，國內(nèi)廠商紛紛開始布局：大族傳動2010年開始攻關(guān)諧波；來福諧波2013年成立并投入研發(fā)諧波；同川科技2015年立項研發(fā)諧波；中大力德2016年開始研發(fā)諧波；國茂股份2021年成立國茂精密，并收購安徽聚隆精密減速器相關(guān)資產(chǎn)。從產(chǎn)能的角度來看，國產(chǎn)品牌中，綠的諧波優(yōu)勢明顯，已經(jīng)進入研發(fā)→擴產(chǎn)→盈利→再研發(fā)再擴產(chǎn)的良性循環(huán)階段。國產(chǎn)品牌很多已初步具備量產(chǎn)能力，但與綠的諧波的差距還是較為明顯的。綠的諧波2022年產(chǎn)能已達40萬臺/年，2023年有望繼續(xù)擴產(chǎn)至59萬臺。相比之下，2021年，同川科技產(chǎn)能約10萬臺/年，大族傳動產(chǎn)能約6萬臺/年，國茂股份產(chǎn)能約3萬臺，而同年中大力德僅可小規(guī)模量產(chǎn)。潛在進入廠商多，競爭可能加劇。很多具備資本優(yōu)勢和技術(shù)基礎(chǔ)的大企業(yè)紛紛開始布局諧波，產(chǎn)業(yè)鏈有望持續(xù)降本。雙環(huán)傳動主營業(yè)務(wù)為機加工齒輪傳動產(chǎn)品，2013年開始布局RV減速器，目前環(huán)動科技的營收主要來源于RV，借助在該領(lǐng)域積累的客戶資源，2018年進軍諧波，有望進入該領(lǐng)域市場。此外，美的集團也正在布局諧波領(lǐng)域，相關(guān)產(chǎn)品通過了庫卡機器人10000小時壽命測試，未來也具備進入諧波領(lǐng)域市場的潛力。2、行星減速器行星減速器主要由行星輪、太陽輪、內(nèi)齒環(huán)三部分構(gòu)成。行星減速器由一個內(nèi)齒環(huán)緊密結(jié)合于齒箱殼體上，環(huán)齒中心有一個外部動力驅(qū)動的太陽輪，兩者之間有一組由三顆齒輪等分組合于托盤上的行星輪，行星輪依靠出力軸、內(nèi)齒環(huán)及太陽齒支撐于其間。當外部動力驅(qū)動太陽齒輪時，可帶動行星齒輪自轉(zhuǎn)，并沿著固定的內(nèi)齒環(huán)沿著中心公轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)帶動連結(jié)于托盤的出力軸，從而輸出動力，達到降低轉(zhuǎn)速和提升扭矩的效果。行星減速器更抗沖擊，在人形機器人領(lǐng)域有望與諧波減速器形成優(yōu)勢互補。諧波減速器具有減速比大、體積小、重量輕等特點，但根據(jù)UCLAZhu.Taoyuanmin博士研究，諧波減速器因為減速比高，傳輸透明度較低，抗沖擊屬性較差。大氣隙半徑無框力矩電機+行星減速器的組合，能夠有效提高人形機器人抗沖擊的能力。行星減速器有望在人形機器人部分關(guān)節(jié)替代諧波減速器，實現(xiàn)抗沖擊性能的提升。行星減速器更適合用于人形機器人胯骨等空間較大的部位。相較于諧波減速器，行星減速器減速比更低，難以提升足夠倍數(shù)的扭矩，就需要將無框力矩電機的氣隙半徑做得足夠大，以輸出更大的扭矩。這導致了配套的無框力矩電機本身需要做得非常大，因而行星減速器更適合用于機器人胯骨等體積非常大的應用場景。競爭格局：全球行星減速器市場份額較為集中，德資品牌占據(jù)前三名。行星減速器作為一種通用減速器，屬于較成熟的產(chǎn)品，全球市場主要被外資品牌占據(jù)。根據(jù)QYResearch調(diào)研結(jié)果，2022年全球行星減速器排名前五品牌分別為賽威傳動/紐卡特/威騰斯坦/精銳科技/紐氏達特，市占率分別為12.2%/11.7%/11.6%/10.2%/7.0%，合計超過50%。其中賽威傳動、紐卡特、威騰斯坦均為德資企業(yè)，市占率合計超30%，精銳科技為臺資企業(yè)、紐氏達特為大陸本土企業(yè)。我國行星減速器上市企業(yè)主要有寧波東力、通力科技、中大力德、兆威機電、優(yōu)德精密、豐立智能等。寧波東力、通力科技的業(yè)務(wù)主體就是通用減速器，均有較為成熟的行星減速器產(chǎn)品；中大力德主營機械傳動相關(guān)業(yè)務(wù)，包括精密減速器、傳動行星減速器、無刷直流減速電機等；兆威機電主要做微型傳動系統(tǒng)、精密注塑件和精密模具，涉及行星減速器業(yè)務(wù)；優(yōu)德精密主營各類精密模具零部件以自動化設(shè)備零部件，傳動設(shè)備和傳動部件包含RV減速器及高精度曲柄軸。豐立智能主營鋼齒輪、精密減速器及零部件等。2.2.3.編碼器編碼器是機械與電子緊密結(jié)合的精密測量器件，一般應用于機械角度、速度、位置的測量。編碼器通過光電原理或電磁原理將一個機械的幾何位移量轉(zhuǎn)換為電子信號，這種電子信號通常需要連接到控制系統(tǒng)，例如PLC、高速計數(shù)模塊、變頻器等，控制系統(tǒng)經(jīng)過計算便可以得到測量的數(shù)據(jù)，以便進行下一步工作。編碼器可以分為增量式和絕對式兩類，增量式編碼器將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖；絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數(shù)字碼，示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)。編碼器主要應用于伺服系統(tǒng)，是伺服電機的核心元件。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動器發(fā)出信號給伺服電機驅(qū)動其轉(zhuǎn)動，同時編碼器將伺服電機的運動參數(shù)反饋給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器再對信號進行匯總、分析、修正。通常，編碼器用于工業(yè)系統(tǒng)的運動控制中，用于測量并反饋被測物體的位置和狀態(tài)，例如機床、機器人、電機反饋系統(tǒng)以及測量和控制設(shè)備等。編碼器可分為光電編碼器、磁電編碼器、電容編碼器三種，工作原理差異較大：光電編碼器：由發(fā)光元件、光敏元件及碼盤組成。作用是將旋轉(zhuǎn)位置信息轉(zhuǎn)化為光脈沖信號以對器進行檢測。當安裝在電機轉(zhuǎn)軸上的碼盤旋轉(zhuǎn)時，固定住的發(fā)光元件發(fā)出的光經(jīng)過碼盤，產(chǎn)生透光和不透光的光脈沖。光敏元件檢測到這些脈沖后，再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進行輸出。磁電編碼器：由磁阻傳感器、硒鼓、信號處理電路組成。將磁鼓刻錄成等間距小磁極，磁極被磁化后，旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生周期分布的空間漏磁場。磁傳感器探頭通過磁電阻效應，將變化著的磁場信號轉(zhuǎn)化為電阻阻值的變化，在外加電勢的作用下，變化的電阻值轉(zhuǎn)化成電壓的變化，經(jīng)過后續(xù)信號處理電路的處理，模擬的電壓信號轉(zhuǎn)化成計算機可識別的數(shù)字型號，從而實現(xiàn)編碼。電容編碼器：由轉(zhuǎn)子、固定發(fā)送器和固定接收器組成。轉(zhuǎn)子包含正弦模式，旋轉(zhuǎn)過程中，發(fā)送器的高頻參考信號以可預測的方式進行調(diào)制。編碼器檢測接收板上電容電抗的變化，并使用解調(diào)算法將其轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動的增量。光編碼器性能更好，磁編碼器更穩(wěn)定可靠，電容編碼器兼具前兩者優(yōu)勢。電容編碼器比光學編碼器更堅固耐用，可以免受灰塵、污垢和油污等各種環(huán)境污染物的影響，還能更好地應對振動和極端溫度。此外，電容編碼器不采用LED，與光學編碼器相比，使用壽命更長、體積更小、電流消耗(6-18mA)更低。電容編碼器不受電磁干擾和電噪聲的影響，與磁性編碼器一樣堅固耐用，但精度和分辨率更高。行業(yè)壁壘：編碼器的核心技術(shù)壁壘在于插補算法的精度及小型化。機器人的位置傳感器檢測到點角度后在編碼器內(nèi)通過算法語言進行細分，細分為千級、萬級乃至十萬級以上的精度。高精度是編碼器的技術(shù)難關(guān)所在，也是伺服電機的核心技術(shù)之一，目前我國機器人的伺服電機所用的多圈絕對值編碼器嚴重依賴進口，國內(nèi)技術(shù)發(fā)展程度不足，國產(chǎn)化率較低。此外，編碼器的核心技術(shù)還在于小型化，以及如何適用于集成芯片伺服電機本體的集成設(shè)計。競爭格局：編碼器市場競爭格局較為分散，國外品牌占據(jù)市場主導。國外主流編碼器廠商有美國艾美柯(AMCI)、德國艾斯姆(ASM)、德國亨士樂(HENGSTLER)、日本歐姆龍(OMRON)等；國內(nèi)編碼器主流廠商包括匯川技術(shù)、禾川科技、長春匯通和奧普光電。①匯川技術(shù)：2011年4月，公司設(shè)立全資子公司暨收購長春市匯通電子有限責任公司整體資產(chǎn)，獲取了伺服系統(tǒng)編碼器技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上攻克了更高位數(shù)的編碼器技術(shù)；在直驅(qū)電機產(chǎn)品中，匯川結(jié)合自身電磁設(shè)計平臺和電機制造技術(shù)，耦合電機驅(qū)動及編碼器技術(shù)，實現(xiàn)了支取系統(tǒng)在易用性和運行性能上的顯著提升。②禾川科技：磁編碼器已達到了業(yè)內(nèi)先進水平，具有耐震動、耐油污、耐灰塵的優(yōu)勢，得到了大批量的市場驗證，性能穩(wěn)定可靠；在光編碼器方面同樣做到了先進水平，精度與分辨率更高，且具備低俗穩(wěn)定性與高定位精度等特點。③長春匯通：編碼器具備完全自主知識產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)品分辨率可覆蓋20位及以上。④奧普光電：子公司禹衡光學前身是1965年的長春第一光學儀器廠，也是中國最早的光電編碼器及光學儀器制造商，是中國最早的光電編碼器及光學儀器專業(yè)制造商，1967年中國第一臺工業(yè)編碼器、1984年中國第一套機床編碼器、1986年中國第一套電梯編碼器均出自禹衡光學。奧普光電2013年收購禹衡光學，獲得了其編碼器業(yè)務(wù)，目前在該領(lǐng)域具備顯著技術(shù)優(yōu)勢，有望利用價格優(yōu)勢和快速響應能力與國外共享高端編碼器市場。2.2.4.力傳感器力傳感器通過檢測各種力的物理效應來檢測力的大小，并將力的大小轉(zhuǎn)化成相關(guān)電信號。力學傳感器可以檢測張力、壓力、重量、扭矩、應力等各種物理量，是各種動力設(shè)備、工程機械、工作機械、工業(yè)自動化系統(tǒng)不可或缺的核心零部件。通?？杀粰z測到的力的物理效應包括：①被測量力使得物體發(fā)生形變，②利用應變片受力或形變時電阻發(fā)生的變化，③通過壓電晶體把力直接轉(zhuǎn)換成晶體兩表面的電位差，④力所引起的機械諧振固有頻率變化，⑤待測力與其他已知力形成平衡。力學傳感器按照測量維度可分為一至六維。六維傳感器的定義為：在某直角坐標系中，傳感器能同時測量沿三個坐標軸方向的力或者繞三個坐標軸坐標方向上的力矩，這種傳感器就稱為六維傳感器。如果只能測量三個維度的力或者力矩，就叫三維力傳感器。能測幾個維度，就叫幾維傳感器，最常見的是一維、三維和六維的傳感器，其他維度比較少。多維力傳感器廣泛應用于機器人末端關(guān)節(jié)，實現(xiàn)對力的測量和控制。工業(yè)機器人本身是沒有觸覺的，末端關(guān)節(jié)加裝力傳感器后，就能夠讓機器人有“觸覺”，實現(xiàn)對出力大小的控制。在工業(yè)機器人領(lǐng)域，力傳感器廣泛運用于檢測、預防、測量、控制、示教、保護等環(huán)節(jié)，使得工業(yè)機器人能感知、測量并記錄自己所施加力的大小，并檢測設(shè)備的異常出力，提高生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能性和可靠性。行業(yè)壁壘：多維力學傳感器壁壘較高，涉及材料控制及工藝。相較于其他元器件，傳感器產(chǎn)品還包括芯片、陶瓷基板等，這些零部件一般需由上游企業(yè)配套提供，另外傳感器的生產(chǎn)工藝和技術(shù)要點多，涉及材料控制和工藝控制等，因而企業(yè)自身需具備較強的技術(shù)整合能力。尤其是六維傳感器，并非三個一維力傳感器和三個扭矩傳感器的簡單疊加，需要考慮多通道的溫漂、蠕變、交叉干擾、數(shù)據(jù)處理的實時性，因而技術(shù)難度較低維力傳感器更高。力傳感器維度越高，成本和難度越高，協(xié)作機器人和人形機器人不一定需要用六維傳感器。競爭格局：力傳感器供應商全球可分為三個梯隊。第一梯隊是美國Vishay、瑞士MetterToledo、德國HBM和日本NMB；第二梯隊為國內(nèi)柯力傳感、中航電測；第三梯隊主要是小規(guī)模生產(chǎn)商。目前國內(nèi)主要力傳感器供應商包括：蘇州固锝，柯力傳感，宇立儀器，坤維科技等。①蘇州固锝：MEMS傳感器是采用微電子和微機械加工技術(shù)制造出來的新型傳感器，蘇州固锝積極布局MEMS傳感器領(lǐng)域,目前已成為了國內(nèi)集MEMS傳感器設(shè)計和封裝于一身的領(lǐng)先企業(yè),加速度傳感器優(yōu)勢明顯,在行車記錄儀市場份額達到了70%。②柯力傳感：技術(shù)研發(fā)方面，公司不斷加快新型傳感器及高端傳感器的研發(fā)工作，管理方面，公司不斷提升技術(shù)能力，安排技術(shù)人員到優(yōu)秀科研院所和企業(yè)進行走訪學習，市場開拓上，運用定期巡回服務(wù)、出差走訪等方式不斷挖掘客戶潛在需求。目前公司在應變式傳感器、稱重儀表、稱重系統(tǒng)集成行業(yè)處于領(lǐng)先地位。③宇立儀器：公司發(fā)展始終圍繞力傳感器技術(shù)進行發(fā)力，從六維力傳感器到協(xié)作機器人關(guān)節(jié)扭矩傳感器再到打磨領(lǐng)域。憑借豐富的研發(fā)經(jīng)驗，公司以力傳感器為核心技術(shù)向周邊發(fā)散，為用戶提供可靠產(chǎn)品，并基于客戶的反饋，不斷提高和改進產(chǎn)品性能。④坤維科技：技術(shù)團隊出自航天科研院所，從事飛行器空氣動力學測試設(shè)備研發(fā)15年，對六維力測量和設(shè)備開發(fā)有著扎實的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗。2.3.線性關(guān)節(jié)：無框力矩電機+行星滾柱絲杠+傳感器+編碼器線性關(guān)節(jié)主要由無框力矩電機/步進電機+行星滾柱絲杠/滾珠絲杠+傳感器+編碼器構(gòu)成。根據(jù)TeslaAIDay發(fā)布的線性執(zhí)行器構(gòu)成，我們預計線性執(zhí)行器主要由無框力矩電機/步進電機、行星滾柱絲杠/滾珠絲杠、力矩傳感器、編碼器、深溝球軸承、四點接觸軸承組成，其運動原理是采用內(nèi)部旋轉(zhuǎn)螺桿結(jié)構(gòu)，通過永磁力矩電機帶動螺桿旋轉(zhuǎn)推動執(zhí)行桿，從而實現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)為直線運動。從成本角度來看，直線執(zhí)行器中行星滾柱絲杠、無框力矩電機、力矩傳感器、編碼器占比分別達43.96%、19.23%、15.11%及7.69%。接下來我們將重點從電機和滾珠絲杠展開論述其產(chǎn)品特點及供應格局。直線執(zhí)行器的特點：直線執(zhí)行器主要分布于膝肘等負責支撐和承力，且擺動角度不大但體積緊湊的單自由度關(guān)節(jié)和腕踝兩個雙自由度的關(guān)節(jié)。相比旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器來說，直線執(zhí)行器可以節(jié)省成本，亦能夠為相應結(jié)構(gòu)提供更有針對性的性能。和Optimus實用化的設(shè)計理念相關(guān)，一個結(jié)構(gòu)可靠、低耗能的機器人，高動態(tài)響應并不是核心訴求。我們認為直線執(zhí)行器的優(yōu)勢在于以下幾點，①空間利用率高：直線執(zhí)行器可縱向布局，最大限度利用腿部內(nèi)部空間，也提供更大的推力，如2022年TeslaAIDay上展示的一臺線性執(zhí)行器可以吊起一臺半噸重的鋼琴，這也與機器人進行零件搬運的工作目標相吻合。②耗能較低：直線執(zhí)行器的螺桿傳動機構(gòu)通過合理設(shè)計可具備自鎖能力，即下半身不動時可以自動鎖定姿態(tài)，可以形成一個低功耗且穩(wěn)定的底部支架。如果采用傳統(tǒng)抱閘制動電機方案，制動器需要占用額外重量且提供的制動力矩相對較小。2.3.1.永磁同步電機我們認為直線執(zhí)行器使用的永磁同步電機可能有兩種，無框力矩電機和步進電機。同時，直線電機未來也有可能成為線性關(guān)節(jié)的可行性方案。無框力矩電機我們已在前文分析，此處我們將針對步進電機和直線電機做相應的分析。步進電機原理：步進電機是一種通過步進（即以固定的角度移動）方式使軸旋轉(zhuǎn)的電機。其內(nèi)部構(gòu)造使它無需傳感器，通過簡單的步數(shù)計算即可獲知軸的確切角位置。與所有電機一樣，步進電機也包括固定部分（定子）和活動部分（轉(zhuǎn)子）。定子上有纏繞了線圈的齒輪狀突起，而轉(zhuǎn)子為永磁體或可變磁阻鐵芯。步進電機的基本工作原理為給一個或多個定子相位通電，線圈中通過的電流會產(chǎn)生磁場，而轉(zhuǎn)子會與該磁場對齊；依次給不同的相位施加電壓，轉(zhuǎn)子將旋轉(zhuǎn)特定的角度并最終到達需要的位置。當轉(zhuǎn)子為永磁體時，轉(zhuǎn)子與定子電路產(chǎn)生的磁場對齊。這種轉(zhuǎn)子可以保證良好的扭矩，并具有制動扭矩。這意味著，無論線圈是否通電，電機都能抵抗位置的變化。但與其他轉(zhuǎn)子類型相比，其缺點是速度和分辨率都較低。優(yōu)點：堅固性，高可靠性，結(jié)構(gòu)簡單，維護成本低，對啟動/停止/反轉(zhuǎn)具有出色的響應能力，并且可以在許多環(huán)境下工作。缺點：電動機效率低下。無論負載如何，都會消耗較大功率。由于無框力矩電機與伺服電機原理相同，只是不同于傳統(tǒng)的伺服電機，沒有機殼，只有定子和轉(zhuǎn)子2個部件，（相較于有框電機，無框電機配置靈活，安裝方便，著眼于目前驅(qū)動系統(tǒng)的高度集成化趨勢，可以說無框電機更貼合工程師的目標期望）所以我們將步進電機和伺服電機結(jié)構(gòu)圖進行對比可以比較步進電機與無框力矩電機的結(jié)構(gòu)原理。競爭格局：步進電機國內(nèi)主要廠商為常州運控，鳴志電器，江蘇雷利等。2022年江蘇雷利營業(yè)收入為29.0億元，其中步進電機部分收入為11.9億元，占總營收的40.91%，毛利率達31.31%。2022年鳴志電器營業(yè)收入29.6億元，凈利率8.4%，其中電機及驅(qū)動系統(tǒng)控制業(yè)務(wù)占總營收78%，毛利率38.2%，其中核心業(yè)務(wù)產(chǎn)品混合式步進電機產(chǎn)量約1,800萬臺，銷售數(shù)量和金額排名全球前三，常州運控是隸屬鳴志電器的專業(yè)生產(chǎn)精密步進電機、無刷電機及驅(qū)控器的制造商子公司，2022年總營收達3.4億元，凈利率4.3%。直線電機原理：直線電機是一種特殊類型的無刷同步伺服電機，類似于力矩電機，但它是敞開的扁平形狀。通過線圈繞組（初級部分）與永磁體（次級部分）間的電磁相互作用，電能高效率地轉(zhuǎn)換成直線運動的機械能。初級部分的常見名稱還有電機，運動件，平臺或滑架，而次級被稱為磁道或磁路。直線電機是直接把輸入電力轉(zhuǎn)化為線性動能，與傳統(tǒng)的扭力及旋轉(zhuǎn)動能不同。未來，直線電機亦有望應用在機器人領(lǐng)域。優(yōu)點:實現(xiàn)定子和動子之間真正意義上的無接觸磨損，壽命長、速度快、響應快，并且安裝方便。缺點:磁力有限，所以剛性、定位精度無法做到絲杠的水平，并且造價較高。直線電機目前應用領(lǐng)域仍然是自動化等高速、高響應場合。在對精度、剛性、承載要求高的場合，直線電機很難替代絲杠。競爭格局：我國市場國產(chǎn)化率不足40%，國內(nèi)企業(yè)包括昊志機電，大族電機等。2014年至2019年，我國直線電機的使用以每年20%-30%的增長速度不斷地應用于各種自動化設(shè)備上，市場規(guī)模逐年增長，據(jù)統(tǒng)計，截至2019年我國直線電機行業(yè)市場規(guī)模達到25.6億元，同比增長28%。2019年我國直線電機產(chǎn)量達12.1億臺，同比增長13.08%。據(jù)溫州恩陽（日本THK中國產(chǎn)品授權(quán)經(jīng)銷商）咨詢，2021年直線電機國產(chǎn)品牌在國內(nèi)市場占比不足40%。新加坡企業(yè)雅克貝思在國內(nèi)直線電機高端市場占據(jù)較高份額，其次是沙迪克、臺灣上銀，科爾摩根等企業(yè)。國內(nèi)直線電機品牌主要有昊志機電、大族電機、鄭州微納科技、嘉興華嶺、青島同日等。2.3.2.行星滾柱絲杠/滾珠絲杠滾珠絲杠是實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動和直線運動相互轉(zhuǎn)化的理想產(chǎn)品，被廣泛應用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。滾珠絲杠線性執(zhí)行器是微特電機和滾珠絲桿副的組合，滾珠絲桿副在具有螺旋滾道的絲桿和螺母間裝有滾珠作為中間傳動件，在螺母上閉合的回路中循環(huán)滾動，使絲桿和螺母間的運動由滑動變?yōu)闈L動，減小了運動摩擦，可以完成高速傳動任務(wù)。并且滾珠絲桿線性執(zhí)行器可以滿足精確定位，實現(xiàn)快速響應。滾珠絲桿螺母的傳動效率在90%-96%，相較于梯形絲桿螺母26%-70%的傳動效率，滾珠絲桿可以使用更少的驅(qū)動功率。滾珠絲桿廣泛應用于機床工具、機器人制造等領(lǐng)域。在技術(shù)上不斷朝向高精、高速、高荷重及低噪音的方向精進，有多種抑制溫度上升的創(chuàng)新產(chǎn)品，以克服加工時產(chǎn)生的高溫造成螺桿熱變形影響精度。隨著客戶生產(chǎn)設(shè)備不斷向工程集約、節(jié)能輕量化方向邁進，維持產(chǎn)品性能并減少體積和通過熱處理延長產(chǎn)品使用壽命成為滾珠絲桿產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點趨勢。行星滾柱絲杠與滾珠絲杠區(qū)別：行星滾柱絲杠傳動方式是在主螺紋絲杠的周圍，行星布置了6-12個螺紋滾柱絲杠，這樣將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為絲杠或螺母的直線運動。行星滾柱絲杠與滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別在于行星滾柱絲杠載荷傳遞元件為螺紋滾柱，是典型的線接觸；而滾珠絲杠載荷傳遞元件為滾珠，是點接觸。主要優(yōu)勢是有眾多的接觸點來支撐負載，能夠提供高于滾珠絲杠的額定動載和靜載，螺紋滾柱替代滾珠將使負載通過眾多接觸線迅速釋放，從而能有更高的抗沖擊能力。特斯拉Optimus滾柱絲杠方案特點：特斯拉的反向（inverted）行星滾柱絲杠方案與常規(guī)方案略微不同，“反向”意為將螺桿、螺母角色互換。非反向方案為電機帶動螺桿旋轉(zhuǎn)，螺母與主體固定，螺母沿螺紋被螺桿帶動將其旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動。反向方案變?yōu)槁菽感D(zhuǎn)，螺桿與主體固定，此時螺母旋轉(zhuǎn)帶動螺桿運動，螺桿將螺母的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動。剖面圖可以看到伺服電機轉(zhuǎn)子直接帶動螺母旋轉(zhuǎn)。該方案特點是行星滾子與螺母多點咬合滾動配合，承載能力極強，壽命超長，比常規(guī)滾珠絲杠提升一個數(shù)量級，但難點是滾子及螺母磨制工藝復雜耗時，裝配時需要匹配不同滾子的相位，操作難度大，需要通過設(shè)計和工藝在保證性能的前提下將成本降低。行業(yè)壁壘：滾珠絲杠制造具有結(jié)構(gòu)剛性和速度的要求，壁壘在于專利、生產(chǎn)設(shè)備、材料及工藝。為實現(xiàn)高速和精密的加工，滾珠絲杠除在機床設(shè)備的結(jié)構(gòu)剛性進行加強設(shè)計外，同時還需要具備高速主軸系統(tǒng)和高速進給系統(tǒng)，以實現(xiàn)高速材料切削的過程。行業(yè)壁壘主要體現(xiàn)在設(shè)計專利，工業(yè)設(shè)備，微量元素配方的原材料，工藝know-how如熱處理等。競爭格局：日系、歐系、臺系占據(jù)我國滾動功能部件中高端市場主導，大陸制造商產(chǎn)品競爭力不足。根據(jù)金屬加工雜志社數(shù)據(jù)，在國內(nèi)高端市場，歐日企業(yè)市場占有率高達90%，大陸、臺灣制造商市場份額各約5%，高端市場格局相對集中；在國內(nèi)中低端市場，大陸制造商擁有過約30%，中低端市場格局相對分散。目前全球滾珠絲桿廠商有德系企業(yè)博世力士樂、舍弗勒；臺灣企業(yè)上銀科技、銀泰等；日本企業(yè)THK、NSK等。國內(nèi)廠商包括鼎智科技、秦川機床、拓普集團、貝斯特、三花智控、恒立液壓、江漢機床、南京工藝等。國內(nèi)滾動部件制造廠商眾多，許多正在研發(fā)的企業(yè)處于未上市階段，且多數(shù)僅具備單件生產(chǎn)能力，和海外大規(guī)模量產(chǎn)企業(yè)仍有較大差距。2.4.手部關(guān)節(jié)：空心杯電機+行星減速器+滾珠絲杠+傳感器手部關(guān)節(jié)主要由空心杯電機、精密行星減速器、滾珠絲杠和傳感器構(gòu)成。空心杯電機使手指擁有活動能力，精密行星齒輪箱使得機械手定位更精準、運用更靈活，編碼器提供了手部高精度位置反饋和速度反饋，傳感器使機器人擁有類似人類的知覺功能和反應能力。特斯拉人形機器人每只手包括6個驅(qū)動器和11個自由度。驅(qū)動器通過齒輪驅(qū)動一根金屬線來控制手指彎曲，并集成了感應器和鎖定裝置。自由度是機器人的運動技術(shù)指標，決定了機器人整體的靈活性和活動范圍，可用軸關(guān)節(jié)的移動、擺動或旋轉(zhuǎn)動作的運動方式和數(shù)量來體現(xiàn)。手部的11個自由度結(jié)合控制軟件，可以使機械手如同人手一般完成復雜靈巧的操作。并且機械手能承擔大約9公斤的負重。從成本角度來看，手部執(zhí)行器中空心杯電機、行星減速器、滾珠絲杠、傳感器占比分別達54.55%、18.18%、13.64%及9.09%。接下來我們將重點從空心杯電機及傳感器兩部分展開論述其產(chǎn)品特點及供應格局。2.4.1.空心杯電機空心杯電機是采用無鐵芯轉(zhuǎn)子的控制電動機?？招谋姍C屬于直流永磁的伺服、控制電動機，在結(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，采用無鐵芯轉(zhuǎn)子，這種特別的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)徹底消除了由于鐵芯形成渦流而造成的渦流損耗，使得電動機運轉(zhuǎn)性能優(yōu)化，并具備控制和拖動特性。傳統(tǒng)鐵芯電機由帶槽的鐵芯結(jié)構(gòu)組成，繞組纏繞在槽之上，而空心杯電機由于繞組沒有鐵芯，省去鐵芯的空間，可以做到更小的尺寸和更高的效率?？招谋姍C主要由后蓋、接線端子、電刷端蓋、電刷、換向器、杯形繞組（轉(zhuǎn)子）、轉(zhuǎn)軸、墊圈、滑動軸承、外殼、磁鐵（定子）、法蘭、定位環(huán)組成。定子由永磁體、殼體、法蘭組成。外殼提供了恒定的磁場，使電機無鐵損耗。由于沒有軟磁性牙齒，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是均勻的，即使在低速下也能使運行平穩(wěn)。在較高的速度下，電機能減少振動，減少噪音。在繞組和換向器的轉(zhuǎn)子中，繞組通過換向板連接到軸上。換向系統(tǒng)使用一對貴金屬刷，減少了電刷火花，減少的電刷火花產(chǎn)生較少的電磁排放。空心杯電機具有高功率密度、高動態(tài)響應等優(yōu)勢。無齒槽效應保持空心杯電機低速運行平穩(wěn)和低振動、低噪音狀態(tài)；結(jié)構(gòu)緊湊保證空心杯電機具有更高的功率密度，即單位體積下所產(chǎn)生功率更高；低電感保證空心杯電機的高動態(tài)響應和高的加速度。有刷空心杯電機由于體積、重量等優(yōu)勢，可以應用于機器人手部?？招谋姍C分為有刷電機和無刷電機，無刷空心杯電機又稱直流無刷無齒槽電機，其轉(zhuǎn)速高，力矩大，具有高動態(tài)響應能力，適合應用于機器人關(guān)節(jié)。有刷空心杯電機又稱直流有刷無鐵芯電機，一般國內(nèi)的“空心杯電機”泛指有刷電機，其具有比較低的反向力矩，具有高效率，高加速度，低摩擦等特性，同時在體積和重量方面有優(yōu)勢，可以應用于機器人手部。行業(yè)壁壘：空心杯電機的技術(shù)壁壘在于繞線工藝?？招谋姍C無鐵芯轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)給繞線帶來困難，目前海外企業(yè)的繞線工藝更先進且處于保密狀態(tài)，國內(nèi)繞線成熟設(shè)備較少，大多生產(chǎn)處于手工或半手工狀態(tài)。競爭格局：海外三大家份額較高，國內(nèi)廠商包括鳴志電器、鼎智科技。瑞士Maxon、德國Faulhaber和瑞士Portescap形成三足鼎立格局。國內(nèi)主要廠商有鳴志電器、江蘇雷利子公司鼎智科技、拓邦股份。目前空心杯電機的國產(chǎn)化率較低，主要由于國內(nèi)廠商技術(shù)儲備與工藝精度不及國外，國內(nèi)形成了差異化競爭格局，不同廠家產(chǎn)品、技術(shù)與性能各具特色。鳴志電器于2019年收購瑞士TechnosoftMotion公司100%的股權(quán)，完善了產(chǎn)業(yè)鏈布局。TechnosoftMotion在控制電機，尤其是空心杯電機、直流無刷電機和無槽無刷電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)上具有全球領(lǐng)先的技術(shù)實力。2023年4月13日，江蘇雷利控股子公司鼎智科技在北交所上市，主要從事電機制造、微特電機及組件制造和銷售等業(yè)務(wù)，鼎智科技不斷加強空心杯電機的研發(fā)制造工作。2.4.2.觸覺傳感器手部關(guān)節(jié)可使用力覺和觸覺傳感器。其中，觸覺傳感器使機器人手部具備靠觸覺來感知的能力。觸覺傳感器主要有四種方式：壓電式、壓阻式、電容式和光學原理式。①壓電觸覺傳感器基于壓電效應原理，即在外界力的作用下，壓電材料表面因形變會產(chǎn)生電壓。它的頻率響應好，測量范圍大，但分辨率不是很理想。②壓阻式觸覺傳感器基于壓阻效應原理，即施加外力時會產(chǎn)生自身電阻的變化。它測量范圍大，魯棒性好，但是遲滯效應較大。③電容式觸覺傳感器利用電容的變化來測量接觸力。其空間分辨率高，功耗低，但抗干擾能力差。④光學原理的觸覺傳感器靠檢測光的參數(shù)變化間接感知外界的接觸信息。優(yōu)點是抗干擾能力強，具有很高的空間分辨率。觸覺傳感器的技術(shù)壁壘在于對觸覺傳感機理的研究深度和材料純度。由于機械、材料、電子、精密制造等技術(shù)難題，復現(xiàn)人體觸覺傳感機制的研究進展緩慢；材料方面，導電橡膠、導電塑料、碳納米管、石墨烯等是可用作觸覺傳感器的材料，而國內(nèi)目前的材料質(zhì)量、生產(chǎn)水平并不穩(wěn)定。國外企業(yè)壟斷觸覺傳感器中高端市場，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)層次偏低。根據(jù)中國科技信息雜志社顯示，目前國內(nèi)傳感器企業(yè)大多從事氣體、溫度等類型傳感器的生產(chǎn)，生產(chǎn)觸覺傳感器的企業(yè)較少。國際觸覺傳感器技術(shù)不斷攀升，但國內(nèi)產(chǎn)業(yè)檔次偏低，創(chuàng)新能力不足，中高端市場被國外企業(yè)壟斷。目前全球傳感器市場主要由美國、日本和德國的龍頭企業(yè)主導，國外主要廠商有美國公司Tekscan、PressureProfileSystems和SensorProductsInc.等，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)有漢威科技、蘇州固锝、柯力傳感。3.人形機器人商業(yè)化關(guān)鍵：剛需應用場景及降本驅(qū)動量產(chǎn)3.1.商業(yè)化痛點：剛需服務(wù)場景、規(guī)?；当?、標準構(gòu)建我們認為當下人形機器人尚處于商業(yè)化的早期，未來核心要解決的市場化痛點在于剛需應用場景挖掘、規(guī)?；当疽约爱a(chǎn)業(yè)標準構(gòu)建。1、“用得上”：工業(yè)應用有望更快落實，服務(wù)領(lǐng)域則是長期廣闊的應用場景人形機器人可在衣食住行等環(huán)節(jié)輔助完成繁雜任務(wù)，滿足個人用戶潛在需求。此外，在老齡化趨勢下，人形機器人還可以滿足老人看護、病患照顧等場景應用。如果未來人形機器人能夠提供日常生活所需要的的服務(wù)，減少人的參與，將會獲得C端巨大的市場需求。然而，服務(wù)應用場景的豐富能力主要取決于人形機器人的人工智能水平，人機交互能力與運動規(guī)劃能力隨人工智能水平提高，有望實現(xiàn)更加復雜的應用場景。剛性服務(wù)場景是當前需要解決的重要問題。我們將人形機器人與日常使用的掃地機器人對比可以發(fā)現(xiàn)，掃地機器人之所以可以迅速落地，是因為它們可以在現(xiàn)實生活中找到與之完全匹配替代的成熟產(chǎn)品，且該產(chǎn)品具有明顯弊端，而掃地機器人可以顯著地解決其弊端。例如，過去的吸塵器產(chǎn)品可以幫助人們將灰塵更簡單地清理出來，但卻離不開人的操作。而掃地機器人在幫助人們清理灰塵的同時減少了人們的參與，因此形成了對吸塵器的完美替代，同時由于其所需工藝技巧尚不復雜，研發(fā)成本較低促使了其可以快速實現(xiàn)市場化的普及。當前人形機器人應用場景仍偏教育、展覽等，工業(yè)場景有望率先落地。目前，人形機器人的開發(fā)程度和功能完整性尚不完全，缺乏可完全替代的豐富的剛性應用場景需求。我們對比波士頓動力、優(yōu)必選、特斯拉人形機器人主要的應用場景可以看出，目前主要集中于家庭服務(wù)、商業(yè)導覽接待服務(wù)、搜救搬運等領(lǐng)域。由于性能未完全開發(fā)及智能水平較低，許多工作人形機器人尚缺乏完全替代效益，例如家庭服務(wù)板塊人形機器人尚未擁有可完全替代現(xiàn)有日常用品功能的能力，商業(yè)導覽接待領(lǐng)域人形機器人尚不能對客戶所提出的所有問題進行解答，而搜救領(lǐng)域缺乏實地搜救場景和經(jīng)驗的考察應用，人們、一般企業(yè)和市場對其接受度和需求性較低，因此人形機器人目前在服務(wù)領(lǐng)域多用于科研教育或者商業(yè)展覽、展示等場景，以期普及作用。與此同時，我們也可以看出，目前人形機器人企業(yè)亦在探索工業(yè)場景的應用，比如Teslabot首批量產(chǎn)機器人有望投向其超級工廠，優(yōu)必選亦計劃與天奇股份合作探索人形機器人在新能源汽車、3C電子、智慧物流等工業(yè)場景的應用。我們認為人形機器人有望優(yōu)先在工業(yè)場景率先落地，與工業(yè)機器人類似，可以實現(xiàn)人力替代降低工廠生產(chǎn)成本，同時完成工業(yè)機器人無法執(zhí)行的非標準及靈活運動的動作。2、“用得起”：較高的制造成本制約商業(yè)化，設(shè)備規(guī)?；当究臻g大人形機器人制造成本尚高，量產(chǎn)后設(shè)備降價空間大。規(guī)?；当編邮蹆r下降，將有望促進市場化進程。例如新能源汽車的發(fā)展，除了補貼以外，新能源車企亦逐步調(diào)低其銷售價格促進規(guī)模的增長。當前人形機器人由于較高的制造成本，整體售價未能達到商業(yè)化的要求。參考之前的測算結(jié)果，橫向?qū)Ρ戎髁魅诵螜C器人，我們可看出特斯拉Optimus具有市場化潛力的關(guān)鍵在于其成本可控制在約2.2萬美元，遠低于波士頓動力Atlas約12.9萬美元的成本，與優(yōu)必選Walker約1.9萬美元的成本可同臺競爭。若能進一步下探到2萬美元以下，競爭優(yōu)勢將更加明顯。若特斯拉成功實現(xiàn)其降本目標，則有可能成為人形機器人行業(yè)的首個實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)并商業(yè)化的項目。大規(guī)模量產(chǎn)情形下，核心零部件降本空間大。硬件目前占據(jù)絕大部分成本，但規(guī)模的提升會有效降低成本實現(xiàn)規(guī)模效應，因此隨著技術(shù)的升級，以及一定的量產(chǎn)出現(xiàn)，硬件成本將有效帶動整體制造成本的下降，促進售價逐步合理化，達到吸引市場購買行為的水平。3、行業(yè)標準及規(guī)范的構(gòu)建，將助力產(chǎn)業(yè)有序成長。人形機器人處于初期研發(fā)階段，標準構(gòu)建將促進產(chǎn)業(yè)有序、快速成長。2023年1月，國家工信部等十七部門關(guān)于引發(fā)《“機器人+”應用行動實施方案》的通知，到2025年，制造業(yè)機器人密度較2020年實現(xiàn)翻番，服務(wù)機器人、特種機器人行業(yè)應用深度和廣度顯著提升，政策明確引導機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同時重點強調(diào)開展標準的構(gòu)建：①行業(yè)機器人應用工藝流程和專用算法模型、融合設(shè)備接口、應用數(shù)據(jù)安全、人機交互安全等標準的研制與推廣；②針對特定行業(yè)準入要求，加強機器人特殊安全要求和檢測方法標準研究；③開展機器人新產(chǎn)品通用技術(shù)規(guī)范、模塊化設(shè)計