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(chǎn)品功能日趨完善，未來成長高預(yù)期（一）產(chǎn)品功能日趨完善，身體、視覺能力同步提升人形機器人產(chǎn)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(shè)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(wǎng)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(wù)，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(yīng)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)，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(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN），并可以同步執(zhí)行任務(wù)，為之后產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。（二）機器替人具備潛力，市場空間預(yù)期較高預(yù)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(lǐng)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(shè)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(yù)測，在中性假設(shè)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(yù)計未來10-15年內(nèi)，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(chǎn)品設(shè)計、價格、技術(shù)、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(chǎn)品研發(fā)階段，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)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(shè)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(shè)給3倍左右溢價。結(jié)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(yù)測的機器換人替代率，預(yù)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(chǎn)業(yè)化仍具有不確定性，但市場潛力大。若順利產(chǎn)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(guān)節(jié)產(chǎn)業(yè)鏈具備機會（一）人形機器人包括五大模塊，中國產(chǎn)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(chǎn)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(guān)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(nèi)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(fù)雜“自動駕駛”快速落地；內(nèi)部傳感器包括位置、力矩、力量等，主要集成于一體化關(guān)節(jié)中。（3）運動模塊：包括驅(qū)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(guān)節(jié)，包括轉(zhuǎn)動、直線關(guān)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(nèi)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(dāng)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(guān)鍵技術(shù)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(yīng)鏈的橫向遷移。（5）散熱和總裝：包括機器人熱管理、骨架和結(jié)構(gòu)設(shè)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(guān)聯(lián)度較大，更多依靠產(chǎn)品自研和海外供應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)版55kwh），產(chǎn)業(yè)鏈彈性不大；一體化關(guān)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(shù)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(chǎn)業(yè)化早期重點關(guān)注一體化關(guān)節(jié)領(lǐng)域的投資機會。一體化關(guān)節(jié)模塊約占整體成本的50%。根據(jù)Ofweek機器人網(wǎng)，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(guān)節(jié)數(shù)量更多，但是感知、控制難度也更大，我們預(yù)計一體化關(guān)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(zhuǎn)執(zhí)行器共計28個人形機器人關(guān)節(jié)采用仿生設(shè)計，單關(guān)節(jié)效用高。以膝關(guān)節(jié)為例，特斯拉參考人體膝蓋結(jié)構(gòu)，將線性連接變成了仿生的四桿連接方式，從而增加了關(guān)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(guān)節(jié)在每一種場景下的投入產(chǎn)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(guān)節(jié)選型。6類執(zhí)行器復(fù)用實現(xiàn)身體28個自由度。機器人關(guān)節(jié)需要完成Pitch（繞X軸旋轉(zhuǎn)）、Yaw（繞X軸旋轉(zhuǎn)）、Roll（繞Z軸旋轉(zhuǎn)）等不同動作，特斯拉通過關(guān)節(jié)優(yōu)化選型做到復(fù)用，3類旋轉(zhuǎn)和3類直線執(zhí)行器共實現(xiàn)28個自由度，其中旋轉(zhuǎn)、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(zhuǎn)動和直線執(zhí)行器。轉(zhuǎn)動執(zhí)行器用于聯(lián)接各運動機構(gòu)，同時傳遞各機構(gòu)間的回轉(zhuǎn)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(qū)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(guān)節(jié)機器人雙手采用人體工程學(xué)設(shè)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(yīng)性（Adaptivegrasp）”和“非反向驅(qū)動能力（Non-backdrivablefingers）”，可以自適應(yīng)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(qū)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(jié)：重點關(guān)注電機、減速器、絲杠等領(lǐng)域根據(jù)我們測算，人形機器人一體化關(guān)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(chǎn)品側(cè)重標(biāo)準(zhǔn)化，且部分產(chǎn)品在國內(nèi)工業(yè)機器人等行業(yè)運用相對成熟；而軸承和傳感器領(lǐng)域所涉及的產(chǎn)品種類較多、均價偏低，各供應(yīng)商所側(cè)重細分領(lǐng)域有所差異，對國內(nèi)企業(yè)的采購集中度可能不大。三、本土企業(yè)在一體化關(guān)節(jié)產(chǎn)業(yè)鏈具備機會（一）電機：空心杯電機應(yīng)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(qū)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(zhuǎn)化為角動量，步距角恒定，精度弱于伺服但結(jié)構(gòu)簡單成本低。按照驅(qū)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(zhuǎn)子和定子轉(zhuǎn)動是否同步可以分為同步電機和異步電機（感應(yīng)電機），同步電機通過轉(zhuǎn)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(yīng)”，定子旋轉(zhuǎn)變化的磁場在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出電流，此電流在磁場中受力，帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。人形機器人涉及的電機產(chǎn)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(qū)電機，扭矩增強且結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)時仍能持續(xù)運轉(zhuǎn)并提供穩(wěn)定的力矩給負載；同時，力矩電機為直驅(qū)電機，負載直接連接轉(zhuǎn)子，不需要任何傳動件，減少摩擦損耗，結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(lǐng)域。空心杯電機是微特電機的一種，無鐵芯轉(zhuǎn)子，重量輕且效率高。空心杯電機在結(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，采用的是無鐵芯轉(zhuǎn)子，也叫空心杯型轉(zhuǎn)子。這種新穎的轉(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(zhuǎn)子重量大幅降低，所以轉(zhuǎn)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(yīng)（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(lǐng)域。國內(nèi)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(chǎn)品形成完整的系列化的產(chǎn)品線，收入達到百萬級；昊志機電產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于協(xié)作機器人和輕型機器人領(lǐng)域?？招谋姍C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(lǐng)域優(yōu)質(zhì)的出口企業(yè)，空心杯電機暢銷國內(nèi)外；江蘇雷利和鼎智科技的空心杯電機為共同研發(fā)生產(chǎn)，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于軍工、半導(dǎo)體、醫(yī)療等領(lǐng)域，同時當(dāng)前多款樣品處在測試階段。匯川技術(shù)和禾川科技為國內(nèi)伺服產(chǎn)品主要供應(yīng)商。其中匯川技術(shù)具備工控和工業(yè)機器人雙重業(yè)務(wù)優(yōu)勢，并持續(xù)研發(fā)提高直驅(qū)電機競爭力；禾川科技的無框力矩直驅(qū)電機廣泛應(yīng)用于工業(yè)機器人、激光等領(lǐng)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(shù)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(shù)壁壘較高。同時，研發(fā)投入和固定資產(chǎn)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(guān)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(guān)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(guān)節(jié)多使用RV減速器，輕載關(guān)節(jié)一般用諧波減速器。國內(nèi)諧波和RV減速器主要用于工業(yè)機器人領(lǐng)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(nèi)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(yù)計23-25年將繼續(xù)以16.8%的CAGR增長超過200萬臺；結(jié)構(gòu)性看，工業(yè)機器人為減速器第一大應(yīng)用領(lǐng)域，22年占比為79.7%。競爭格局角度，國產(chǎn)品牌以具備一定話語權(quán)。國內(nèi)生產(chǎn)工業(yè)機器人減速器的企業(yè)數(shù)量逐漸增多，且技術(shù)在逐步提升，部分廠商已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)并逐步推向市場，在精密減速器國產(chǎn)化的道路上進步明顯。22年，綠的諧波在諧波減速器領(lǐng)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(nèi)市場已具有一席之地。綠的諧波為國內(nèi)諧波減速器龍頭，市占率達40%，同時生產(chǎn)銷售無框力矩電機等機電一體化產(chǎn)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(shè)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(yīng)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(lǐng)域也較為領(lǐng)先。其中中大力德產(chǎn)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(lǐng)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(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)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(chǎn)品。滑動絲桿是滑動摩擦，結(jié)構(gòu)簡單但精度差，傳動效率25%-50%，主要用于電梯、汽車等各領(lǐng)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(dǎo)程角的非圓弧螺紋，有利于達到較高的導(dǎo)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(zhǔn)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(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，對滾珠絲杠、液壓驅(qū)動等技術(shù)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(lǐng)域的應(yīng)用正逐漸普及。人形機器人直線執(zhí)行器應(yīng)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(yīng)用場景。反向式行星滾柱絲杠結(jié)構(gòu)形式與標(biāo)準(zhǔn)式類似，不同在于其沒有內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)式的大得多。一般情況下，不同于標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)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(yīng)用場景，其最大的優(yōu)勢在于可將其螺母作為電機轉(zhuǎn)子實現(xiàn)電機和絲杠一體化設(shè)計，形成結(jié)構(gòu)緊湊的體式機電作動器。海外高度壟斷，國內(nèi)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(lǐng)域開啟產(chǎn)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(nèi)外在行星滾柱絲杠的產(chǎn)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(lǐng)域逐步應(yīng)用。鼎智科技微型行星滾柱絲桿的研發(fā)與生產(chǎn)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(lǐng)域，其線性傳動產(chǎn)品包括滑動絲桿、滾動絲桿，行星滾柱絲桿。三類絲桿的應(yīng)用場景、壽命、傳動效率有差異，在技術(shù)和工藝等方面有一定協(xié)同，鼎智線性傳動產(chǎn)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(lǐng)先水平。在微型行星滾柱絲桿領(lǐng)域，公司已取得里程碑式進展，該類產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域包