人形機(jī)器人行業(yè)深度報(bào)告

人形機(jī)器人行業(yè)深度報(bào)告：代表企業(yè)縱覽及核心零部件分析海外：特斯拉Optimus引領(lǐng)行業(yè)，量產(chǎn)前夜TeslaBot橫空出世，人形機(jī)器人快速迭代更新初次亮相：2021年8月19日，在特斯拉首屆AIDay活動中，馬斯克親自發(fā)布了新產(chǎn)品——TeslaBot。在最初的構(gòu)想中，這款人形機(jī)器人的身高為5英尺8英寸（對應(yīng)1.72m），重125磅（對應(yīng)56kg），移動速度為5英里/小時(shí)（對應(yīng)8km/h），具備承重45磅（對應(yīng)20kg）的能力。TeslaBot在其頭部配置了Autopilot攝像頭，并使用FSD作為其智能系統(tǒng)。技術(shù)細(xì)節(jié)：按照馬斯克的設(shè)想，TeslaBot將由分布在機(jī)器人手臂、頸部、軀干、手掌、腿部的合計(jì)40個(gè)電機(jī)驅(qū)動，使用輕質(zhì)材料構(gòu)成主體，并擁有如人類一般靈活的雙手。馬斯克認(rèn)為，TeslaBot將會從處理無聊、重復(fù)和危險(xiǎn)的事情開始，逐步去實(shí)現(xiàn)其他更復(fù)雜任務(wù)。Optimus重磅登場，有望在3至5年內(nèi)降本至單臺兩萬美金擎天柱登場：2022年9月30日，特斯拉在其AIDay展示了人形機(jī)器人Optimus（擎天柱）的原型機(jī)版本，并在展示文檔中分享了大量技術(shù)細(xì)節(jié)。特斯拉在本次AIDay中表示其原型機(jī)于2022年2月已經(jīng)推出，并作為開發(fā)平臺進(jìn)行深度研發(fā)。量產(chǎn)外形的機(jī)器人同樣在現(xiàn)場進(jìn)行靜態(tài)展示。馬斯克認(rèn)為Optimus有望在3-5年內(nèi)降本至2萬美金一臺，從而普通家庭亦可購買。Optimus全身共有40個(gè)關(guān)節(jié)：根據(jù)2022年特斯拉AIDay的現(xiàn)場展示，擎天柱Optimus全身共有40個(gè)執(zhí)行器關(guān)節(jié)。其中，Optimus的四肢以及軀干部分合計(jì)有28個(gè)執(zhí)行器關(guān)節(jié)，包括14個(gè)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器關(guān)節(jié)以及14個(gè)線性執(zhí)行器關(guān)節(jié)。而Optimus的一雙靈巧手則有12個(gè)執(zhí)行關(guān)節(jié)，即單手對應(yīng)6個(gè)執(zhí)行關(guān)節(jié)。Optimus配置有高自由度的靈巧手：根據(jù)現(xiàn)場展示，Optimus的單個(gè)靈巧手配有6個(gè)執(zhí)行關(guān)節(jié)，具備11自由度，可以進(jìn)行自適應(yīng)抓取，且具備反向鎖止功能。盡管未有明確的文字說明，但根據(jù)現(xiàn)場展示的視頻，Optimus的靈巧手預(yù)計(jì)將使用空心杯電機(jī)、渦輪蝸桿傳動以及繩驅(qū)的組合方案。Optimus的靈巧手具備抓取20磅重量物體的能力，且可以使用工具以及緊握細(xì)小的物件。Optimus全身共有14個(gè)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器：根據(jù)2022年特斯拉AIDay的現(xiàn)場展示，特斯拉為擎天柱Optimus設(shè)計(jì)了3種旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，其扭矩最大可達(dá)20/110/180NM，對應(yīng)的重量為0.55/1.62/2.26kg。旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器包括無框電機(jī)、諧波減速器(StrainWaveGearing)、傳感器(位置編碼器、無接觸扭矩傳感器)、軸承(角接觸球軸承、交叉滾柱軸承)等零部件。其主要用于機(jī)器人的肩部(6)、肘部(2)、軀干(2)、髖部(4)。Optimus全身共有14個(gè)線性執(zhí)行器：根據(jù)2022年特斯拉AIDay的現(xiàn)場展示，特斯拉為擎天柱Optimus設(shè)計(jì)了3種線性執(zhí)行器，其驅(qū)動力最大可達(dá)500/3900/8000N，對應(yīng)的重量為0.36/0.93/2.20kg。線性執(zhí)行器包括無框電機(jī)、反向式行星滾柱絲杠(InvertedRollerScrew)、傳感器(位置編碼器、力傳感器)、軸承(球軸承、四點(diǎn)接觸軸承)等零部件。其主要用于機(jī)器人的上臂(2)、下臂(4)、大腿(4)、小腿(4)。Optimus已可完成復(fù)雜識別及運(yùn)動任務(wù)，遠(yuǎn)期需求或達(dá)到100億臺力度控制能力，感知能力顯著提升：2023年5月，特斯拉在其股東大會上發(fā)布擎天柱了Optimus的演示視頻，機(jī)器人的力度控制更加精準(zhǔn)，可以接觸但不擊碎雞蛋。機(jī)器人的感知能力亦顯著提升，可以識別并記憶不同的路況。此外，Optimus可以由人類輸入動作范例，進(jìn)行端到端的學(xué)習(xí)。馬斯克認(rèn)為Optimus的遠(yuǎn)期需求或達(dá)到100億臺。擎天柱已可以完成分類積木塊，單腿站立瑜伽：2023年9月，特斯拉在推特/X上發(fā)布Optimus的最新演示視頻。在視頻中，機(jī)器人可以使用視覺及關(guān)節(jié)編碼器校準(zhǔn)肢體的移動路徑，更高效地學(xué)習(xí)各類復(fù)雜的任務(wù)。在視頻中，擎天柱可以完成依靠視覺分選不同顏色的積木塊，還可以做出多個(gè)單腿站立的瑜伽動作。波士頓動力：現(xiàn)已被現(xiàn)代集團(tuán)收購，Atlas具有超強(qiáng)的運(yùn)動能力人形機(jī)器人代表性企業(yè)，公司曾幾經(jīng)易主：1992年，波士頓動力公司由馬克·雷波特成立，研發(fā)制造各類機(jī)器人產(chǎn)品。2013年谷歌母公司Alphabet收購波士頓動力公司。2016年波士頓動力研制出電液驅(qū)動的機(jī)器狗，取名為Spot。2017年日本軟銀集團(tuán)收購波士頓動力。2018年波士頓動力發(fā)布了Atlas人形機(jī)器人宣傳視頻，其超強(qiáng)的運(yùn)動能力引起關(guān)注（實(shí)際上，初代Atlas亮相于2013年，由波士頓動力開發(fā)，由美國國防部國防高等研究計(jì)劃署DARPA資助和監(jiān)督）。Atlas具有超強(qiáng)的運(yùn)動能力：根據(jù)波士頓動力發(fā)布的視頻，Atlas執(zhí)行了一系列高難度動作，其中包括分腿跳躍，360度旋轉(zhuǎn)跳躍，倒立動作,甚至是翻筋斗等。Atlas以十分流暢的姿態(tài)完成了上述動作。國內(nèi)：人形本體廠商百花齊放，快速追趕國內(nèi)本體廠商奮力追趕，產(chǎn)業(yè)政策助推成長國內(nèi)本體廠商大量涌現(xiàn)：在國內(nèi)政策、資本以及技術(shù)多方面因素的加持下，國內(nèi)人形機(jī)器人市場的潛力正加速釋放。目前，不同背景的玩家正加速涌入市場，國內(nèi)人形機(jī)器人廠商發(fā)布的產(chǎn)品在智能化，運(yùn)動控制等產(chǎn)品屬性上展現(xiàn)出不錯(cuò)的競爭力，并快速推進(jìn)其量產(chǎn)節(jié)奏。產(chǎn)業(yè)政策明確，有望助力行業(yè)發(fā)展：2023年11月2日，工信部印發(fā)《人形機(jī)器人創(chuàng)新發(fā)展指導(dǎo)意見》，將切實(shí)推動人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。中國人形機(jī)器人有效專利數(shù)已處于領(lǐng)先態(tài)勢：2023年11月27日，人民網(wǎng)研究院發(fā)布《人形機(jī)器人技術(shù)專利分析報(bào)告》（以下簡稱“報(bào)告”）。報(bào)告由中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟及傳播內(nèi)容認(rèn)知全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員張冬明提供學(xué)術(shù)支持，采集了來自全球范圍內(nèi)超過15000件人形機(jī)器人技術(shù)相關(guān)專利，并從地域分布、技術(shù)布局、專利申請人等維度出發(fā)進(jìn)行全面分析。報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，中國在人形機(jī)器人專利申請數(shù)量和有效專利數(shù)量上均是全球第一；作為國內(nèi)人形機(jī)器人領(lǐng)域的代表企業(yè)之一，優(yōu)必選科技在人形機(jī)器人技術(shù)專利領(lǐng)域，于有效專利數(shù)、近五年年均專利申請數(shù)等方面均位居全球第一，在有效發(fā)明專利數(shù)、不同技術(shù)分支的專利申請數(shù)量等方面則位居中國第一、全球前列。中國人形機(jī)器人累計(jì)申請專利總量全球第一：《人形機(jī)器人技術(shù)專利分析報(bào)告》顯示，2023年中國在人形機(jī)器人技術(shù)專利方面于多個(gè)維度居全球前列。例如，在人形機(jī)器人技術(shù)專利累計(jì)申請總量上，中國以總計(jì)6618件專利申請數(shù)，超過日本、韓國、美國等國家，排名全球第一；在有效發(fā)明專利上，也以1699件位居全球第二。在人形機(jī)器人技術(shù)專利集中度上，中國自2014年來的專利集中度在20%-30%波動，這一數(shù)據(jù)遠(yuǎn)低于日本、美國等國家，體現(xiàn)出中國人形機(jī)器人行業(yè)較強(qiáng)的活力。優(yōu)必選：四登央視春晚舞臺，本土人形機(jī)器人第一股本土人形機(jī)器人明星企業(yè)：優(yōu)必選是國內(nèi)人形機(jī)器人的明星公司，2012年創(chuàng)業(yè)之初即推出過一款人形機(jī)器人Alpha。優(yōu)必選的機(jī)器人產(chǎn)品四登央視春晚舞臺表演因而被大眾熟知。優(yōu)必選的企業(yè)級智能機(jī)器人涵蓋教育、物流、康養(yǎng)、安防、商業(yè)服務(wù)等領(lǐng)域，其消費(fèi)級機(jī)器人則是主要用于家庭教育、家庭娛樂及兒童發(fā)展的小型機(jī)器人。代表產(chǎn)品：優(yōu)必選旗下的Walker系列為其代表性產(chǎn)品。優(yōu)必選于2018年推出其第一代Walker產(chǎn)品，2021年優(yōu)必選在世界人工智能大會發(fā)現(xiàn)其最新一代WalkerX產(chǎn)品。營收結(jié)構(gòu)：從收入構(gòu)成來看，教育智能機(jī)器人業(yè)務(wù)是優(yōu)必選主要的收入來源。2020年至2022年，教育智能機(jī)器人產(chǎn)品及解決方案業(yè)務(wù)收入分別為6.1億、4.6億、5.2億，收入占比分別為82.7%、56.5%和51.2%。2023年前4個(gè)月，教育板塊收入5558萬元，同比下降4.02%，收入占比為42.2%。人形機(jī)器人業(yè)務(wù)進(jìn)展：優(yōu)必選最具有想象空間的產(chǎn)品為人形機(jī)器人。2016年，優(yōu)必選投入研發(fā)大型人形機(jī)器人Walker，至今Walker已經(jīng)歷4次迭代，為中國第一款實(shí)現(xiàn)商業(yè)化落地的大型人形機(jī)器人，優(yōu)必選也是全球首家將雙足真人尺寸人形機(jī)器人的成本降至10萬美元以下的公司。優(yōu)必選科技副總裁付春江表示，預(yù)計(jì)在2025年左右，人形機(jī)器人的成本可以降到5萬美元，或者是再稍微高一點(diǎn)的程度。人形機(jī)器人銷售情況：據(jù)優(yōu)必選招股書，2021年、2022年、2023年前四個(gè)月，優(yōu)必選Walker系列收入分別為880萬元、4870萬元、230萬元。公司表示，人形機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)品及解決方案的大規(guī)模商業(yè)化過程中或會出現(xiàn)供應(yīng)鏈疲弱、批量生產(chǎn)進(jìn)度不足、生產(chǎn)設(shè)備及質(zhì)量控制效率低下及不足以及其他意外風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前人形機(jī)器人的應(yīng)用場景仍然有限，制造成本仍然較高。傅利葉智能：外骨骼機(jī)器人專家，通用人形機(jī)器人GR-1量產(chǎn)在即起家于康復(fù)機(jī)器人，機(jī)器人平臺型企業(yè)：傅利葉智能成立于2015年，是一家通用機(jī)器人平臺型企業(yè)，以全棧式機(jī)器人核心技術(shù)為基石、以創(chuàng)新型機(jī)器人本體產(chǎn)品為載體，致力于通過智能技術(shù)變革各行各業(yè)。傅利葉智能初期主要產(chǎn)品為應(yīng)用于康復(fù)領(lǐng)域的外骨骼機(jī)器人。切入通用人形機(jī)器人，GR-1量產(chǎn)在即：由于傅利葉智能具備較強(qiáng)的通用機(jī)器人底層技術(shù)，2023年中，傅利葉智能正式發(fā)布首款通用雙足機(jī)器人產(chǎn)品GR-1，該產(chǎn)品具備流暢的外觀、優(yōu)異的運(yùn)動能力，并將領(lǐng)先實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)交付，已經(jīng)于9月開啟預(yù)售。人形機(jī)器人的核心零部件分析減速器：旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的核心零部件，國產(chǎn)替代已經(jīng)有所進(jìn)展減速器：按結(jié)構(gòu)和傳動特點(diǎn)劃分，減速器種類有行星齒輪減速器(Planetarygears)、擺線針輪減速器（Cycloidreducer）和諧波齒輪減速器(Harmonicdrive)、蝸桿減速器（Wormreducer）等。在這些減速器的基礎(chǔ)上，通過組合又誕生出一些新式的減速器，如大名鼎鼎的RV減速器（RotateVectorreducer）便是由擺線針輪減速器和行星齒輪減速器組合而成。諧波減速器：諧波減速器的整體技術(shù)壁壘較高，制造工藝相比其他減速器更為復(fù)雜。諧波減速器主要由三個(gè)基本構(gòu)件組成：波發(fā)生器，帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪），帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪（剛輪,一般情況下比柔輪多2齒）。諧波減速器是利用柔輪、剛輪和波發(fā)生器的相對運(yùn)動，主要是柔輪的可控彈性變形來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動和動力傳遞的。當(dāng)橢圓形的波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動時(shí)，柔輪不斷產(chǎn)生形變，使兩輪輪齒在嚙入、嚙合、嚙出和脫開四種運(yùn)動中產(chǎn)生錯(cuò)齒運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了主動波發(fā)生器到柔輪的運(yùn)動傳遞。諧波減速器適用于輕負(fù)載、高精度的場景：諧波減速器具有體積小，傳動比高，精密度高等特點(diǎn)，其適用于負(fù)載較輕的精密減速器領(lǐng)域。因此，在多家人形機(jī)器人本體廠商的方案當(dāng)中，諧波減速器具備廣泛的應(yīng)用。諧波減速器的競爭格局：諧波減速器的全球龍頭企業(yè)為日企哈默納科，而國內(nèi)的頭部企業(yè)為蘇州綠的諧波。在全球市場，哈默納科具有極強(qiáng)的市場地位，其占據(jù)約8成的市場份額，份額遙遙領(lǐng)先其他友商。在中國市場，哈默納科亦占據(jù)38%的市場份額，而綠的諧波占據(jù)26%的市場份額，已漸迎頭趕上。諧波減速器的技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在柔輪壽命和加工精度上。諧波減速器的市場規(guī)模：目前，諧波減速器的主要下游應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楣I(yè)機(jī)器人，其余應(yīng)用領(lǐng)域則較為分散，包括半導(dǎo)體設(shè)備、機(jī)床等。近年來，隨著機(jī)器人等行業(yè)的快速發(fā)展，中國減速器市場規(guī)模已超過20億元。根據(jù)頭豹研究院預(yù)計(jì)，在2025年，中國諧波減速器市場規(guī)模有望達(dá)到41億元。而諧波減速器全球市場規(guī)模則大致等于中國市場2.5倍的市場規(guī)模。絲杠：線性關(guān)節(jié)的核心零部件，高端產(chǎn)品國產(chǎn)化率較低絲杠：絲杠是能夠?qū)⒅本€運(yùn)動與回轉(zhuǎn)運(yùn)動相互轉(zhuǎn)化的傳動元件。絲杠按其摩擦特性可分為三類，即滑動絲杠(Slidingscrew)，滾動絲杠(Rollingscrew)以及靜壓絲杠(Hydrostaticscrew)。其中，滾動絲杠在工業(yè)自動化領(lǐng)域具有最為廣泛的應(yīng)用。滾動絲杠主要分為滾珠絲杠(Ballscrew)以及行星滾柱絲杠(PlanetaryRollerscrew)兩類。滾珠絲杠的市場規(guī)模：目前，國內(nèi)滾珠絲杠副及滾動直線導(dǎo)軌副的應(yīng)用領(lǐng)域主要為新能源汽車部件如轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電子駐車系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)等，汽車零部件加工設(shè)備如數(shù)控機(jī)床、機(jī)械手臂等，自動化生產(chǎn)線領(lǐng)域，軌道交通領(lǐng)域，航空航天領(lǐng)域等，上述領(lǐng)域占絲杠導(dǎo)軌整體市場容量達(dá)到95%，其中汽車零部件領(lǐng)域及機(jī)床領(lǐng)域占比超過70%。根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計(jì)，2021年全球滾珠絲杠市場規(guī)模為17.5億美元，中國滾珠絲杠市場為25.6億元。滾珠絲杠的競爭格局：絲杠導(dǎo)軌是一種對材料和加工要求極高的核心部件，全球市場被海外企業(yè)壟斷，2021年CR5市場占有率達(dá)到約46%。高端絲杠導(dǎo)軌產(chǎn)品市場份額仍被日本及歐洲的企業(yè)占據(jù)，代表企業(yè)包括博世Rexroth，舍弗勒INA，NSK，THK等。電機(jī)：空心杯電機(jī)及無框力矩電機(jī)，廣泛應(yīng)用于人形機(jī)器人空心杯電機(jī)：空心杯電機(jī)(Corelessmotor)是一種伺服控制電機(jī)，也可歸類為微特電機(jī)?？招谋姍C(jī)可分為有刷空心杯電機(jī)(BrushedCorelessmotor)及無刷空心杯電機(jī)(BrushlessCorelessmotor)兩類。無刷空心杯電機(jī)的特點(diǎn)是高效、低噪音、長壽命和高轉(zhuǎn)矩，因此廣泛應(yīng)用于電動工具、