人形機器人行業(yè)專題報告：Tesla bot孕育新革命

人形機器人行業(yè)專題報告：Teslabot孕育新革命1.結(jié)論及投資分析以特斯拉為代表的汽車廠商積極投入人形機器人產(chǎn)業(yè)，汽車零部件有望發(fā)揮研發(fā)、制造、資金等優(yōu)勢，借助汽車客戶優(yōu)勢，切入機器人新賽道。特斯拉機器人的設(shè)計、開發(fā)、供應(yīng)鏈借鑒了汽車的豐富經(jīng)驗，相關(guān)汽車零部件有望率先參與特斯拉機器人產(chǎn)業(yè)，打造第二成長曲線。我們認為在汽車零部件尋找機器人相關(guān)投資機會選擇的標(biāo)準(zhǔn)有兩個：一是特斯拉車鏈供應(yīng)商，二是具有機器人相關(guān)業(yè)務(wù)或者原有業(yè)務(wù)有向機器人延伸可能的公司。機器人關(guān)節(jié)的執(zhí)行總成、減速器、絲杠等環(huán)節(jié)彈性大，部分汽車零部件供應(yīng)商原有業(yè)務(wù)與機器人關(guān)鍵部件有協(xié)同性，有望向機器人業(yè)務(wù)延展。2.Teslabot不斷迭代，孕育下一輪科技革命2.1.特斯拉引領(lǐng)，人形機器人即將爆發(fā)特斯拉強勢進軍人形機器人市場，引領(lǐng)下一輪科技革命。2021年8月19日，特斯拉在首個AI日上發(fā)布人形機器人概念圖及視頻，宣布特斯拉通用機器人計劃。2022年9月30日的AI日特斯拉Optimus原型機首次現(xiàn)身，特斯拉人形機器人加速推進。特斯拉計劃將Optimus系列機器人與Model系列電動車作為同樣重要的產(chǎn)品線，打通工業(yè)、商用、家用場景限制，填補勞動力缺口，用機器代替人類執(zhí)行危險、無聊、重復(fù)和人們不愿意做的工作，整合各類應(yīng)用場景，成為繼PC、手機、智能電動汽車后下一代的超級智能終端。特斯拉人形機器人不斷迭代，商業(yè)化落地持續(xù)加速。2022年9月特斯拉原型機只能緩慢張手、抬手，發(fā)布會現(xiàn)場由工人人員搬運出場，發(fā)布會展示的視頻中只能做下蹲、拿/搬運箱子、抓取物體、澆花等簡單動作。2023年5月特斯拉發(fā)布的演示視頻中可以集體步行、靈活抓取放下物體等更復(fù)雜的動作。2023年9月，特斯拉再度發(fā)布新視頻，特斯拉機器人可以依靠視覺對物體分類、找準(zhǔn)身體平衡感，能做出單腿直立等動作。特斯拉人形機器人以每3-6個月的時間間隔加速迭代，細節(jié)方案越來越向商業(yè)落地靠近。1.1.人形機器人有望成為下一個新能源汽車回顧新能源車的發(fā)展，人形機器人處在商業(yè)化的前夜。在特斯拉出現(xiàn)之前，新能源車也面臨過成本與需求不清晰的混沌期，主要是短期技術(shù)的限制造成的。盡管電動汽車19世紀(jì)就誕生，早于汽油車，但當(dāng)時電池密度低、壽命端，無法與快速進步的內(nèi)燃機汽車競爭，在過去百年之中市場先選擇了汽油車。隨著2005年后電池技術(shù)的多輪迭代，續(xù)航、充電、壽命等性能都取得突破，在特斯拉的引領(lǐng)下，成本與需求的瓶頸被打破，新能源汽車市場最終迎來了爆發(fā)。人形機器人目前尚未大規(guī)模量產(chǎn)，但隨著控制方法、人工智能、深度學(xué)習(xí)等計算機、通信技術(shù)的不斷突破，人形機器人快速迭代，以最新一代的波士頓動力雙足機器人Atlas為例，僅6年左右的時間，Atlas從蹣跚學(xué)步進展到了流暢跑酷。在勞動力不足的大背景下，技術(shù)進步疊加資本進入，產(chǎn)業(yè)也亟待更多人形機器人的市場化落地。特斯拉有望成為人形機器人行業(yè)的破局者，特斯拉人形機器人Optimus是新能源車中的Model系列。特斯拉從Roaster到ModelS/X，再到Model3/Y，加速了全球電動化，尤其是特斯拉中國工廠，一方面實現(xiàn)了更高效率、更低成本的大規(guī)模生產(chǎn)，另一方面拉動了消費者對電動車接受度的提升。特斯拉人形機器人有望復(fù)制其在新能源汽車上的路徑，發(fā)揮其強大的工程能力以及人工智能上的優(yōu)勢，整合并創(chuàng)新現(xiàn)有技術(shù)，實現(xiàn)低成本、高效率的大規(guī)模量產(chǎn)，推動人形機器人全球化的應(yīng)用。另外，中國供應(yīng)鏈在特斯拉新能源汽車降本上發(fā)揮了重要作用，上海工廠扮演了特斯拉產(chǎn)能釋放的最重要的角色之一，我們認為在人形機器人市場，中國供應(yīng)商和供應(yīng)鏈同樣也會發(fā)揮類似的作用。3.人形機器人的關(guān)鍵部件3.1.采用電驅(qū)路線，執(zhí)行器是人形機器人的最核心特斯拉人形機器人采用電驅(qū)動的技術(shù)路線，即電機+減速器的執(zhí)行器。根據(jù)2022年特斯拉AIDAY發(fā)布會，特斯拉人形機器人全身包括28個運動關(guān)節(jié)（不含手部），采用集中式的布局，包括三種旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和三種線性執(zhí)行器。特斯拉的人形機器人手指有6個執(zhí)行器和11個自由度，搭載了能夠驅(qū)動手指并進行感知的傳感器。機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動器是雙足仿人機器人關(guān)鍵部件，按動力來源可以分為液壓、氣動、電機驅(qū)動等，特斯拉人形機器人采用電機驅(qū)動的方式。電機驅(qū)動方案的驅(qū)動器一般由電機、減速器、編碼器、控制板和控制軟件等組成，分為剛性驅(qū)動器、彈性驅(qū)動器和準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器等類型。傳統(tǒng)剛性驅(qū)動器由電機、高傳動比減速器、剛性力矩傳感器、輸出端組成，其中剛性力矩傳感器是可選擇項；彈性驅(qū)動器在高傳動比減速器與輸出端之間加了彈性體，用位置傳感器檢測彈性體的形變，可以推斷出力矩的大??；準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器是高力矩密度電機+低傳動比減速器的組合，通過電機的電流大小間接推斷出輸出力矩的大小。剛性驅(qū)動器設(shè)計理論相對成熟，在傳統(tǒng)的雙足機器人、工業(yè)機器人、協(xié)作機器人和工業(yè)精密轉(zhuǎn)臺等方面得到廣泛應(yīng)用，但由于電機和減速器功率密度限制，限制其在雙足仿人機器人上的應(yīng)用。彈性驅(qū)動器由于彈性體引入，給控制帶來了難度，尤其在機器人腿部使用，因此彈性驅(qū)動器需要在功率密度、能量效率、結(jié)構(gòu)布局等指標(biāo)間平衡，結(jié)合機器人整機結(jié)構(gòu)布局、運動步態(tài)控制算法做整合優(yōu)化。準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器目前主要應(yīng)用在四足機器人中，技術(shù)發(fā)展迅速，但需要在編碼器技術(shù)創(chuàng)新和電機功率密度上突破。3.2.精密減速器：旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器的“肌腱”特斯拉人形機器人的肩、髖等需要大角度旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)所采用的主要是旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器。根據(jù)特斯拉2022年AIDay發(fā)布會，特斯拉旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)分為3種尺寸，由無框電機、雙編碼器、力矩傳感器、諧波減速器組成。精密減速器是旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機構(gòu)的核心部件之一。減速器是連接動力源和執(zhí)行機構(gòu)的中間機構(gòu)，具有匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，類似于工業(yè)機械的“肌腱”。電機有高轉(zhuǎn)低扭的特點，因此每臺伺服電機都要搭配使用一個減速器，實現(xiàn)降低轉(zhuǎn)速、提升扭矩以滿足不同的工況。按照控制精度劃分，減速器可分為一般傳動減速器和精密減速器。一般傳動減速器控制精度低，可滿足機械設(shè)備基本的動力傳動需求。精密減速器回程間隙小、精度較高、使用壽命長，更加可靠穩(wěn)定，應(yīng)用于機器人、數(shù)控機床等高端領(lǐng)域。精密減速器種類較多，包括諧波減速器、RV減速器、擺線針輪行星減速器、精密行星減速器等。諧波齒輪減速器是一種靠波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生可控的彈性變形波，通過其與剛輪的相互作用，實現(xiàn)運動和動力傳遞的傳動裝置，其構(gòu)造主要由帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪（剛輪）、帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪）、波發(fā)生器三個基本構(gòu)件組成。諧波傳動有回差小、運動精度高、傳動比大、體積小、重量輕等優(yōu)點。諧波傳動的工作原理采用波發(fā)生器主動、剛輪固定、柔輪輸出形式，當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)圓時，迫使柔輪產(chǎn)生彈性變形而呈橢圓狀，使其長軸處柔輪齒輪插入剛輪的輪齒槽內(nèi)，成為完全嚙合狀態(tài)；而其短軸處兩輪輪齒完全不接觸，處于脫開狀態(tài)，當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動時，迫使柔輪不斷產(chǎn)生變形并產(chǎn)生了錯齒運動，從而實現(xiàn)波發(fā)生器與柔輪的運動傳遞。柔輪是諧波減速器關(guān)鍵部件，在諧波減速器運動中不斷變形，容易發(fā)生疲勞斷裂，因此提升柔輪精度、保持壽命是柔輪設(shè)計和熱處理工藝最為關(guān)鍵的目標(biāo)，其原材料、齒輪齒形設(shè)計以及熱處理工藝都會對其性能產(chǎn)生影響。RV減速器是在傳統(tǒng)擺線針輪、行星齒輪傳動裝置的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的傳動機構(gòu)。RV減速機由一個行星齒輪減速機的前級和一個擺線針輪減速機的后級組成，主要零件包括正齒輪（行星輪）、RV齒輪、曲柄軸、銷（針齒銷）、外殼（針輪）、輸出軸等。RV減速機通過正齒輪變速、差動齒輪變速進行變速。正齒輪變速通過行星輪和太陽輪實現(xiàn)的齒輪變速。差動齒輪變速是行星輪帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，曲軸帶動RV齒輪擺動。在第一減速部中，輸入軸的旋轉(zhuǎn)從輸入齒輪傳遞到直齒輪，按齒數(shù)比進行減速；在第二減速部中，有一個曲柄軸與直齒輪相連接，在曲柄軸的偏心部分，通過滾動軸承安裝RV齒輪，曲柄軸會帶動RV減速機做偏心運動，當(dāng)曲柄軸轉(zhuǎn)動一周，RV齒輪就會沿與曲柄軸相反的方向轉(zhuǎn)動一個齒，從而達到減速效果。RV減速機具有高精度、大速比、高剛性、高過負載及長壽命特點，且具有振動小，噪音低，能耗低等優(yōu)點。RV減速器與諧波減速器一樣，具有精度高、單機傳動比大等特點，但相較于諧波減速器，RV減速器組成更加復(fù)雜，導(dǎo)致體積和重量較大，由于不存在變形運動，因此具有更高的剛性和扭矩承載能力，主導(dǎo)重負載精密減速器領(lǐng)域。行星減速機包含一個中央太陽齒輪，由幾個行星齒輪包圍，由行星架固定，并封閉在齒圈內(nèi)。當(dāng)入力側(cè)動力驅(qū)動太陽齒時，可帶動行星齒輪自轉(zhuǎn)，并依循著內(nèi)齒環(huán)之軌跡沿著中心公轉(zhuǎn)，行星之旋轉(zhuǎn)帶動連結(jié)于托盤之出力軸輸出動力，利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將電機（馬達）的回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的回轉(zhuǎn)數(shù)，并得到較大轉(zhuǎn)矩。行星減速機有重量輕、體積小、傳動比范圍大、效率高、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲低適應(yīng)性強等特點，采用直齒與斜齒兩種齒輪類型，通常減速比10以下為一級減速，當(dāng)一個齒輪傳動無法滿足比較大的齒輪傳動比時，必須2套或3套來滿足大減速比的需求，但容積會增大，因此行星減速機主要運用于直角坐標(biāo)系智能機器人。不同減速原理的減速機構(gòu)各有特點，需要根據(jù)機器人的設(shè)計側(cè)重不同對減速器選型。一般采用大減速比的機構(gòu)使用諧波減速器或者擺線針輪減速器，小減速比的機構(gòu)選擇行星減速器、皮帶/鏈條傳動、簡單齒輪傳動等。減速器的選型取決于機器人的功能、空間布局和設(shè)計等多方面因素，各類減速器的性能沒有絕對的優(yōu)劣之分。其中，諧波減速器具有單級傳動比大、體積小、質(zhì)量小、運動精度高并能在密閉空間和介質(zhì)輻射的工況下正常工作的優(yōu)點。在輸出力矩相同時，諧波減速器相比一般減速器的體積可減少2/3，重量可減輕1/2，因此諧波減速器在機器人小臂、腕部、手部等部件具有較強優(yōu)勢。RV減速器傳動比范圍大、精度較為穩(wěn)定、疲勞強度較高，具有更高的剛性和扭矩承載能力，在機器人大臂、機座等重負載部位擁有優(yōu)勢。諧波減速器容許力矩負載在1,500N·m以內(nèi)，RV減速器容許力矩負載可達8,000N·m，因此諧波減速器在大負載工況下有局限，RV減速器在輕量化工況下有不足。此外，RV減速器零部件數(shù)量多，制造和裝配難度大，大規(guī)模生產(chǎn)難度更高。全球諧波減速器和RV減速器市場格局集中度高，長期被日本廠商主導(dǎo)，但國產(chǎn)廠商不斷追趕，國產(chǎn)化率逐步提升。精密行星減速器市場格局較分散，眾多國產(chǎn)廠商均有參與。諧波減速器市場上，日本廠商哈默納科長期占據(jù)主導(dǎo)地位，2021年哈默納科占據(jù)全球諧波減速器市場的82%，綠的諧波占比7%，其他廠商占比11%。中國諧波減速器市場上，2021年哈默納科與綠的諧波分別以36%、25%的市場份額處于領(lǐng)先地位，來福、新寶、大族、德福分別占據(jù)8%、7%、5%、4%的市場份額。根據(jù)高工機器人統(tǒng)計，2022年國內(nèi)RV減速器市場國產(chǎn)替代趨勢顯著，納博特斯克雖然以51%市占率穩(wěn)居首位，但同比持續(xù)下降，國產(chǎn)品牌環(huán)動科技、珠海飛馬、秦川、中大力德、南通振康市場份額逐步攀升，市占率分別達14%、8%、4%、4%、3%。在全球范圍內(nèi)，德國、日本等國家的精密行星減速器產(chǎn)品在材料、設(shè)計水平、質(zhì)量控制、精度、可靠性和使用壽命等方面處于行業(yè)領(lǐng)先地位。精密行星減速器國產(chǎn)廠家有科峰智能、紐氏達特、中大力德等，國外精密行星減速器主要廠家為日本新寶、紐卡特、威騰斯坦等。2022年國內(nèi)精密行星減速器市場，日本新寶市場份額約20.4%，處于領(lǐng)先地位。目前仿生機器人的關(guān)節(jié)減速器方案以諧波為主，不同類型的機器人減速器選型各有特點，隨著關(guān)節(jié)方案的推陳出新，相應(yīng)的減速器