机械行业深度报告：人形机器人，开启新长征

马斯克宣布将于近期发布人形机器人原型机，一石激起千层浪。关于人形机器人是否必要、有何价值、应用场景、放量节奏、技术方案的讨论此起彼伏。本文力图提出我们的思考和测算。 人形是机器人的最大公约数。工业机器人推出已半个世纪，但到2019年全球人均保有量仅3.63台/万人，仍是汽车、家电、3C等标准化制造行业的“独享”。初级的智能水平、难以迁移的应用环境是制约产业规模的瓶颈。服务机器人曾点燃曙光，但其过于细分的应用场景仍不能摆脱工业机器人曾经的窄路。人形机器人以其亲和力、易接受的标准化形式，更易打破厂用、商用、家用的藩篱，实现极大规模硬件复制和长尾应用的广泛覆盖，孕育伟大公司。 人形是最自然的商业入口。商业入口一直是平台企业的必争之地。商业地产、手机、汽车正在或者即将担当我们的商业入口，最大限度地占据我们的时间、吸吮商业价值。更加智能的人形机器人会是我们的好助理、好朋友，是最天然的商业入口，没有科技企业可以忽视。不断涌入的资金、人才、技术会加快技术的迭代演进，产业大势已不可阻挡。 首台样机，不必生而伟大。第一度电的发出，第一列火车的启程都引发了人们对其实际用途的质疑，但逐步提升的性能提升了实用性，消弭了质疑。神经网络算法、语音语义识别、更先进的传感、执行技术都在为人形机器人诞生奠定基础。此时不应被实用性限制，而应更加宽容，允许一个有缺点的新产品诞生。 放量节奏，不宜过度乐观。人形机器人面对开放的应用环境，难以通过简单的编程和短时间的遍历达到足够的智能，需要一定时间的完善。特斯拉Model系列及纯电动车的放量节奏可以作为参考，萌芽期不宜对放量节奏有过高期待。 执行机构，进入大市场，孕育新的技术变革。人形机器人的使用，倍数放大了执行机构的市场空间，且其更有限的机构放置空间、更大的单位体积输出功率要求、更低的成本，都给执行机构的设计提出了新的挑战。新技术、新工艺有望得到应用，抓住机会的厂商有望弯道超车。 伺服系统、谐波减速器是执行机构的核心。立足当前的技术发展现状，我们认为人形机器人会采用开源的控制系统，视觉为主的传感方案、工业塑料或铝合金等轻质材料为本体。驱动-电机-减速器组合会是执行机构的首选方案，在成本中占比最高，成为人形机器人普及的最大受益方。 投资建议：重点推荐禾川科技、绿的谐波、双环传动。建议关注三花智控、汇川技术、鸣志电器。 风险提示：新产品研发及拓展不及预期风险，下游需求不及预期风险，市场竞争加剧风险，宏观经济增速放缓风险 重点公司盈利预测、估值与评级 1人形机器人，产业趋势还是昙花一现？ 1.1特斯拉发布Bot，掀起人形机器人热潮 在2021年的Tesla AI Day上，马斯克公布了人形机器人Tesla Bot（Optimus）的概念。 近期，马斯克又将原计划8月19日举办的特斯拉AI日，改为9月30日举办，因为届时将发布Optimus（“擎天柱”）原型机。 据官方描述，特斯拉Optimus机器人身高约 172CM 、体重约56KG，能够硬拉68KG左右，它的诞生是为了消除危险、重复和无聊的任务，以便人类可以专注于更加愉快的工作。 长期以来，马斯克对人工智能发展的危险性和缺乏监管的状态直言不讳，但他向外界保证Optimus是友好无害的，特斯拉机器人的速度被特意设计得很慢，最高时速约为2米/秒，并且比人类更弱。 据称，该款人形机器人结合了特斯拉的AI技术，即基于视觉神经网络神经系统预测能力的自动驾驶技术，具有极强算力的DOJO D1超级计算机芯片，Dojo架构拥有一个大规模计算平面，极高宽带和低延迟。作为Dojo架构的重要组成部分，D1芯片采用7纳米制造工艺，处理能力为每秒1024亿次。由于每个D1芯片之间都是无缝连接在一起，相邻芯片之间的延迟极低，训练模块最大程度上实现了带宽的保留，配合特斯拉自创的高带宽、低延迟的连接器，算力高达9PFLOPs（9000万亿次）。 图1：Optimus三维渲染图 1.2人形机器人，各项用途的最大公约数 中国电子工业学会将机器人划分为工业机器人、服务机器人、特种机器人三类。 其中，1）工业机器人指面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人，在工业生产加工过程中通过自动控制来代替人类执行某些单调、频繁和重复长时间作业；2）服务机器人是指在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的先进机器人；3）特种机器人指代替人类从事高危环境和特殊工况的机器人。 目前，全球机器人发展已有超过半个世纪，但据IFR数据，2019年全球工业机器人保有量仅272万台，按照世界人口网数据2019年全球230个国家75亿人口计算，工业机器人的人均保有量仅为3.63台/万人。2019年，工业机器人受全球贸易摩擦升级影响，新安装量出现下滑，据IFR预计，到2022-2023年才可能恢复至疫情前水平。相比之下，服务机器人、特种机器人因疫情催化“非接触”使用场景增加，发展势头迅猛。 回顾过去几十年发展历史，工业机器人发展速度迟缓，除了受宏观经济影响外，还与其初级的智能水平、难以迁移的应用环境有关。传统工业机器人主要是解决传统制造业的效率问题，在静态、结构化、确定性的无人环境中完成重复性作业，其工作特点在于空间相对隔离、与人非接触、预编程或示教再现控制、需要外部安全保障。伴随制造业本身的升级和转型，小批量、多品种、短周期、个性化将成为新兴制造业的显著特点，因此工业机器人的趋势也将是可融入人类生产与生活环境、与人优势互补、合作互助，进而成为具备可变作业能力的人类助手型机器人。 图2：工业机器人新安装量出现下滑（万台，%） 图3：全球工业机器人保有量（万台） 机器人最终需要在人类所处的现实环境中工作。开发人形机器人比修改整个环境显得更经济合理。现代社会的环境是为人类自身设计的，例如，走廊的宽度、阶梯的高度、扶手的位置和门把的位置等数不胜数的事物都要适合人的尺寸和运动，这些是社会建造过程中的沉没成本。 因此，当机器人具有人的形状并能像人一样活动时，就不需要为机器人而改变人的环境。常见的轮式机器人使用条件苛刻，需要在一个非常平的地面上来使用，没有任何的越障能力，这种理想的工作环境其实是非常少的。如果要想满足它丰富功能的话，还是要做成一个有自主越障能力，所以人形是一个好的选择。 1.3下一代的商业入口 人形机器人较其他服务机器人更容易被人们接受。参照“恐怖谷效应”，在中等程度偏上的逼真性以前，无论是静态仿真物还是动态仿真物，人们对它的好感程度是随逼真性的提高而增加。也就是说，中等偏上程度的仿真时最受人们欢迎的，最能够赢得受众。而随着逼真性向较高程度增强，人们的好感度会陡然下降。在“恐怖谷理论“第一段曲线上升部分，人类与人形机器人更容易产生情感上的交流。人形机器人在外形和行为设计上模仿人类，具有手部、足部、头部和躯干等，容易获得人类好感、亲近感并能满足情感认同。并且它们与人类接近程度越高，被接受和认可的程度就越高，具有人的外形是机器人成为人类伙伴并为人们带来乐趣的非常重要的因数。 人形机器人有望成为继手机、汽车后的又一入口，商业价值巨大。手机入口整合了通话、地图、工作、娱乐等众多功能，是各功能依托的总入口。而人形机器人功能更加全面，与人互动场景多元更加多元，有望成为新的商业入口。根据艾媒网、Statista数据，2021年我国人均花费在手机上的时间达到3.3小时/天。此外，2021年移动应用的用户支出达到1700亿美元（约合1.08万亿人民币），与去年相比增长了19%。下载量以同比5%的速度继续增长，达到2300亿次。 图4：根据“恐怖谷“理论，人形机器人更容易赢得受众 图5：人均手机使用时长（min） 展望人形机器人的未来发展速度，我们认为可以参考特斯拉电动车的放量节奏。回溯历史，Model-S在2012年推出，2013年特斯拉电动车销量达到2.2万辆，2014年达到3.2万辆，2015年实现5.1万辆。随着2017年推出Model-3达到大规模生产，销量快速增长，从2017年的10万辆快速增长到2021年的近100万辆。我们认为，特斯拉汽车销量的绝对额增长是从Model-3的推出开始加速，起初走的是高端概念型路线，往往是忠实粉丝开始应用，同时搜集各种数据进行改进，然后逐步起量。我们认为人形机器人的发展过程可能也与此有相似之处。 图6：特斯拉电动车及全球纯电动汽车销量（万辆） 不同的是，对于人形机器人，其他科技企业会更快地跟进，国内与国外科技企业都纷纷注意到这个赛道，在做前瞻布局。一些领先企业在做准备，明年也将推出，因而真正放量时不仅要考虑特斯拉，其他国内外企业也会放量。如果人形机器人的放量节奏类似于特斯拉汽车，那么2023-2024年人形机器人可以大致对应特斯拉2013-2014年的销量，随着其他厂商原型机推出后也逐步起量，2025年开始人形机器人对标2015年全球纯电动车销量。 但对于9月30日发布的机器人，我们认为不应抱有过高的预期，原因在于人形机器人对智能化水平、通信、执行、传感等方向的要求非常高，最终较为理想的人形机器人一定是经过多次迭代，不断打磨后的产品。而特斯拉bot的到来，其最重要的意义在于开启了整个产业的快速发展过程，未来一段时间，预计很多科技企业都会向人形机器人的方向努力，争夺赛道，产业趋势可能会加速来到我们面前。 2Optimus的前辈们 TeslaBot并非首款人形机器人，从21世纪初本田发布首款人形机器人AISMO原型机开始，全球多家科技公司及高校先后发布人形机器人。从设计初衷来看，人形机器人定位多用于生活服务，与人类交互，以及专门用于科研领域。其中，较为知名的不乏有波士顿动力的Atlas机器人、欧洲iCUB、软银的Pepper、Alderbran公司的Nao机器人，以及优必选Walker系列。研究他们的设计思路，对Optimus也会有所借鉴。 表1：历史上知名的人形机器人（列表1） 从配置上看，双足服务型机器人自由度均在40个左右，多的可以达到50以上，电源采用锂电池，续航时间短则1-2h，长的可以达到十数个小时，电机均采用直流电机，全身配备数十个甚至上百个传感器，本体结构多采用碳纤维、工业塑料等轻质材料，或对质感、触感有要求的橡胶等。 表2：历史上知名的人形机器人（列表2） 3人形机器人的可能解决方案有哪些？ 3.1人形机器人的成本构成与工业机器人有哪些区别？ 从外形上看，人形机器人采用的是L型结构，每个关节紧密连接，其集成度要比传统的工业机器人更加紧凑，也更加灵活。而从成本上构成上看，二者也有一定的差异。 传统的工业机器人产业链，包括上游零部件供应商、中游本体供应商、下游系统集成和服务提供商，以及终端应用市场。其中有减速器、控制器、伺服系统分别占31%、10%、20%。 本体占比在24%，系统集成约占比14%。 相比之下，根据我们的产业链调研，人形机器人的本体在成本中占比要低于工业机器人。 由于工业机器人对负载的要求更高，通常需要用到铸铁、高强度钢等金属材料制作，而人形机器人通常采用密度更小的金属材料，或者复合材料制作，其本体在整个生产中的占比通常在15%左右，而工业机器人本体在生产成本中占比通常在20%以上。在传感方面，人形机器人全身需要多处传感器，因此在生产成本中也占有较高的比重。 图7：工业机器人生产成本构成 图8：人形机器人生产成本构成 3.2驱动和执行：谐波减速器+空心杯型伺服电机 3.2.1减速器：谐波减速器或为主要解决方案，数量或在45-50个 从外形上看，人形机器人采用的是L型结构，每个关节紧密连接，其集成度要比传统的工业机器人更加紧凑，也更加灵活。而从成本上构成上看，二者也有一定的差异 减速器是常用作原动件与工作件之间的减速传动装置，在二者之间起到匹配转速、传递扭矩的作用。其原理在于，把高速运转的动力通过减速机输入轴上齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮，以此来达到减速的目的，原因在于绝大多数工作件负载大、转速低，不适宜用原动机直接驱动，需通过减速机来降低转速、增加