机器人行业深度报告：特斯拉Optimus亮点及未来进步点并存，建议关注核心零部件环节

特斯拉Optimus首次亮相，预计3-5年内实现量产 2022年9月30日，特斯拉举行第二届“人工智能日”，并发布最新版本的Optimus人形机器人，全身包含28个执行器、双手、大脑和电池组等部件，驱动方式采用减速机+电机模式，可实现直立行走、搬运、洒水等复杂动作。 相较于原型机，Optimus在体重、行走速度和载重等方面存在优化空间，但也在自由度和执行器数量减少方面取得进步。尽管目前特斯拉与波士顿动力等老牌人形机器人厂商相比，技术还稍显落后，但考虑综合实力和发展速度，我们仍十分看好Optimus未来在工厂、物流和智慧康养等领域的应用。 Optimus亮点及未来进步点并存，看好人形机器人长期成长性 ①（1）Optimus亮点：电动车和人形机器人在底层技术方面有共通之处。特斯拉作为汽车龙头，将诸多汽车技术完美融合到人形机器人上，例如自动驾驶技术转化为视觉识别+自主导航技术，车祸安全模拟技术转化为硬件安保技术。 ②（2）Optimus未来进步点：①降低成本：新版Optimus仍使用减速器+电机的驱动模式，尽管执行器数量有所减少（较概念机减少12个），但硬件成本依旧较为昂贵。根据我们的测算，在乐观/中性/悲观情况下，人形机器人执行器的硬件成本就达到3.6/6.9/10.1万元；②运控能力有待提升：据会场技术人员披露，Opitimus平衡性问题仍需解决，可能需要18-36个月，主要系机器人在实际情况下不可避免会受到外力干扰。面对特殊情况机器人需要在数据库中调用已有的指令。目前特斯拉已建立机器人数据库，还需要时间来扩充数据样本。 ③应用场景需拓展：此次Optimus推出的同时，有明确给出的应用场景为工厂内的基础性工作，然而就目前来看人形机器人在工业领域“性价比”不足，期待后续特斯拉在落地应用方面的进一步拓展。 ③综合而言，尽管Optimus距离真正实现产业化仍有诸多困难需要克服，我们仍十分看好，若其能在未来明确市场需求，并且在成本控制和技术水平之间形成有效平衡，就能够实现规模化量产。根据全球市场研究机构Marketsandmarkets的预测，全球人形机器人市场规模（仅考虑单机）将从2022年15亿美元提升至2027年的173亿美元，CAGR=63.5%，千亿蓝海市场未来可期。 产业链视角：核心零部件重要性凸显 机器人产业链主要包括上游核心软硬件（硬件包括伺服电机、减速器、控制器、传感器等；软件包括机器视觉、人机交互、机器学习、系统控制等）；中游本体制造商和下游应用（包括迎宾接待、高校科研等）。其中核心零部件重要性十分突出，一方面高性能的零部件是实现机器人感知与运动的基础；另一方面核心零部件成本占比较高。以传统工业机器人为例，核心零部件占据了工业机器人整机70%以上的成本。 ①减速器：主要包括谐波减速器和RV减速器，目前仍主要被日本企业所垄断，近年来在绿的谐波和双环传动等国产龙头的带领下国产化率逐步提升。考虑到人形机器人将为减速器市场需求带来较大增量，根据测算2025年全球谐波减速器市场空间有望达147.5亿元，2022-2025年CAGR=59.5%。 ②控制器：主要控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹，近年来机器人控制器市场需求稳步增长。竞争格局方面由于机器人控制器多为本体厂商自制，竞争格局与本体类似，国外企业占据主导地位，国内外差距主要体现在软件算法，近年汇川、埃斯顿等国产机器人龙头正逐步追赶。 ③伺服系统：主要包括驱动器和伺服电机。相较于通用伺服、机器人用伺服对响应速度，负载能力，体积质量等要求更高，因此国内外差距也更大。近年来汇川、埃斯顿等国产品牌迅速发展，在中低端伺服领域已实现大规模量产，并不断投入研发向高端伺服系统迈进。 投资建议：重点推荐绿的谐波、埃斯顿、汇川技术（东吴电新组覆盖）；建议关注双环传动。 风险提示：人形机器人产业化不及预期，核心零部件国产化不及预期，人形机器人或存在舆论阻力。 1.特斯拉Optimus首次亮相，预计3-5年内实现量产 1.1.Optimus部分指标值得优化，但进步速度值得肯定 特斯拉Optimus首次亮相，预计3-5年内实现量产上市。2021年8月，特斯拉CEO马斯克于首届“人工智能日”公开展示特斯拉人形机器人概念机Tesla Bot。2022年2月，特斯拉在提出概念后短短6个月内成功推出人形机器人原型机，并作为开发平台进行深度研发。2022年9月30日，特斯拉举行第二届“人工智能日”，并发布最新版本的Optimus人形机器人，其可实现直立行走、搬运、洒水等复杂动作。据马斯克预计，Optimus将于3-5年内实现量产上市，其最终数量将会达到百万级，而成本将降至2万美元左右。 图1：特斯拉Optimus示意图（左图概念机，中间原型机，右图最新版本） 相较于概念机，最新版本Optimus部分指标存在优化空间，但也有进步之处。根据公开信息，对比最新版本Optimus和2021年发布的概念机： （1）身高方面：新版Optimus身高 173cm ，与概念机相仿（比概念机高 1cm ）； （2）体重方面：新版Optimus体重为73kg，而概念机体重为56.7kg，体重增大后会加大能耗，并影响机器人运动能力； （3）行走速度方面：概念机设计行走时速为8km/h，新版Optimus虽未公布详细的行走速度数据，但从人工智能日现场和视频中的表现来看，行走速度较为缓慢； （4）载重方面：新版Optimus可搬运约20磅（10kg）重的中小型货物，预计要实现概念设计的20kg负载还需一定时间； （5）自由度方面：新版Optimus全身自由度为50个（其中躯干28个，双手各11个），多于概念机的40个自由度。在增加自由度的同时全身执行器数量却由40个减少至28个。执行器由减速机、电机、丝杆等零部件组成。 尽管新一代Optimus的部分指标仍存在优化空间，但也不乏进步之处。同时考虑到特斯拉在依托自身汽车制造底层技术的基础上，仅用6个月时间实现概念→初代原型机，随后8个月实现最新Optimus的推出，进展非常迅速。尽管目前特斯拉与波士顿动力、敏捷机器人等老牌人形机器人厂商相比，技术还稍显落后，但考虑综合实力和发展速度，我们仍十分看好特斯拉人形机器人未来在工厂、物流和智慧康养等领域的应用。 图2：特斯拉Optimus仅花费6个月时间学会行走 图3：相较于概念机，新版Optimus存在优化空间 1.2.Optimus细节详解：执行器&双手&大脑&躯干 特斯拉Optimus主要由机械部分（下图红色部分）和电子部分（蓝色部分）组成，机械部分包含28个执行器和双手；电子部分包含大脑和躯干（冷却系统、电池包）。 图4：特斯拉Optimus的主要构成部分 （1）执行器：采用减速机+电机的传动方式 执行器是一种驱动机制，控制系统通过它来执行或操作任务，可以简单类比为人体的肌肉和四肢，大脑会通过控制肌肉和四肢来实现运动。人形机器人为实现足式运动，一般采用关节形式进行驱动，而驱动方式主要包括气动、电动和液压三种方式。1）气体驱动：气动的优点是具备压缩性，能够使机器人更柔顺地进行运动，但是其功率体积比最低，负载能力很差；2）电机驱动：电动即最常见的电机驱动（需搭配减速器），具有简单、驱动控制成熟的优点，是最常见的驱动方式，但由于电机负载能力的限制，使得电机驱动的机器人负载能力也较弱；3）液压驱动：液压驱动虽然成本略高，但具有很大的功率体积比，从而使四足机器人可以具备高动态行走能力且负载能力强。目前在全球头部人形机器人厂商中，仅有波士顿动力将液压作为执行器的驱动方式，其余例如优必选、本田等均选用电机+减速器的驱动方式。 表1：气动、电动、液压驱动优劣比较 特斯拉Optimus也采用了传统减速机+电机的传动模式，在发布会中特斯拉展示了扭矩从 20Nm 到 180Nm 的减速机，力矩从500N到8000N的电机，均在减速机和电机头部企业的产品参数范围内。以哈默纳科HPG系列和绿的谐波LCD系列谐波减速器产品为例，其扭矩范围分别为3.9- 2200Nm 和3.2- 2100Nm 。数量方面，最新版Optimus全身共有28个执行器，较概念机减少12个。 图5：特斯拉Optimus所使用的减速器和电机 分部位来看，根据现场图片及我们判断，其上半身包含8个伺服电机+减速器关节，2个线性推杆电机+减速器关节（小臂）；下半身包含6个线性推杆电机+减速器关节；双手包含12个执行器（每个手掌6个）。 图6：特斯拉Optimus上半身包含10个执行器 图7：特斯拉Optimus下半身包含6个执行器 执行器是人形机器人非常重要且有挑战的环节。其重要性体现在，类比于人体执行器就是我们进行生产活动的肌肉，是必不可少的部位。而其挑战性就在于： 1）如何设计出高能量密度高稳定的执行器：人的肌肉是拉伸运动，因此可以在重量不大的情况下，产生上百公斤的力；目前常用的执行器电机做的是回转运动，其转速很快，但如果要产生力，则需要多级的减速传动，但多级传导后其稳定性就会有所降低。 而机器人如果需要进行高精密复杂运动，就必须在承受巨大力量的同时保障稳定性，如何设计出高能量密度、高稳定的执行器非常关键。 2）如何设计出满足运用于多关节的执行器：人形机器人关节数量众多，为满足不同运动形态需求，势必会运用到不同类型的执行器。但为了实现降本，必须要找到满足运用于多关节的执行器。 特斯拉非常重视执行器的设计，主要通过运用数据模型分析来寻找合适的执行器。 首先需要考虑机器人需要进行的动作，例如步行、转弯、爬楼梯，得到其关节所需要承受的压力。其次把这些数据输入到自主搭建的优化模型中，从而得到执行器需要的参数，例如承受力，扭矩，需要的能耗等等，最后综合考虑生产成本后选择合适的执行器。此外，特斯拉还会通过仿生技术来优化执行器结构。例如Optimus的膝关节部位，和人类膝关节韧带的结构极为相似。 图8：特斯拉通过数据分析模型寻找合适的执行器 图9：特斯拉通过仿生技术来优化执行器结构 （2）双手：搭载大量传感器，可实现细微操作 人形机器人的双手设计方面，特斯拉通过仿生技术全面看齐人手：①灵活性：特斯拉Optimus单个手掌搭载6个执行器，共有11个自由度，可以实现自由灵活运动。②拥有感知：人手包含数以万计的“触觉传感器”，特斯拉希望机械手也能够和人手一样拥有感觉，因此搭载大量的传感器，例如力敏传感器和触觉传感器等。③实现工作：根据现场发布会的描述，Optimus双手可载重约10kg，能够使用工具并拿起细小的东西。 此外通过添加特殊的驱动器，特斯拉Optimus能够在不打开手掌的情况下，进行相应的活动。 图10：特斯拉Optimus手部特征 结构方面，考虑到人形机器人进行的是完全拟人化的动作，因此要求手部灵活且有较高的抓取力，从而需要搭配体积小灵活度高，但能量密度大的执行器，我们判断空心杯电机+精密减速器+丝杠组成的模块化电缸是人形机器人较好的选择。空心杯电机具有重量轻，体积小，能量密度大等特点，与同等功率的铁芯电动机相比，其重量、体积减轻超过三分之一。 目前特斯拉对人形机器人双手的开发还处于初级阶段，还有许多希望能够实现的功能：①可以同时拿起重物和实现微小动作：特斯拉希望通过仿生技术设计出机械肌腱，能够在抓取重物的同时，也能够实现微小操作，例如拿起很薄很小的纸张。②让双手实现自我学习：人类在面对从来没有拿起过的东西时，也可以轻松拿起，特斯拉希望机器人也能够通过自我学习做到这一点。 图11：人形机器人手部构造图 图12：模块化电缸示意图 （2）大脑：搭载FSD全自动驾驶系统和D1超级芯片 在大脑部分，最新版Optimus人形机器人采用了与特斯拉电动车相同的全自动驾驶系统FSD和感知计算单元，包括自主研发的算力极强的Dojo D1超级计算机芯片以及三颗Autopilot级别自动辅助摄像头。 FSD系统即为全自动驾驶系统，其使得车辆能够在驾驶员主动监控的情况下实现车道内自动