行业周报：特斯拉机器人降本超预期，滚珠丝杠大量应用

特斯拉Optimus降本能力超出预期，滚珠丝杠大量应用 特斯拉Optimus原型机发布，符合技术开发预期，降本能力超出预期。（1）硬件设计紧凑，利于成本控制（目标2万美元）；硬件架构方案成熟、稳定可控容易实现；（2）关节方案、视觉感知、芯片、AI系统、电池等与汽车同根同源，有利于量产、降本及快速迭代；（3）硬件仿真平台、灵巧手、双目视觉、腰部自由度等方面较为出色。整体硬件架构采用大电池组+电机驱动+刚性金属传动+串并联关节分布+视/力/位传感器。关节采用执行器设计，与汽车一脉相承。除去手指和手臂（手臂暂未看到）共26个执行器，含16个谐波减速器，未见使用RV或行星减速器。其中旋转关节=无框力矩电机+谐波减速器，线性关节=力矩电机+丝杠导轨。灵巧手单手手指上有6个执行器+11个自由度，采用绳驱驱动。 运动控制技术处于初级阶段，关节设计与汽车一脉相承 运动控制:整体还处于比较初级的水平，弱于世界五大人形机器人，强于国内其他厂商水平。看好未来的潜力及开发迭代效率。关节采用执行器设计，与汽车一脉相承。除手指外，共28个关节执行器，含16个谐波减速器，未见使用RV或行星减速器。其中旋转关节=无框力矩电机+谐波减速器，线性关节=力矩电机+滚珠丝杠。使用滚珠丝杠目前在价格与性能上并不具备优势，或是考虑到与汽车协同、量产。下肢运动能力相对落后，明显弱于本田阿西莫和波士顿动力。上肢的灵巧手是亮点，采用绳驱，6自由度、11个关节，仿生性较好，但量产性与可靠性待验证。目前动作开发方面仍落后于其他家，但我们认为特斯拉在迭代及开发效率方面有优势。感知与交互：集成了汽车视觉传感的技术，实现精确的3D建模。暂未看到雷达、ToF、IMU与超声等。硬件为左右单目相机+鱼眼相机，成本较低，依赖算法。能够与Tesla汽车共用FSD系统是擎天柱最大的优势之一，包括数据、算法、传感器方案、自研SoC芯片、超级计算机D0J0等。其他零部件：电池，容量2.3kWh、工作电压52v，实现小体积大容量，推测复用了汽车动力电池技术。电池与主板、散热风扇置于胸腔中。 目标成本价2万美元，降本能力超预期 目标成本2万美元，远低于其他人形机器人，但落地情况待观察。结构上，我们估算传动系统、控制系统及AI、其他硬件成本占比分别为36%、33%、31%； 降本路径可能有: (1)电机数量减少，由之前披露的40个减少到28个; (2)采用视觉感知，相机硬件成本低; (3)电池、FSD系统、可靠性仿真平台等与汽车复用，芯片、软件、算法、数据等大量前期投入已完成; (4)首批机器人可在自家车厂使用，保证了一定的需求量。 受益标的 力星股份、汉宇集团、绿的谐波、步科股份、怡合达、秦川机床等 风险提示：人形机器人量产进度不及预期、国内供应链渗透不及预期。 1、Optimus机器人降本能力超出预期，滚珠丝杠大量应用 北美时间9月30日，特斯拉发布Optimus原型机，整体进度符合预期。降本能力超出预期：预计价格在2万美元，低于整车价格，与国产中负载六轴工业机器人价格相当；量产进度略低于预期：预期2023年（18个月内）能够交付初步产品。但关节方案与汽车一脉相承，有益量产实现。整体迭代速度较快，期待后续方案优化。 Optimus全身共有28个电机关节，滚珠丝杠与轴承相对超预期。整体硬件架构采用大电池组+电机驱动+刚性金属传动+串并联关节分布+视/力/位传感器。关节采用执行器设计，与汽车一脉相承。除去手指和手臂（手臂暂未看到）共26个执行器，含16个谐波减速器，未见使用RV或行星减速器。其中旋转关节=无框力矩电机+谐波减速器，线性关节=力矩电机+丝杠导轨。灵巧手单手手指上有6个执行器+11个自由度，采用绳驱驱动。 控制算法及运动能力方面，Optimus弱于丰田机器人，强于国内水平。电池性能出色，2.3kwh的电池可让机器人工作一天。此外，Optimus具有safeguard远程控制方案和停止按钮设计。 表1：Optimus根据关节活动需求分别安装线性执行器和旋转执行器（单位：个） 1.1、旋转关节：无框电机+谐波减速器+双编码器+力矩传感器+交叉滚子轴承输出 特斯拉机器人共使用16个谐波减速器，主要分布在： 大腿内侧：1个旋转执行器*2 +胯部1*2 +腰部：2个+手腕：1个旋转执行器*2+肩膀：3个旋转执行器*2 +颈部：2个旋转执行器。 此方案与当前（科尔摩根供应给协作机器人厂的）协作机器人关节方案相似。 国内步科股份子公司常州精纳有类似产品。 图1：电机+谐波减速器构成了特斯拉机器人三种旋转执行器 1.1.1、伺服系统：旋转关节使用无框电机 特斯拉机器人线性、旋转关节处使用的无框电机是去掉轴、轴承、外壳、反馈或端盖的伺服电机，只包含定子和转子。核心特点是可以实现大力矩。 图2：特斯拉机器人旋转关节使用谐波减速器 图3：无框电机去掉了轴、轴承、外壳、反馈或端盖 1.1.2、精密减速器：小型谐波减速器 精密减速器是工业机器人及其他自动化装置的关键零部件，可分为谐波减速器、RV减速器和精密行星减速器。工业机器人主要使用的是谐波减速器和RV减速器，占工业机器人总成本的30%。特斯拉人形机器人的柔性关节需要更轻量、小型化的减速器，因此选用谐波减速器。 图4：工业机器人核心零部件减速机、伺服电机及控制器成本占比接近70% 图5：估算人形机器人传动系统、控制系统和其他硬件成本占比约分别为36%（20%+16%）、33%和31% 1.1.3、传感器：力矩传感器+双编码器 特斯拉机器人旋转关节采用高低速双编码器+力矩传感器： 关节集成双位置编码器：输出侧*1 +电机侧*1。输出侧编码器：测量输出位置的变化；电机侧编码器：计算得到输出轴的理论位置，与输出侧编码器的数据进行对比，得到外部受力大小，从而交付驱动器进行后续控制。 关节集成非接触式力矩传感器：基于编码器或霍尔原理测量材料形变的力矩传感器，非应变片式。 图6：Optimus旋转关节采用双编码器+力矩传感器 图7：双编码器是协作机器人关节模组中的常见设计 1.2、线性关节：无框电机+滚珠丝杠+力矩传感器 特斯拉机器人线性关节使用无框电机+滚珠丝杠（即，线性执行器）的方案，利用滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动。 线性关节主要分布：腿部：3个线性执行器*2 +手腕：1个线性执行器*2 +肘关节：1个线性执行器*2。 此方案取代了可承受较大负载的RV减速器/行星减速器。丝杠的传动精度高，输出力能力强，但反驱透明度差（所以需要力传感器），响应速度偏慢，这套驱动方案可能会限制下肢高动态的运动能力。此方案可以实现高刚性，但成本也较高。 图8：使用4点接触球轴承使得结构更紧凑，但成本更高 图9：特斯拉机器人使用滚珠丝杠 滚珠丝杠的主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将直线运动转化为旋转运动。特斯拉机器人使用的行星滚柱丝杠具有高轴向承载能力、强抗冲击能力、高速高精度、寿命长、体积小等特点。 高精度滚珠丝杠技术壁垒高。全球主要的滚珠丝杆厂商有NSK日本精工、日本THK、日本斯凯孚等，CR5约46%。日本和欧洲滚珠丝杆企业占据全球约70%的市场份额。国内龙头企业包括：秦川机床（汉江机床）、鼎智丝杆（江苏雷利子公司）、汇川技术（上海莱恩）。 图10：日本和欧洲滚珠丝杠企业占据全球70%市场 1.3、其他关节：灵巧手、腰部关节、膝部仿生设计 灵巧手：采用绳驱驱动，单手共6个自由度11个关节，其中拇指2自由度（1摆动1弯曲）3关节，其余四指1自由度2关节，每根手指均为2个指节联动弯曲。 机械臂在某个特殊工况下的负载能力约9kg。 腰部：设置2个自由度，仿生性提升。 膝关节：仿生设计，尚不能做到直膝行走。人类的膝盖结构是一个复杂的滚动副+移动副的耦合，模仿存在困难。 图11：Optimus灵巧手采用绳驱驱动 图12：Optimus膝关节采用仿生设计 1.4、关节轴承：角接触轴承+交叉滚子轴承+四点接触轴承+深沟球轴承 轴承应用于速度不同的零件中进行传动。角接触轴承可以在承受较高的转速的同时承受一定的轴向力；交叉滚子轴承可以同时承受较大的径向力和轴向力，刚性强；四点接触轴承可以在高转速条件下承受双向较大的轴向力和径向力。 特斯拉旋转关节与线性关节使用不同轴承。 旋转关节：外壳固定部分和高速电机轴之间：角接触轴承*2；外壳固定部分和低速输出轴之间：交叉滚子轴承*1 线性关节：电机固定部分和电机转动部分+丝杠螺母部分之间：四点接触轴承*1 +深沟球轴承*1 图13：特斯拉机器人根据不同位置的受力特点选用不同轴承 表2：国产轴承厂商有望受益 1.5、其他零部件：集成汽车技术，电池、视觉传感性能优异 电池：容量2.3kWh、动力电52v，金属外壳保护提高安全性。电池实现小体积大容量，推测复用了汽车动力电池技术。电池与主板、散热风扇置于胸腔中。 视觉传感器：硬件为左右单目相机+鱼眼相机，硬件成本较低，依赖算法。集成了汽车视觉传感的技术，实现精确的3D建模。 工厂等部分场景有应用GPS传感器。 图14：特斯拉机器人电池、主板、风扇集成于胸腔中 图15：特斯拉机器人视觉能实现精确3D建模 2、汽车总装厂应用场景明确，量产初期车企有优势 2.1、人形机器人有望先由汽车总装厂开始渗透，随后过渡到高端住宿及家庭场景 人形机器人的优势在于“仿人”，主要有三：（1）仿生步态下运动能力较传统履带/四轮/双轮机器人大幅提升；（2）灵巧手可实现双手配合和工具替换，较工业机器人技能更广；（3）依靠算法能力实现复杂环境识别并实施决策。 我们认为，人形机器人有望先从汽车总装厂开始渗透，服装厂缝纫车间也是可能的应用场景。后续算法水平及降本能力得到提升后，应用场景将逐渐扩展到高端住宿和部分家庭场景。此外还会有部分机器人应用于娱乐教育领域，但这两种场景的实现大规模应用较为困难，且需要消费者教育。 码头、物流、车间等中长距离物流运输场景下AGV或更具优势：（1）AGV技术已相对成熟，激光雷达、SLAM、VSLAM等技术应用或使AGV物流车摆脱磁条限制；（2）当前人形机器人抓握及负载能力相对受限，不适合重物搬运且单次运输能力有限； 消防、安保等领域或首先出现四足仿生机器人普及：人形机器人的运动能力和造价成本相对弱势，四足机器人在步态平衡、移动速度和生产成本上具有优势，或首先出现四足仿生机器人的应用普及。在2C陪伴机器人方面，四足机械狗同样可能先于人形机器人进入家庭。 图16：各厂陆续推出以量产落地为目标的四足机器人 2.2、人形机器人年产量上万后，成本或下降到5万美元以下 目前人形机器人成本约为10-15万美元左右，未来产量增加及工艺改善将降低成本。根据优必选科技副总裁付春江预测，根据量产规模不同，人形机器人降本进程大致分为3个阶段： 几千台小批量生产，降本20%-30%至约10万美元； 1万-几万台量产，降本50%至5万美元； 几十万至上百万台大规模量产，降本70%-80%至2-3万美元。 图17：预计2030年人形机器人成本将下降至2-3万美元 2.3、仿生机器人降本量产车企优势明显 仿生机器人赛道主要玩家包括：机器人厂商、车企和互联网大厂。三者开发的侧重点各不相同。机器人厂商更注重机器人前沿技术突破，车企思路偏向严格降本、量产为先，互联网大厂仿生机器人采用全栈自研，或依托平台惯性，注重生态建设。 我们认为，在人形机器人量产初期，车企将有较大优势： 技术通用性强：（1）硬件能力上，电动汽车舵机（机电一体化）、减速器、储能电池等通用性强，应用经验丰富；（2）感知技术上，车企具有先天优势，已经完成了芯片开发、图像标记和神经网络训练的大量前期投入；（3）仿真开发上，车企的汽车可靠性仿真平台复用，能够从量产/成本角度出发，为机器人的结构及可靠性设计提供大量的评估及优化支持。 研发资源丰富：车企资金充裕，现金流稳定；研发人员储备充足。 市场重叠度高：汽车本身市场