机器人行业深度报告：人形机器人大时代来临，关注各环节产业机遇

人形机器人产业化加速，或将成为下一个万亿市场：人形机器人发展历程可以追溯到20世纪初，1969年日本早稻田大学加藤一郎实验室率先解决了机器人双足行走问题，研发出第一台以双脚走路的仿人机器人。近年来，波士顿动力、敏捷机器人、特斯拉等陆续推出人形机器人产品，人形机器人或将从实验室走出，进入新的发展时期。长期来看，人形机器人销量预计不低于现有汽车行业水平，甚至能到达与人口1:1的水准，根据世界汽车工业协会（OICA）最新数据显示，2022年全球汽车销量约为8163万辆，按照人形机器人单价2万美元计算，市场规模约11.42万亿元（汇率按照7计算），潜在市场空间巨大。 从特斯拉Optimous看人形机器人核心部件：人形机器人在传统机器人基础上有较大的技术跨越，目前主要聚焦于运动控制能力的提升。从特斯拉公布的方案来看，其结构执行器有28个，主要分为旋转执行器和线性执行器两大类。旋转执行器采用谐波减速器+电机的方案，线性执行器采用丝杠+电机的方案，特斯拉研制了反转式行星滚柱丝杠执行器，能够承受半吨重的压力。对于手掌关节，其采用了空心杯电机+蜗轮蜗杆的结构，单手具备11个自由度。目前来看，无框力矩电机、谐波减速器、滑动丝杠、反转式行星滚柱丝杠、空心杯电机、力矩传感器、IMU等是特斯拉机器人实现高自由度的核心部件。 重视确定性环节机会，关注产业链扩散机遇：人形机器人目前还处于行业比较早期的阶段，核心部件以及产品最终形态并未完全确定，因此很多环节还有较大的不确定性。目前执行器方案成本较高，降本压力巨大，行星减速器、滑动丝杠等低成本方案并非一无是处，我们认为可以关注产业链扩散的机会。 不过部分环节有较高的确定性，包括执行机构总成、谐波减速器、空心杯电机等，即使量价上未来会有一些变动，但相关行业的公司未来仍然有望在人形机器人在国内逐步量产的过程中直接受益。 投资建议：人形机器人在经历长达50年以上的发展之后，有望进入量产化的大时代，我们认为这是未来极具想象力和成长性的行业。建议关注确定性较强、行业壁垒较高或者价值体量较大的环节，包括关节总成、丝杠、传感器、灵巧手等，重点公司包括三花智控、拓普集团、恒立液压、贝斯特、鸣志电器等。同时也建议关注硬件泛化环境的机会，重点公司包括双环传动、苏州固锝、步科股份、五洲新春、伟创电气、恒尔达、力星股份、杭齿前进等。 风险提示：特斯拉人形机器人量产进展不及预期；产业链降本不及预期；行业关键技术突破不及预期。 表1：重点公司投资评级: 1人形机器人产业化加速，或将成为下一个万亿市场 1.1人形机器人是AI重要载体，下一个万亿市场即将来临 在千行百业数字化转型的巨大需求牵引之下，全球机器人行业蓬勃发展。根据国家标准委于2020年11月发布的GB/T 39405-2020，机器人按照应用领域可分为工业机器人、个人/家用服务机器人、公共服务机器人、特种机器人和其他应用领域机器人。根据中国电子学会《中国机器人产业发展报告(2022年)》指引，预计2022年全球机器人市场规模将达到513亿美元，其中工业机器人市场规模将达到195亿美元，服务机器人达到217亿美元，特种机器人超过100亿美元。另外根据报告指引，预计2024年全球机器人市场规模将有望突破650亿美元。 表1.机器人的分类情况 图1.2017-2024年各类机器人市场规模情况（单位：亿美元）图2.2022年全球机器人市场规模分布情况 相比一般机器人，人形机器人具有更加复杂的结构、传感、驱动和控制系统。人形机器人是指外观和功能与人相似的智能机器人，比一般机器人具有更加复杂的结构、传感、驱动和控制系统，有的具有类人的感知、决策、行为和交互能力，被誉为人工智能的最终形态，其设计制造目的是为了与人工工具和环境进行交互，从而辅助甚至替代人类的生产生活。 人形机器人需要更高的感知能力、运动控制能力、交互能力。 (1)感知能力：人形机器人往往处于非结构化环境，面临的场景更多样，环境不确定性更高，需要具备极强的环境感知能力和非结构化场景作业能力； (2)运动控制能力：体型上更类人，体积重量有所受限，同时需要实现步态行走，对运动控制也提出了更高的要求； (3)交互能力：人形机器人面临解决情感陪伴的服务需求，与人打交道次数更多，需具备较强的人机交互能力。 图3.特斯拉Optimus人形机器人 图4.波士顿动力ATLAS人形机器人 人形机器人是AI领域的重要载体，或将造就一个新的万亿级市场。人形机器人离不开机器视觉与神经网络，前者通过目标追踪、图像描述、场景理解等生成数据，后者模仿人脑对生成的数据进行算法处理，从而令人形机器人完成各自任务，而无论是机器视觉或神经网络都与Al息息相关。英伟达创始人黄仁勋在ITFWorld 2023半导体大会上表示，具身智能（Embodied AI）是能理解、推理、并与物理世界互动的智能系统，是人工智能的下一个浪潮，AI与机器人的融合可以实现机器人的最终体，具有很好的想象空间。长期来看，我们认为人形机器人销量预计不低于现有汽车行业水平，甚至能到达与人口1:1的水准，根据世界汽车工业协会（OICA）最新数据显示，2022年全球汽车销量约为8163万辆，假设人形机器人与汽车销量一致，按照人形机器人单价2万美元（马斯克在AIDay提出的价格）计算，人形机器人市场规模约11.43万亿元（汇率按照7计算），潜在市场空间巨大。 表2.全球人形机器人市场规模弹性测算人形机器人数量（个） 1.2人形机器人发展历史超过50年，产业化速度开始加快 人形机器人研究起步于双足行走的模仿，推动迈向自主式机器人。人形机器人的发展历程可以追溯到20世纪初，经历了从简单的机械装置到现代复杂智能系统的演变。早期的人形机器人主要是木偶和机械式自动装置，受制于技术水平的限制。 随着科技的进步，人形机器人逐渐具备了更高级的功能，如自主运动、环境感知和人机交互等。1969年，日本早稻田大学加藤一郎实验室率先解决了机器人双足行走问题，研发出第一台以双脚走路的仿人机器人，揭开了人形机器人研究的序幕。1973年，日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出世界上第一台真人大小的自主式人形智能机器人“WABOT-l”，在WL-5的基础上配置机械手及人工视觉、听觉装置组成。 图5.人型机器人行业发展历程 人形机器人在控制方法和人工智能技术不断更迭的基础上取得了迅速发展，商业化条件日益成熟。21世纪以来，机器人的行走能力、智能化和功能越来越强大，2000年本田公司推出的ASIMO机器人可以做到同多人对话，是行业的典范。2015年，日本软银研制的Pepper机器人开启市售是人形机器人走入大众市场的重大尝试，2021年波士顿动力旗下Atlas的跑酷视频一经发出便收获百万点赞，同年英国Engineered Arts开发设计的“世界最优秀”仿生机器人Ameca亮相，已可以做出极其逼真的人类表情。另外，电动车巨头特斯拉在2021年宣布将开展人形机器人计划，其研发的“Optimus”机器人原型机在2022年特斯拉AI Day正式亮相。 近年来，波士顿动力、敏捷机器人、特斯拉等陆续推出人形机器人产品，功能与应用场景各有不同。波士顿动力推出的Atlas机器人专注于强化“运动智能”的能力，2018年可实现左右脚交替三连跳 40cm 台阶，2021年完成高难度跑酷动作； 敏捷机器人推出的Digit机器人致力于制造行走机器人，是世界上第一款销售的两足机器人；Engineered Arts推出的Ameca机器人关注于制造人形娱乐机器人，具有12个全新的面部致动器，经过面部表情升级后，能对着镜子眨眼、抿嘴、皱眉、微笑，号称是“全球最先进的人形机器人”；Optimus (特斯拉)根据2022 AI Day介绍，将首先应用于特斯拉汽车的驾驶辅助系统，也就是用于车载，承载能力为20公斤，该机器人的建议任务是“危险、重复、繁琐”的任务，例如提供制造协助。 国产人形机器人发展迅速，优必选、小米陆续推出相关产品。优必选的Walker机器人系列是中国机器人厂商在世界范围该领域的代表性产品，经过数次迭代升级，2020年全新Walker X机器人在步态规划与控制、柔顺力控、全身运动规划等核心技术方面进行了重点升级；小米推出的CyberOne机器人可感知人类情绪，视觉敏锐、可对真实世界三维虚拟重建，可实现双足运动姿态平衡，四肢强健、动力峰值扭矩 300NM 等领先技术能力。 表3.国内外主要人形机器人对比 2从特斯拉Optimous看人形机器人核心部件 2.1运动执行机构是目前行业发展的核心 人形机器人在传统机器人基础上有较大的技术跨越，目前主要聚焦于运动控制能力的提升。长期来看，人形机器人有更强的柔性化水平，更好的环境感知能力和判断能力，在运动控制能力、环境感知能力和人机交互能力上均需要有较大的突破。目前人形机器人首要需要解决的问题是如何实现像人一样去运动，并且能够兼顾可靠性、成本的因素，人机交互、环境感知等环节也会在未来长期发展之中逐步完善。 图6.人形机器人产业链图示 人形机器人产业链与工业机器人产业链有一定相似性，上游是核心零部件以及AI配套基础设备与技术，中游为机器人生产和集成商，下游为各种应用领域。核心零部件包括减速机、传感器、电机、运动控制器等。 2.2特斯拉擎天柱(Optimus)执行机构分析 从特斯拉公布的方案来看，其结构执行器有28个，主要分为旋转执行器和线性执行器两大类。擎天柱(Optimus)旋转执行器主要分布于肩髋等需要大角度旋转的关节，线性执行器分布于膝肘等摆动角度不大的单自由度关节和腕踝两个双自由度但是体积紧凑的关节。 图7.特斯拉擎天柱（Optimus）结构图 图8.特斯拉机器人的执行器结构 根据参数和结构的不同，特斯拉公布了6种规格的执行器，其中旋转执行器包括20NM 、 110NM 和 180NM 三种，线性执行器包括500N、3900N、8000N三种。旋转执行器采用谐波减速器+电机的方案，线性执行器采用丝杠+电机的方案，特斯拉研制了反转式行星滚柱丝杠执行器，能够承受半吨重的压力。对于手掌关节，其采用了空心杯电机+蜗轮蜗杆的结构，单手具备11个自由度。 图9.特斯拉的六种执行器参数 图10.特斯拉线性执行器可承受半吨的钢琴重量 图11.特斯拉机器人的手部关节原理图 图12.特斯拉机器人的手部关节示意图 2.2.1特斯拉目前采用谐波减速器方案，行星齿轮减速器等方案也具备潜力减速机是机器人的核心精密零部件之一，技术壁垒高。减速器又称减速机，是一种动力传达机构。减速机的工作原理是把原动机的动力通过减速机的输入轴上齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的，是影响机器人性能的核心因素。减速机由齿轮、箱体、轴承、法兰、输出轴等几个主要部件组成。根据绿的谐波招股说明书介绍，精密减速器制造对材料、设备、工艺等多个环节都有严格要求，具有明显的投资门槛高、技术难度大等特点，行业壁垒极高。 图13.减速机与原动机、工作机的关系 图14.减速机各主要部件示意图 表4.减速器的典型作用 减速器可根据传动精度、传动类型、传动级数、齿轮形状和传动布置形式等方式分类。根据传动类型的不同，通用减速器可以分为齿轮减速器、蜗杆减速器、行星齿轮减速器、摆线针轮减速器等，根据传动级数的不同可以分为单级减速器和多级减速器。根据精度不同可以分为一般传动减速器和精密减速器，精密减速器具有回程间隙小、精度较高、使用寿命长、稳定性高等特点，通常在数控机床、机器人、航空航天等领域有应用，精密减速器包括谐波减速器、RV减速器、摆线针轮行星减速器、精密行星减速器等。 表5.减速器分类 机器人为精密减速器最主要下游，机器人用减速器主要有谐波减速器、RV减速器、行星齿轮减速器等。根据观研天下数据，我国精密减速器下游应用中，工业机器人占比44.9%，是最大的下游应用。一般来说，机器人的每个关节都需要配置一台减速器，减速器的选型需要综合考虑体积、减速比、扭矩和价格等方面因