人形机器人深度系列报告：机器人运动的“心脏”，电机有望迎来广阔空间

证券研究报告|行业深度 机械设备 2023年11月16日 人形机器人深度系列报告：机器人运动的“心脏”，电机有望迎来广阔空间 证券分析师 姓名：俞能飞 资格编号：S0120522120003 邮箱：yunf＠tebon.com.cn姓名：唐保威 资格编号：S0120523050003 邮箱：tangbw＠tebon.com.cn0 内容摘要 人形机器人快速进化，电机是其重要部件。随着工业机器人相关技术的日趋成熟，人们对机器人技术智能化本质的认识日益加深，与工业机器人相对固定的作业环境不同，人形机器人通常使用于人类的日常生活环境中。人形机器人具备类似人类的感知、决策、行为以及拟人化的移动特性，从外观上更加容易被使用者接受并产生亲切感，因此能够在人类所在的环境中与人类和谐相处，协助人类完成复杂和多样的工作。机器人关节驱动器是双足人形机器人关键部件，按动力来源可以分为液压、气动、电机驱动、记忆金属、生物类(心肌细胞)等，其中电机驱动和液压驱动是较为常见的两种形式，电机方案的优势在于，在运动控制方面，其设计比液压控制有更成熟的解决方案，处理器编码器也相对更容易正确获取运动状态的实时反馈，控制精度也有很大保障，而且相较液压成本便宜了很多。 机器人运动的“心脏”，对运动精度起决定作用。电机（俗称“马达”）是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置，它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。机器人关节系统包括驱动器、控制器和关节电机。机器人关节电机具有减速、传动、提升扭矩功能，它被视为机器人的执行单元，根据需要被安装在各关节上控制关节运动，机器人诸如行走、跑、弹跳等动作均由机器人关节电机驱动产生，是机器人运动的“心脏”。 Optimus主体部分共有28个执行器，线性及旋转各14个，所用电机为无框力矩电机。28个执行器分布于肩、肘、腕、躯干、髋、膝、踝等部位。根据2022特斯拉AIday的展示，28个执行器分布在：①肩部6个（旋转×6）；②肘部2个（直线×2）；③腕部6个（旋转×2+直线×4）；④躯干2个（旋转×2）；⑤髋部6个 （旋转×4+直线×2）；⑥膝部2个（直线×2）；⑦踝部4个（直线×4）。Optimus手部共有12个执行器（双手），所用电机为空心杯电机。 产业化进程加速，电机有望迎来广阔空间。人形机器人作为通用机器人的代表和具身智能的优秀载体，一方面正在受益于通用人工智能的发展，另一方面，也以“具身智能”成为AI与物理世界的接口，和下一代通用人工智能的终端平台。AI大模型在机器人任务中主要扮演了推理决策的角色，将人类给出的自然语言指令拆解为机器人可执行的步骤。多模态的AI大模型补全了机器人核心的推理决策能力，有望助力人形机器人走向通用之路。 核心零部件供给是未来机器人产业规模化发展的重要支撑，人形机器人三大核心零部件包括减速器、伺服系统和控制器，成本合计占比超70%。目前在Optimus人形机器人核心零部件中，电机价值量合计占比约25%。假设未来10年全球人形机器人出货量达到500万台，无框电机单价2500元、空心杯电机单价1300元，则10年后人形机器人带来的无框电机增量市场有望为3500亿元，空心杯电机增量市场有望为780亿元，合计4280亿元市场空间。 建议关注：1）步科股份：第三代无框电机首创无框灌封工艺，和各个机器人厂家积极扩展合作；2）鸣志电器：空心杯电机技术在全球居于前列，已向人形机器人头部客户提交全套技术方案及样机；3）江苏雷利：空心杯电机等产品可用于人形机器人，部分产品在样品测试阶段已得到客户认可；4）鼎智科技：与母公司错位协同发展，线性执行器为行业领先产品；5）伟创电气：2022年成立机器人行业部，提供低压伺服、空心杯电机、特种无框力矩电机等核心部件；6）昊志机电：自主研发的DD电机用于机器人关节模组中，提供机器人关节动力来源；7）拓邦股份：空心杯电机已在电动夹爪、骨科动力工具等领域批量应用，看好人形机器人带来的增量机会；8）禾川科技：在机器人行业有产品和技术积累，未来将在无框力矩电机基础上开发组合式产品；9）拓普集团：设立电驱事业部，机器人产品包括旋转、直线执行器，已多次向客户送样并获得认可及好评。 风险提示：（一）宏观经济变化的风险；（二）市场及政策风险；（三）行业竞争加剧风险；（四）人形机器人进展不及预期。 请务必阅读正文之后的信息披露及法律声明。1 目录 CONTENTS 01人形机器人快速进化，电机是其重要部件 02机器人运动的“心脏”，对运动精度起决定作用 03产业化进程加速，电机有望迎来广阔空间 04建议关注 05风险提示 请务必阅读正文之后的信息披露及法律声明。2 01 人形机器人快速进化，电机是其重要部件 请务必阅读正文之后的信息披露及法律声明。3 1.1人形机器人可用于日常环境，是国家科技综合水平的重要体现 人形机器人通常用于日常生活环境，协助人类完成复杂和多样的工作。随着工业机器人相关技术的日趋成熟，人们对机器人技术智能化本质的认识日益加深。机器人技术向人类生产、生活的各个领域的渗透。与工业机器人相对固定的作业环境不同，人形机器人通常使用于人类的日常生活环境中。人形机器人具备类似人类的感知、决策、行为以及拟人化的移动特性，从外观上更加容易被使用者接受并产生亲切感，因此能够在人类所在的环境中与人类和谐相处，协助人类完成复杂和多样的工作。 人形机器人具有显著的优势，是国家科技综合水平的重要体现。人形机器人又称仿人机器人或类人机器人，指具有人的形态和功能的机器人，具有拟人的肢体、运动与作业技能，以及感知、学习和认知能力。人形机器人具备人类的外形特征和行动能力，可以采用双腿行走方式，通过手臂和身体的协调完成一些简单的功能，以及通过简单的语言和人类交流。与传统的机器人相比，人形机器人具有显著的优势。人形机器人建立在多学科基础之上，综合运用机械、电气、材料、传感、控制和计算机来实现拟人化的功能，环境适应更通用、任务操作更多元、人机交互更亲和，是国际公认的机器人技术集大成者，是一个国家科技综合水平的重要体现。 图表：优必选Walker机器人登上春晚图表：具备一定服务功能的阿西莫机器人 1.2人形机器人发展历史：日本最先研究，目前进入早期产业化落地阶段 商用工业机器人诞生于美国，人形机器人则以日本的研究成果最为瞩目。“Robot”（机器人）一词首先出现在捷克著名剧作家卡雷尔·恰佩克（KarelCapek）的话剧《罗素姆的万能机器人》中，这是一个源于捷克文“Robota”（劳役、苦工）和波兰文“Robotnik”（工人）的新造词，被用来形容为人类服务的机器奴隶。到了1962年，世界上第一款量产的实用机器人“VERSTRAN”诞生于美国，与Unimation公司生产的“UNIMATE”机械臂一起，成为世界上最早商用的工业机器人，由此拉开了机器人发展的序幕。而人形机器人起步于上世纪60年代后期，以日本的研究成果最为瞩目。 人形机器人发展历经四个阶段，目前进入早期产业化落地阶段。根据中国机器人网、顾浩楠《人形机器人历史沿革与产业链浅析》等，人形机器人的发展历程主要分为四个阶段：第一阶段，是以早稻田大学仿人机器人为代表的早期发展阶段；第二阶段，是以本田仿人机器人为代表的系统高度集成的能力破冰阶段；第三阶段，是以波士顿动力仿人机器人为代表的高动态运动发展阶段；第四阶段是以特斯拉Optimus机器人为代表的产业化落地阶段，该阶段尚处于发展前期。1973年，日本早稻田大学的加藤一郎教授研发出世界上第一款人形机器人WABOT-1的WL-5号两足步行机；1986年，日本本田开始进行人形机器人ASIMO的研究，并成功于2000年发布第一代机型；2016年，美国波士顿动力公司发布双足机器人Atlas，具有极强的平衡性和越障能力，能够承担危险环境搜救任务；2022年9月30日，特斯拉人形机器人“擎天柱”（Optimus）原型机正式在特斯拉AI日亮相，是目前人形机器人最前沿的代表之一。 图表：部分代表性人形机器人示意图 注：图中（a）WABOT-1机器人原型；（b）Cog类人机器人；（c）本田P2机器人；（d）ASIMO机器人；（e）HRP-2机器人；（f）iCub机器人；（g）NAO机器人；（h）Atlas机器人 1.2人形机器人发展历史：日本最先研究，目前进入早期产业化落地阶段 机器人概念产生超百年，日美中等国家纷纷入场。以特斯拉“Optimus”为代表的人形机器人不断进化，2023年“Optimus”已经能够精准分类物体、找准身体平衡感。图表：机器人发展历史里程碑 1920“Robot”术语首先出现在捷克著名剧作家卡雷尔·恰佩克（KarelCapek）的话剧“罗萨姆的全能机械工人”中。 时间事件 1939美国西屋电气公司发明了能够行走、说话，甚至抽烟的人形机器人“Elektro”，并首次在该年的纽约世博会上公开展示。 1941美国科幻作家艾萨克·阿西莫夫（IsaacAsimov）首先使用“Robotics”一词来描述、研究和应用机器人技术。 1951法国人RaymondGoertz为原子能委员会设计了首台遥控关节臂。 1942阿西莫夫提出了著名的“机器人三定律”；美国DeVilbiss公司设计了首台“可编程”喷漆机器人。 格（JosephEngelberger）一起创建了世界上第一家机器人公司Unimation，至今该公司仍在生产和销售该机械臂产品。恩格尔伯格因而被称为“机器人之父” 1959 约瑟夫·恩格尔伯格和乔治·德沃尔共同开发了第一台工业机器人。 1961 Unimation在通用汽车公司安装了第一台工业机器人。 1962 美国AMF公司研制出物料搬运机械臂“VERSTRAN”,与Unimation公司生产的“UNIMATE”机械臂一起，成为世界上最早商用的工业机器人。 1968 美国斯坦福研究所（SRI）研制出世界上首台安装有视觉系统并由计算机控制的移动机器人“Shakey”，该款智能机器人能够根据人的指令发现并抓取积木，这就是服务机器人的诞生。 1969 日本早稻田大学加藤一郎教授研制出全球首台具有空气气囊和人工肌肉的双足机器人“WAP-1” 1971 加藤一郎教授成功研制出世界上第1台三维双足机器人WAP－3，能够实现静步行走、上下楼梯或斜坡，揭开了双足人形机器人研制的序幕 1973 世界上首台全尺寸人形机器人“WABOT-1”由加藤一郎教授发明 1975 美国Unimation公司推出世界首台“可编程通用机械操作臂（PUMA）”，标志着工业机器人技术开始走向成熟，这是一个里程碑事件。 1988 约瑟夫·恩格尔伯格推出了世界第一个服务业机器人HelpMate进入医院，为病人送饭、送药、送邮件。 1992 波士顿动力公司正式从美国麻省理工学院分离出来。 1996 日本本田公司研制出首台能够进行自调节的双足步行人形机器人“P2”，一年后推出具有完全自主功能的人形机器人“P3”。这是该公司最终推出著名人形机器人“ASIMO”的两个重要步骤。 1999 日本索尼公司发布机器狗“爱宝”(AIBO)，成为首台商用娱乐机器人；世界上首台“机器鱼”在日本三菱公司问世。 2002 著名的人形机器人“ASIMO”在日本本田公司正式问世，它身高1.3米，能够以类似于人类的步姿行走和缓慢奔跑，被普遍视为一个里程碑事件。 2005 韩国科学技术院（KIST）研制出号称世界上最智能的移动机器人“HUBO” 2006 微软公司推出“MicrosoftRoboticsStudio”，机器人模块化、标准化的趋势日益明显。比尔·盖茨曾预言，个人机器人（PR）将如同个人电脑一样，走进千家万户，彻底改变人类的生活方式 2014 日本软银公司发布全球首款消费类智能人形机器人“Pepper” 2016 美国波士顿动力公司发布双足机器人Atlas，具有极强的平衡性和越障能力，能够承担危险环境搜救任务。 19