人形机器人行业深度报告1：海外国内代表企业纵览及核心零部件分析

证券研究报告 2023年12月7日 人形机器人行业深度报告1: 海外国内代表企业纵览及核心零部件分析 太平洋证券机械团队 证券分析师：温晓执业资格证书编码：S1190523070001 证券分析师：刘国清执业资格证书编码：S1190517040001 海外：特斯拉Optimus引领行业，量产前夜 特斯拉Optimus快速迭代，远期需求或达到100亿台：在特斯拉2021年的首届AIDay活动中，马斯克亲自发布了新产品——TeslaBot。在2022年的特斯拉AIDay活动中，已经可以自由行走的擎天柱Optimus在现场展示，并在展示文档中分享了大量技术细节。Optimus由40个执行器关节驱动，包括14个旋转执行器，14个线性执 行器以及灵巧手上的12个执行器。在2023年度特斯拉官方发布的视频中，Optimus已经可以完成依靠视觉分选不同颜色的积木块，还可以做出多个单腿站立的瑜伽动作。马斯克认为在成本下降的驱动下，Optimus的远期需求或达到100亿台。 国内：人形本体厂商百花齐放，快速追赶 工信部印发人形机器人指导意见，国内本体厂商大量涌现：2023年11月2日，工信部印发《人形机器人创新发展指导意见》，将切实推动人形机器人产业高质量发展。国内政策、资本以及技术多方面因素的加持下，国内人形机器人市场的潜力正加速释放。目前，不同背景的玩家正加速涌入市场，国内人形机器人厂商发布的产品在智能化，运动控制等产品属性上展现出不错的竞争力，并快速推进其量产节奏。目前，国内具有较强竞争力的人形机器人厂商包括但不限于优必选、傅利叶智能、智元机器人、达阀科技、宇树科技、小米集团、小鹏汽车等。 人形机器人的核心零部件分析 执行器最为关键，由多类核心零部件组成：人形机器的关键部件为执行器关节（旋转执行器以及线性执行器）及灵巧手，其对应的核心零部件主要包括：减速器（谐波减速器、行星减速器）、丝杠（滚珠丝杠、行星滚柱丝杠）、电机（空心杯电机、无框力矩电机）、传感器（力矩传感器、IMU惯性测量单元、编码器）等。目前，在上述核心零部件的高端市场，由于技术壁垒较高以及市场体量相对有限，目前仍然牢牢被海外厂商占据主要份额。展望未来，随着人形机器人的需求放量，在高精度高耐久度的传动元件、电机、传感器等领域，国产厂商将大有施展拳脚的空间。 相关标的经营情况 围绕特斯拉Optimus，重视执行器核心零部件：目前，特斯拉为全球人形机器人的趋势主导力量，应重点关注特斯拉Optimus的配套公司投资机会，其中价值量大且国产化率低的部件尤为值得重视。建议关注：1）北美客户执行器配套厂商：三花智控(未覆盖)、拓普集团；2）行星滚柱丝杠厂商：贝斯特(未覆盖)、恒立液 压；3）减速器厂商：绿的谐波、精锻科技(未覆盖)、中大力德(未覆盖)；4）机器人电机供应商：步科股份、鸣志电器(未覆盖)、禾川科技。 图表：相关标的Wind一致预期利润及估值表 资料来源：Wind（注：盈利预测均取自Wind一致预期，数据选取日为2023年12月06日），太平洋证券研究院 风险提示：人形机器人行业发展不及预期、行业竞争加剧风险、技术路线更迭风险。 目录 一 海外：特斯拉Optimus引领行业，量产前夜 二 国内：人形本体厂商百花齐放，快速追赶 三 人形机器人的核心零部件分析 四 相关标的经营情况 五 风险提示 1.1TeslaBot横空出世，人形机器人快速迭代更新 •初次亮相：2021年8月19日，在特斯拉首届AIDay活动中，马斯克亲自发布了新产品——TeslaBot。在最初的构想中，这款人形机器人的身高为5英尺8英寸（对应1.72m），重125磅（对应56kg），移动速度为5英里/小时（对应8km/h），具备承重45磅（对应20kg）的能力。TeslaBot在其头部配置了Autopilot摄像头，并使用FSD作为其智能系统。 •技术细节：按照马斯克的设想，TeslaBot将由分布在机器人手臂、颈部、躯干、手掌、腿部的合计40个电机驱动，使用轻质材料构成主体，并拥有如人类一般灵活的双手。马斯克认为，TeslaBot将会从处理无聊、重复和危险的事情开始，逐步去实现其他更复杂任务。 图表1：2021年AIDay发布的TeslaBot图表2：2021年AIDay展示的TeslaBot技术细节 图表3：TeslaBot具备高度的通用智能化 资料来源：特斯拉2021年AIDay，太平洋证券研究院 1.2Optimus重磅登场，有望在3至5年内降本至单台两万美金 •擎天柱登场：2022年9月30日，特斯拉在其AIDay展示了人形机器人Optimus（擎天柱）的原型机版本，并在展示文档中分享了大量技术细节。特斯拉在本次AIDay中表示其原型机于2022年2月已经推出，并作为开发平台进行深度研发。量产外形的机器人同 样在现场进行静态展示。马斯克认为Optimus有望在3-5年内降本至2万美金一台，从而普通家庭亦可购买。 图表4：擎天柱Optimus在短时间内快速迭代进化 7 资料来源：特斯拉2022年AIDay，太平洋证券研究院 •Optimus全身共有40个关节：根据2022年特斯拉AIDay的现场展示，擎天柱Optimus全身共有40个执行器关节。其中，Optimus的四肢以及躯干部分合计有28个执行器关节，包括14个旋转执行器关节以及14个线性执行器关节。而Optimus的一双灵巧手则有12个执行关节，即单手对应6个执行关节。 •Optimus配置有高自由度的灵巧手：根据现场展示，Optimus的单个灵巧手配有6个执行关节，具备11自由度，可以进行自适应抓取，且具备反向锁止功能。尽管未有明确的文字说明，但根据现场展示的视频，Optimus的灵巧手预计将使用空心杯电机、涡轮蜗杆传动以及绳驱的组合方案。Optimus的灵巧手具备抓取20磅重量物体的能力，且可以使用工具以及紧握细小的物件。 图表5：Optimus的四肢及躯干共有28个执行器关节图表6：Optimus的单个灵巧手配有6个执行关节 灵巧手 技术方案 8 资料来源：特斯拉2022年AIDay，太平洋证券研究院资料来源：特斯拉2022年AIDay，太平洋证券研究院 •Optimus全身共有14个旋转执行器：根据2022年特斯拉AIDay的现场展示，特斯拉为擎天柱Optimus设计了3种旋转执行器，其扭矩最大可达20/110/180NM，对应的重量为0.55/1.62/2.26kg。旋转执行器包括无框电机、谐波减速器(StrainWaveGearing)、传感器(位置编码器、无接触扭矩传感器)、轴承(角接触球轴承、交叉滚柱轴承)等零部件。其主要用于机器人的肩部(6)、肘部(2)、躯干(2)、髋部(4)。 图表7：擎天柱Optimus的旋转执行器示意图 具体 结构 •Optimus全身共有14个线性执行器：根据2022年特斯拉AIDay的现场展示，特斯拉为擎天柱Optimus设计了3种线性执行器，其驱动力最大可达500/3900/8000N，对应的重量为0.36/0.93/2.20kg。线性执行器包括无框电机、反向式行星滚柱丝杠(InvertedRollerScrew)、传感器(位置编码器、力传感器)、轴承(球轴承、四点接触轴承)等零部件。其主要用于机器人的上臂(2)、下臂(4)、大腿(4)、小腿(4)。 图表8：擎天柱Optimus的线性执行器示意图 具体 结构 •Optimus执行器位置分布情况：如前文所述，Optimus的四肢以及躯干部分合计有28个执行器关节，包括14个旋转执行器关节以及14个线性执行器关节。其中，旋转执行器主要用于机器人的肩部(6)、肘部(2)、躯干(2)、髋部(4)，而线性执行器用于机器人的上臂(2)、下臂(4)、大腿(4)、小腿(4)。 图表9：Optimus旋转执行器以及线性执行器位置梳理 资料来源：特斯拉2022年AIDay，太平洋证券研究院 11 图表10：Optimus旋转执行器以及线性执行器位置示意图 肩部旋转执行器 2*3=6 上臂拉伸执行器 2*1=2 肘部旋转执行器 2*1=2 下臂拉伸执行器 2*2=4 躯干旋转执行器 2 大腿拉伸执行器 2*2=4 髋部旋转执行器 2*2=4 小腿拉伸执行器 2*2=4 12 资料来源：特斯拉2022年AIDay，太平洋证券研究院 1.3Optimus已可完成复杂识别及运动任务，远期需求或达到100亿台 •力度控制能力，感知能力显著提升：2023年5月，特斯拉在其股东大会上发布擎天柱了Optimus的演示视频，机器人的力度控制更加精准，可以接触但不击碎鸡蛋。机器人的感知能力亦显著提升，可以识别并记忆不同的路况。此外，Optimus可以由人类输入动作范例，进行端到端的学习。马斯克认为Optimus的远期需求或达到100亿台。 •擎天柱已可以完成分类积木块，单腿站立瑜伽：2023年9月，特斯拉在推特/X上发布Optimus的最新演示视频。在视频中，机器人可以使用视觉及关节编码器校准肢体的移动路径，更高效地学习各类复杂的任务。在视频中，擎天柱可以完成依靠视觉分选不同颜色的积木块，还可以做出多个单腿站立的瑜伽动作。 图表11：2023年5月特斯拉股东大会发布的视频片段图表12：2023年9月特斯拉在推特/X发布的视频片段 不打碎鸡蛋 端到端学习 分选积木块 单腿瑜伽动作 1.4波士顿动力：现已被现代集团收购，Atlas具有超强的运动能力 •人形机器人代表性企业，公司曾几经易主：1992年，波士顿动力公司由马克·雷波特成立，研发制造各类机器人产品。2013年谷歌母公司Alphabet收购波士顿动力公司。2016年波士顿动力研制出电液驱动的机器狗，取名为Spot。2017年日本软银集团收购波士顿动力。2018年波士顿动力发布了Atlas人形机器人宣传视频，其超强的运动能力引起关注（实际上，初代Atlas亮相于2013年，由波士顿动力开发，由美国国防部国防高等研究计划署DARPA资助和监督）。 •Atlas具有超强的运动能力：根据波士顿动力发布的视频，Atlas执行了一系列高难度动作，其中包括分腿跳跃，360度旋转跳跃，倒立动作,甚至是翻筋斗等。Atlas以十分流畅的姿态完成了上述动作。 图表13：波士顿动力旗下产品Atlas以及Spot图表14：Atlas具有超强的运动能力 14 15 •独特的液压伺服驱动：区别于一般的人形机器人，Atlas使用电动及液压混合驱动，其通过液体压缩产生高压液体去推的缸体产生推力，从而驱动机器人。对比电驱动，液压驱动的功率密度较高且抗冲击能力较强，因此可以轻易完成后空翻等高难度动作。波士顿动力在液压伺服驱动领域领先于其他机器人厂商。Atlas搭载一个重5kg，功率5kW的液压驱动装置，可以为其提供极具爆发性的驱动力。 •采用3D打印技术去制造匹配液压驱动的零部件：液压执行器需要布置油箱、液压泵、伺服液压阀、溢流阀、液压管路、执行器(油缸)及各类传感器。因此为实现液压系统与肢体的完美融合，第二代Atlas开始使用3D打印技术制作机器人的腿部，从而将伺服阀、执行器、液压管路完全嵌入到四肢机构件中。 图表15：Atlas的液压伺服驱动系统图表16：Atlas采用3D打印技术去构造肢体 1.5本田：ASIMO为全球最早的双足人形机器人，诞生于2000年 •阿西莫是全球最早人形机器人：ASIMO是日本本田技研工业株式会社研制的仿人机器人，诞生于2000年10月31日。ASIMO即是指AdvancedStepInnovativeMobility，高级步行创新移动机器人。ASIMO身高为1.3m，体重为48kg，其最高行走速度为9km/h，全身拥有57个自由度。 •使用场景：ASIMO可以执行曲线行走，下台阶，弯腰等各项复杂动作。此外，ASIMO还可以握手，挥手，随着音乐自由舞蹈，甚至可以踢足