人形机器人专题报告三：拆解人形机器人结构，寻找高价值量细分领域

拆解人形机器人结构，寻找高价值量细分领域 人形机器人专题报告三 机器人 投资评级：推荐（维持） 投资要点 特斯拉Optimus代表当前商业化人机产品的最快速度与先进技术，值得作为 案例深入研究。短短两年半时间内Optimus共迭代3次，期间亦有产品新进展 2024年01月23日 证券研究报告|产业深度报告 分析师：曾文婉 分析师登记编码：S0890521020007电话：021-20321380 邮箱：zengwenwan@cnhbstock.com 销售服务电话： 021-20515355 行业走势图（2024年1月22日） 资料来源：iFind，华宝证券研究创新部 相关研究报告 1、《供应端从0到1有望突破，需求端人机替代市场广阔—人形机器人专题报告二》2023-12-21 2、《智能化进阶开启，商业化落地在即 —人形机器人专题报告一》2023-12-20 发布，当前工作能力、灵活程度、静态稳定性、智能水平已达到同行先进水平。在业务规划和招聘节奏上加紧步伐，可复用造车技术与供应链，商业化较快。 以特斯拉Optimus为例，对人形机器人的运控、感知硬件结构进行拆解，对人机软件算法方案进行分析。 运控——执行器方案：Optimus执行器采用刚性驱动器（TSA）方案。全身执行器分为——旋转关节（14个）、直线关节（14个）与空心杯/灵巧手关节（12个）。旋转关节由定制的永磁电机（无框力矩电机）+角接触球轴承+谐波减速器+交叉滚子轴承+力矩传感器+位置传感器（双编）+驱动器+机械离合器+关节CNC件组成，线性关节由永磁电机（无框力矩电机）+球轴承+四点角接触轴承+反向式行星滚柱丝杠+力传感器+位置传感器（单编） +驱动器+关节CNC件组成，空心杯关节由空心杯电机+多级行星减速器+蜗轮蜗杆+位置传感器（双编）+驱动器+金属腱绳构成。 感知——传感器方案：视觉感知上，Optimus主要采用纯视觉方案（3D多目视觉）。力觉感知上，除了各执行器的力/力矩传感器（内部传感器）外，Gen2在手部和脚底新增了触觉传感器，在脚踝与手腕处增加了多维力传感器。 软件——环境感知、思考决策、运动控制软件方案：特斯拉打通FSD在自动驾驶和Optimus中的底层模块，在一定程度上实现算法复用，并在不同模块（环境感知、思考决策、运动控制）上进行了机器人适用性优化。环境感知上，Optimus复用了占用网络模型来感知与理解周围物体，获取场景中物体的相关信息。相比汽车，Optimus所需训练数据不同且需要训练更多的神经网络。思考决策（规划）上，Optimus使用了端到端的神经网络模型，进行任务级、动作级的决策。相比汽车，Optimus的感知、规划与控制模块联系更为紧密，具体模型进行了机器人适用性优化。运动控制上，Optimus在肢体运动控制中加入状态估计模型，在肢体操纵控制中使用了模仿学习等技术。 总结特斯拉Optimus人机方案，向上游寻找高价值量细分领域。 人形机器人相比传统机器人，在执行器、传感器以及软件方案上有较大不同。首先，人机在执行器、传感器的用量上就已超过传统机器人，可关注用量增加的零部件细分领域，例如谐波减速器、编码器、力/力传感器。其次，关注属于人机新增需求的零部件细分领域，例如行星减速器、行星滚柱丝杠、 无框力矩电机、空心杯电机、3D视觉传感器、具身智能。 对比人形机器人各细分领域价值量占比情况，寻找高价值量的细分投资领域。首先，在人形机器人产品中，行星滚柱丝杠、力/力矩传感器、电机、减速器、编码器、空心杯电机为总价值量占比相对较高的硬件零部件。其次，行星滚柱丝杠、IMU、多维/六维力/力矩传感器、3D视觉硬件（非纯视觉）为单位价值量较高的硬件零部件，未来人机量产、成本需要进一步降低的趋势下，可关注以上领域国产替代下的投资机会。 风险提示：产业政策支持力度不及预期；行业技术发展、商业化进程不及预期；行业竞争加剧；原材料价格、设备价格波动的风险；下游行业需求不及预期；人形机器人存在伦理道德风险；价值量测算模型存在失效风险；本报告中所提及的公司旨在对行业现状进行说明，不代表推荐或覆盖。 内容目录 1.以特斯拉人形机器人为例，拆解人形机器人硬件方案5 1.1.特斯拉Optimus代表当前商业化人机产品的最快速度与先进技术5 1.2.拆解Optimus的运控、感知、软件方案7 1.2.1.运控——执行器方案7 1.2.2.感知——传感器方案15 1.2.3.软件——环境感知、思考决策、运动控制软件方案16 2.总结特斯拉Optimus人机方案，寻找高价值量细分领域24 3.投资建议29 4.风险提示30 图表目录 图1：特斯拉Optimus产品迭代速度较快（Gen1、Gen2以半年左右为期更新）5 图2：Optimus可进行物品识别6 图3：Optimus可进行精细操作6 图4：驱动器方案演变历史7 图5：特斯拉Optimus执行器方案11 图6：特斯拉Optimus使用的旋转执行器类型与结构12 图7：特斯拉Optimus使用的直线执行器类型与结构13 图8：特斯拉Optimus灵巧手关节结构15 图9：Optimus采用纯视觉感知方案16 图10：特斯拉FSD软件架构梳理17 图11：特斯拉Optimus软件架构梳理18 图12：占用网络模型下，特斯拉汽车的行车场景效果19 图13：特斯拉FSD中占用网络模型架构20 图14：Optimus通过占用网络模型来感知外界物体20 图15：Optimus通过占用网络模型来理解外界物体，并执行抓取的任务20 图16：Optimus通过占用网络模型来进行室内三维导航20 图17：Optimus使用了端到端的神经网络21 图18：Optimus运动规划模型全貌（以行走为例）22 图19：Optimus运动规划模型第一步——规划脚步（以行走为例）22 图20：Optimus运动规划模型第二步——规划步态轨迹（以行走为例）22 图21：Optimus运动规划模型第三步——保持平衡与协调（以行走为例）22 图22：Optimus运动控制模型（以行走为例）23 图23：Optimus使用纯视觉对肢体关节位置进行自动校准23 图24：Optimus肢体操纵模型23 图25：Optimus操纵模型第一步——生成示范动作（以拿起物体的动作为例）24 图26：Optimus操纵模型第二步——在线动作适应24 图27：人形机器人产业链图谱25 图28：不同类型机器人所需传感器类型梳理26 图29：以Optimus方案为例，估算人形机器人执行器、传感器中硬件零部件价值量占比29 图30：以较高性价比方案为例，估算人形机器人执行器、传感器中硬件零部件价值量占比29 图31：以高性能硬件方案为例，估算人形机器人执行器、传感器中硬件零部件价值量占比29 表1：三种高动态性能机器人的驱动器（执行器）方案比较8 表2：典型人机产品执行器方案梳理10 表3：Optimus执行器方案11 表4：线性执行器相比旋转执行器的优缺点14 表5：Optimus传感器方案16 表6：人形机器人与传统机器人（以工业机器人为例）在执行器方案、传感器方案上的对比26 表7：人形机器人常见执行器、传感器等硬件零部件方案及价值量梳理27 1.以特斯拉人形机器人为例，拆解人形机器人硬件方案 1.1.特斯拉Optimus代表当前商业化人机产品的最快速度与先进技术 特斯拉人形机器人Optimus迭代迅速，短短两年半时间内共迭代3次，Gen1/2均为间隔半年更新，期间亦有产品新进展发布。特斯拉2021年8月首次公布人形机器人（以下简称人机）项目，此时Optimus（擎天柱）还是人形机器人（TeslaBot）概念设想。2022年9月特斯拉AIDAY，Optimus首次亮相，但并未现场展示相应能力，而是通过Demo演示，展示了其搬箱子、浇花以及在特斯拉超级工厂工作的画面。2023年3月，特斯拉在2023InvestorDay上展示了关于人形机器人Optimus的最新视频，这个版本的Optimus可以到处走动、可进行拧螺丝等工作。2023年5月股东大会，特斯拉展示Optimus新的研发成果，包括运控能力进一步提升（具备流畅行走和抓取能力）、实现一定程度FSD（完全自动驾驶）算法复用。2023年9月，特斯拉通过社交平台X发布视频，展示了人形机器人Optimus的进化情况：1、可以基于纯视觉和关节位置编码器，自我校准双手、手臂和腿，可以在空间中精准定位四肢；2、学习与处理复杂多任务的效率更高，深度学习神经网络完全基于控制器和纯视觉感知（端到端学习，输入视频、输出控制），如可以自主对物体进行分类，应对外界干扰；3、姿态控制和自平衡能力提升，如能做瑜伽、单腿站立等。2023年12月，特斯拉通过X平台发布第二代Optimus人形机器人（Gen2），相比上一代（Gen1）在感知与性能有较大改进，包括颈部与手部灵活度增加、整体重量减轻10kg、行走速度提高30%、手部增加力传感器（实现了基于触觉的物体抓取以及操作）、脚部仿生设计并增加力传感器等。此外在外观上，颈部使用弹性织物包裹，遮盖内部结构和走线，手臂、膝盖、腿部均有新的覆盖件或装饰件包裹，美观程度有所提升。总的来看运动能力是有超预期表现的，例如手部精细化动作（复杂物体鸡蛋的拿取、放置）、深蹲动作均体现了OptimusGen2较强的运动和质心控制能力。从首次公布人机项目 （2021年8月）后，尤其在2023年，特斯拉机器人在硬软件性能上迭代速度较快，几乎在 3-4个月的时间就会有新进展。 图1：特斯拉Optimus产品迭代速度较快（Gen1、Gen2以半年左右为期更新） 资料来源：特斯拉2022年AIDAY，特斯拉2023年12月通过X平台发布的第二代Optimus人形机器人展示视频，华宝证券研究创新部 尽管特斯拉Optimus运动性能不算最强，但工作能力、灵活程度、静态稳定性、智能水平已达到同行先进水平。首先，Optimus仿生性较强，从目前公布的数据来看，Optimus整身采用28个执行器方案+11自由度灵巧手方案+2灵活度颈部+人体脚部设计，选择更加灵活的负载设计与6种类型的执行器，用来模拟人类的关节以及肌腱状态，已经成为最像人类的人形机器人产品之一。其次，过去较多人形机器人专注于提升运动能力及平稳性，追求高爆发的运行性能，但Optimus在物品识别与搬运、易碎物品抓取等偏实际工作应用的运动控制领域已取得一定进展，同时在具身智能方面具备领先优势（FSD自动驾驶系统已部分复用于机器人），在功能方面正加速步入实际应用层面。 图2：Optimus可进行物品识别图3：Optimus可进行精细操作 资料来源：特斯拉2023年9月X官方账号公布的Optimus进展视频，华宝证券研究创新部 资料来源：特斯拉2023年12月X官方账号发布的第二代Optimus 人形机器人展示视频，华宝证券研究创新部 Optimus在具体业务规划和招聘节奏上也是加紧步伐，可复用造车技术与供应链，在未来成本有较大降低空间，商业化脚步较快。2022年9月特斯拉AIDAY，Optimus首次亮相时马斯克表示3年实现量产、5年实现商用，目标售价在2万美元/台（按汇率美元对人民币7计算，约14万元）内。2023年7月特斯拉二季度财报会上，马斯克表示Optimus已经生产5-6台人形机器人，并预计在2023年11月进行行走测试（已推迟），2024年在特斯拉自己的工厂进行实用性测试。2023年10月，特斯拉官网放出了人形机器人多个岗位的招聘信息，包括软件工程师、机电一体化工程师、机器人CAE工程师、嵌入式软件工程师、机器人操作工程师和联合控制工程师等。此外，特斯拉依仗其造车经验和技术的累积，在人机产品上具备一定后发优势和降本优势，例如车辆硬件制造与测试经验、纯视觉感知系统和FSD自动驾驶系统，均已经或未来可复用在机器人项目中，可降低成本、提高效率。预计2024年将有行走测试结果、硬件