人形机器人行业系列报告之三：人形机器人产品方案对比，百花齐放，各擅胜场

投资建议：国内外人形机器人厂商纷纷推出各自产品，推动人形机器人产业化进程，从供应链角度看，零部件环节供应商有望长期受益。 1）执行器和电机：受益标的为三花智控、拓普集团、鸣志电器；2）减速器：受益标的为中大力德；3）电机驱动控制芯片：受益标的为峰岹科技；4）传感器：推荐标的为东华测试，受益标的为柯力传感、奥比中光；5）丝杠类：推荐标的为五洲新春、恒立液压和长盛轴承，受益标的为北特科技、丰立智能、贝斯特和新坐标；6）丝杠设备类：受益标的为华辰装备、日发精机、秦川机床、浙海德曼和思进智能。 特斯拉机器人产品迭代迅速，国内外各家厂商加速推进和布局。2023年12月特斯拉发布Optimus-Gen 2，较一代相比，其产品性能提升明显，其中传感器和执行器优化显著。当前，大模型所具备的强大泛化能力和涌现能力驱动众多厂商尝试将大模型用于训练具身智能产品，加速人形机器人迭代和进化。在此背景下，国内外产业资本加速拓展人形机器人领域布局。国外方面，OpenAI于2023年3月领投挪威机器人公司1X Technologies；谷歌于2023年6月推出了具备自我改进与提升功能的机器人AI智能体RoboCat。国内方面，小米、傅利叶、宇树、智元、开普勒、追觅等厂商相继推出人形机器人产品。 执行层对比：各家方案各具特色。鉴于不同厂商对于产品定位的细微差异，其在执行层设计上存在差异，对于零部件的选用上也存在不同。电机：各家关节电机的峰值扭矩都能达到 200Nm 以上；自由度：国内各厂商自由度基本超过40个，其中智元远征A1机器人自由度达到49个，为国内同行中最高；灵巧手：远征A1配备灵巧手，其具备主动12个和被动5个的自由度，优必选的Walker X也配备灵巧手方案；传动方案：各家主要围绕“伺服电机+驱动器+谐波/行星减速器+传感器”的总体方案设计，但部分关节设计和方案选用更加多元。 感知层对比：力控方案多样，视觉方案具备共通之处。力控：目前以电流环和力矩/力传感器更普遍。特斯拉主要以力矩/力传感器为主，其脚部配备了六维力矩传感器；傅利叶传感器方案主要是全身电流环；视觉：国内机器人厂商配置方案均选择3D摄像头为主的RGB+Depth的深度方案，同时配上超声波传感、激光雷达、ToF传感等进行辅助，特斯拉基于其强大的算法，其产品视觉方案共配备了3个摄像头（Autopilot摄像头）。 风险提示：国产设备替代进度不及预期、人形机器人产业化不及预期； 1.人形机器人产业进程加速，各大厂商产品百花齐放 1.1.特斯拉人形机器人迭代迅速，从执行层到控制层进化明显 特斯拉机器人产品迭代迅速，产品性能进步明显。2021年8月，在特斯拉AIDAY上，马斯克公布人形机器人初步设计方案，仅1年后，Optimus实现了从概念到整机的落地，已具备了行走、拾取、搬运等能力；2023年5月，发布的视频中，机器人可以实现多个机器人同步独立向前流畅行走，手指关节能够灵活抓取鸡蛋等物品，已具备了电机扭矩控制、环境感知与记忆、基于人类演示训练机器人、端到端操作操作的能力；2023年9月，Optimus的视觉感知能力提升明显，可通过视觉与关节位置编码器，在空间中精确定位四肢，能够自我校准手臂和腿，同时可自主按照颜色对物品进行筛选分类与排序，神经网络实现端到端训练学习。此外，机器人手部抓取与全身平衡表现亮眼，可通过手指灵活抓取物品并放置指定位置，同时可做出类人的全身伸展运动，包括瑜伽单腿站立并保持平衡。2023年12月特斯拉发布Optimus-Gen2，较一代相比，二代不论是在性能还是设计上，均有更大创新和提升。 图1：特斯拉人形机器人持续进化 Optimus-Gen 2较一代产品性能提升明显，传感器和执行器优化显著。 从特斯拉发布的最新视频可以看到：1）该版本的机器人配备了特斯拉设计的执行器和传感器，更加精致美观；2）2个自由度的颈部执行器； 3）执行器集成电子线束，行走速度提高30%，重量减轻10公斤；4）脚力/扭矩传感器（预计为六维力传感器），并且搭配铰接式脚趾部分，足部形态更加接近人体的足部形态；5）手部为11个自由度的灵巧手，更快更灵活，所有手指都有触觉感应，能更精确的对物体进行控制；6）平衡性进一步改进，机器人在平衡自身的同时能够进行90度深蹲，在降低自身重量后，表明特斯拉在算法和传感器等方面做了更多优化。 图2：机器人配备脚力/扭矩传感器 图3：Optimusgen-2所有手指都有触觉传感 端到端大模型配合Dojo超算中心及自研的D1芯片，加快机器人进化。 目前人形机器人大规模落地重大难点是泛化和续航问题，解决泛化问题的核心在于算法、算力、数据，解决续航问题核心在电池。特斯拉相较于其他厂商优势在于：特斯拉通过其自研的端到端大模型作为人形机器人大脑算法，其Dojo超算中心及自研D1芯片提供海量算力，其工厂作为初步应用场景，提供测试数据。根据2023年9月特斯拉Optimus视频展示，其神经网络能实现端到端训练学习，输入视频即可实现输出控制，从而实现自我校准手臂和腿，自主按照颜色对物品进行筛选分类与排序。 特斯拉在自动驾驶FSD V12开发积累的丰富神经网络训练经验，将有助于未来特斯拉人形机器人加速泛化。 图4：Optimus自主按颜色分类物品 图5：特斯拉D1处理器架构 1.2.大模型加持人形机器人，产业发展步入快车道 大模型兼顾预训练和微调功能，是机器人的理想“大脑”。2017年谷歌提出了基于自注意力机制的Transformer神经网络架构，成为当前预训练大模型的基础。后续伴随GPT-1、BERT、GPT-2、GPT-3、GPT-4等模型的推出，模型的参数规模突破了百万亿量级。大模型（Foundation Models）能够实现在无标注的数据上进行预训练，从而根据数据特征探索普适的规律，形成强大的泛化能力，后续仅需利用专用的小规模的标注数据对模型进行微调（fine-tuning），即可提升模型泛化能力并减少过拟合。大模型兼顾强大的涌现能力，当模型数据量级突破一定阈值时，模型能够涌现出之前设计预期之外的、解决复杂问题的“思考能力”。 图6:大模型兼顾预训练和微调功能 人形机器人发展潜力在于其通用性，大模型助力具身智能演进。当前诸如送餐机器人、扫地机器人等特定应用场景下的机器人产品广泛推出，人形机器人相较于此类产品的核心优势在于其强大的通用性，未来应用场景将不再局限于特定领域，而在各领域的广泛适用。这要求具身智能产品具备智能体（Embodied Agents），能够自主完成感知、理解、决策等重要工作，具备“举一反三”的泛化能力。而大模型所具备的强大泛化能力和涌现能力与之契合，当前众多厂商已开始尝试将大模型用于训练具身智能产品，微软提出基于ChatGPT自动生成控制机器人的相关代码；谷歌推出了诸如PaLM-E、RoboCat、RT-2、RT-X等一众模型。长期看，软件模型持续精进将有效推进人形机器人应用场景拓展，推动具身智能高速演进。 图7:微软、谷歌一众企业推出具身智能大模型 微软：提出基于ChatGPT生成控制机器人的代码。微软2023年4月发表《ChatGPT for Robotics: Design Principles and Model Abilities》一文，其创新性设想借助ChatGPT强大的自然语言处理能力，用户仅需要将信息输入给ChatGPT，ChatGPT即可自动生成控制代码并完成操作，无需用户手动输入控制代码，极大简化了开发流程，提升了开发效率 图8：微软提出基于ChatGPT代码自生成实现自动控制 谷歌：机器人大模型路线众多，迭代迅速。2022年4月，谷歌首次推出机器人大模型SayCan，其决策思路可分解为Say和Can，Say结合了谷歌的大语言模型将目标任务进行拆分，Can通过计算不同实现任务方式的成功概率，挑选最优的决策。SayCan对后续大模型开发具有一定启发作用，2022-2023年期间，谷歌相继发布了RT-1、PaLM-E、RT-2、RT-X等机器人大模型。2023年10月，Google开放了Open X-Embodiment训练数据集，数据集包括来自21个机构的22种机器人的数据，包括527项技能和160266项任务。通过该数据集分别训练RT-1、RT-2后，得到RT-1-X、RT-2-X两个模型。RT-1-X模型加持下，机器人的平均表现比RT-1模型、原始模型提升接近50%；RT-2-X模型加持下，机器人的涌现能力表现比RT-2模型下提升至3倍。 图9：谷歌开源数据集推动RT-1、RT-2分别升级为RT-1-X、RT-2-X 国内大模型厂商蓬勃发展，具身智能+大模型是核心方向。ChatGPT推出以来，国内大模型厂商如雨后春笋般涌现，目前包括百度（文心一言大模型）、阿里（通义大模型）、华为（盘古大模型）、字节跳动（云雀大模型）、科大讯飞（星火大模型）等在内的行业内领先企业均推出自己的大模型产品。根据大模型开源开放评测体系司南的2023年度大模型评测榜单显示，GPT-4-Turbo表现最佳，智谱清言的GLM-4紧随其后。 多模态大模型丰富了机器人认知和决策层面，该技术有望使机器人在复杂交互、自然语言理解和环境适应等领域迈出重大进步，具身智能+大模型是未来的核心研究方向之一，部分国内厂商已经开始加速研发。 2024年1月5日，达闼机器人的基础大模型算法、RobotGPT多模态具身大模型算法正式通过了国家互联网信息办公室公布了第三批深度合成服务算法备案。RobotGPT多模态具身大模型加持下，机器人有望具备强大的语言生成和处理、情感分析、视觉语言操作、表情动作生成、自主行为决策等多模态输入输出功能。此外，智元机器人于2023年8月18日也提出了具身智脑EI-Brain的设计框架。国内厂商相继推出具身智能设计框架，带动产业发展步入快车道。 图10：达闼多模态具身大模型算法通过国家备案 图11：智元机器人提出具身智脑EI-Brain设计框架 1.3.各厂商百家争鸣，推动人形机器人产业加速 各厂商百家争鸣，推动人形机器人产业进程加速。伴随特斯拉Optimus人形机器人快速迭代掀起热潮，国内外产业资本加速拓展人形机器人领域布局。国外方面，戴森早在2022年5月即宣布将设计、制造家务人形机器人；三星于2023年年初向本土机器人厂商Rainbow Robotics投资590亿韩元（约3.19亿人民币）；OpenAI于2023年3月领投挪威机器人公司1X Technologies；谷歌于2023年6月推出了具备自我改进与提升功能的机器人AI智能体RoboCat。国内方面，小米、傅利叶、宇树、智元、开普勒等厂商相继推出其人形机器人产品： （1）小米CyberOne： 2022年8月，小米率先推出首款全尺寸人形仿生机器人CyberOne，其身高 177CM 、体重52KG，机器人全身自由度达21个，并能实现各自由度0.5ms级别的实时响应，可充分模拟人的各项动作。 图12:CyberOne发布会现场 （2）傅利叶Fourier GR-1： 2023年7月6日2023世界人工智能大会开幕式上，傅利叶智能在重大创新成果首秀环节发布了最新研发的一款通用人形机器人GR-1，其身高1.65米、体重55公斤，全身自由度达44个。这款机器人有高度仿生的躯干构型、拟人的运动控制，具备快速行走、敏捷避障、稳健上下坡、抗冲击干扰等运动功能，结合认知智能，能够与人协同完成动作，在工业、康复、居家、科研等多应用场景潜能巨大。 图13：傅利叶Fourier GR-1运动表现良好 （3）宇树Unitree H1： 2023年8月15日，宇树正式宣布进军通用人形机器人领域，发布旗下首款通用人形机器人产品H1。H1人形机器人采用轻量化材料设计，整体重量只有47kg。宇树专门为H1人形机器人设计了扭矩密度更高的M107关节电机，得益于M107大功率高密度关节电机加持，H1人形机器人整身拥有19个自由度，其